GH4720Li合金VIM+PESR+VAR三聯工藝及冶金質量

王慶增,石 磊,唐 超

(1.寶武特種冶金有限公司,上海200940;2.鋼鐵研究總院高溫材料研究所,北京100081)

GH4720Li合金是Ni-Cr-Co基沉淀硬化型變形高溫合金,使用溫度在750℃以下。GH4720Li合金具有較高的高溫強度、抗疲勞和抗蠕變性能,以及長期的組織穩定性[1],該合金是變形高溫合金中綜合力學性能水平最高的實用化合金之一,適合制作航空發動機渦輪盤和渦輪葉片。

GH4720Li的合金化程度非常高,尤其是析出強化元素Al、Ti含量之和高達7.5%,γ′強化相的體積分數超過40%。由于合金鑄錠熱塑性差,變形時極易產生裂紋,因而它也是最典型的難變形高溫合金。國際上通常采用真空感應熔煉(VIM)+保護氣氛電渣重熔(PESR)+真空自耗重熔(VAR)三聯工藝冶煉生產該合金。

航空發動機用高溫合金通常選擇VIM+ESR或VIM+VAR工藝冶煉。采用VIM+PESR工藝冶煉時,選擇具有良好的脫S效果的渣系[2-3],可以提高合金的純凈度。若采用VIM+VAR工藝冶煉,則可以降低合金的氣體含量;避免渣皮對散熱的不利影響,加之He氣輔助冷卻,可形成較淺的熔池[4-5],冶金質量也比較好,但是雙真空工藝的脫S效果不好。

由此可見,采用VIM+PESR+VAR三聯工藝冶煉GH4720Li合金,可綜合利用PESR和VAR重熔的優點。寶武特冶公司采用VIM+PESR+VAR三聯工藝冶煉的GH4720Li合金鑄錠,低倍組織無宏觀偏析;采用均勻化擴散退火的方法降低并控制合金的微觀偏析,以提高鑄錠的熱塑性,從而改善合金的熱加工性能。本文簡要介紹采用VIM+PESR+VAR三聯工藝冶煉GH4720Li合金的實物質量和冶金效果,以及試驗鍛制φ150 mm棒材的組織與性能。

1 試驗材料及方法

GH4720Li合金的VIM冶煉在寶武特種冶金有限公司的6.0 t爐進行,PESR在5.0 t氬氣保護電渣爐進行,VAR重熔在具有熔滴控制、He氣輔助冷卻和計算機自動控制功能的8.0 t爐完成,錠型為φ508 mm。

在自耗錠頭部切取300 mm試驗料,分析研究鑄態組織特征,并試驗摸索均勻化處理工藝。

VIM+PESR+VAR三聯工藝GH4720Li合金錠在2 000 t快鍛機上進行鍛造工藝試驗,鍛制成φ150 mm棒材;并在棒材本體上取樣進行相關組織和力學性能的檢驗和測試。

棒材固溶處理工藝:(1 110±5) ℃保溫4 h,油冷。

棒材時效處理工藝:(650±5) ℃×24 h空冷,(760±5) ℃×16 h空冷。

2 試驗結果及分析

2.1 三聯工藝冶煉效果

表1為三聯冶煉工藝GH4720Li合金的主要化學成分。

表1 GH4720Li合金化學成分Table 1 Chemical compositions of GH4720Li alloy %

2.2 鑄態組織分析

在自耗錠頭部切取25 mm×508 mm×300 mm試驗料,加工制備縱低倍組織試片。VIM+PESR+VAR三聯冶煉的GH4720Li合金φ508 mm錠頭部縱低倍組織如圖1所示。由圖1可以看出,鑄錠頭部低倍組織致密、無宏觀偏析,為典型的柱狀晶組織。

鑄錠的微觀成分偏析和枝晶間共晶析出相對鑄錠鍛造開坯的熱塑性及棒材乃至鍛件的組織均勻性都有不利影響,應采取適當的均勻化擴散退火工藝處理的方法予以改善和消除。在鑄錠低倍試片的1/2R處切取試樣,進行高倍組織分析。圖2給出了GH4720Li合金鑄錠均勻化擴散退火處理前后的典型高倍組織形貌。

2.3 鍛棒低倍組織

鑄錠經均勻化處理后,在2 000 t快鍛機進行鍛造開坯并鍛制成φ150 mm鍛棒。鍛棒低倍組織照片見圖3。棒材的橫向低倍組織比較均勻。

在棒材中心、1/2R和邊緣處分別切取縱向高倍試樣,觀察GH4720Li合金在固溶態和固溶+時效態的高倍組織特征。

2.4 高倍組織檢驗

GH4720Li合金經標準熱處理后的組織主要有γ基體、γ′相、MC、M23C6碳化物和M3B2硼化物等[1]。VIM+PESR+VAR三聯工藝冶煉的GH4720Li合金φ150 mm棒材中心、1/2R、近邊緣處固溶態的顯微組織如圖4所示。

VIM+PESR+VAR三聯工藝GH4720Li合金φ150 mm棒材中心、1/2R、近邊緣處固溶+時效態的顯微組織如圖5所示。金相觀察面為縱向。

綜合圖4和圖5可以看出,棒材顯微組織基本為完成再結晶的細晶晶粒組織。

2.5 拉伸性能

VIM+PESR+VAR三聯工藝GH4720Li合金棒材固溶+時效態的室溫拉伸性能和650 ℃拉伸性能如表2所示,抗拉強度σb、屈服強度σ0.2、延伸率δ5和斷面收縮率Ψ均能滿足標準要求。

表2 GH4720Li合金鍛棒的拉伸性能Table 2 Tensile properties of GH4720Li forging bar

2.6 持久性能

VIM+PESR+VAR三聯工藝GH4720Li合金棒材固溶+時效態的680 ℃、830 MPa和730 ℃、530 MPa持久性能檢測數據見表3。檢測結果表明,持久斷裂時間和延伸率均滿足標準要求。

表3 GH4720Li合金鍛棒高溫持久性能Table 3 High temperature endurance properties of GH4720Li forging bar

3 結論

(1) 采用VIM+PESR+VAR三聯工藝冶煉GH4720Li合金錠,工藝穩定,可有效降低S含量,有利于鑄錠熱塑性的提高。

(2) 試制棒材的橫向低倍組織比較均勻,高倍組織基本為完成再結晶的晶粒組織。

(3) VIM+PESR+VAR三聯工藝GH4720Li合金棒材力學性能滿足試制標準要求。