GH4169鎳基合金熱擠壓成形的工藝開(kāi)發(fā)

王錦永，張愛(ài)亮，劉靜，王錕，費(fèi)志偉，張學(xué)濤

新興鑄管股份有限公司 河北邯鄲 056000

1 序言

GH4169是沉淀硬化變形高溫鎳基合金，對(duì)應(yīng)的國(guó)外牌號(hào)是Inconel 718，在-253～650℃具有較高的強(qiáng)度、良好的抗疲勞和抗腐蝕性能，瞬時(shí)使用溫度達(dá)800℃，在航空航天、核能和石油化工等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1，2]。GH4169合金主要成分包括Fe、Cr、Ni、Nb、Al、Ti等元素，組織由基體γ相、δ相、碳化鈮、氮化鈦、γ″相、γ'相和Laves相組成，其中γ″是主要的強(qiáng)化相，γ'相數(shù)量少于γ″相，Laves相熔點(diǎn)低，對(duì)鍛造和熱擠壓工藝提出了較高要求[3-5]。GH4169合金鑄錠中Nb偏析嚴(yán)重，需先進(jìn)行均質(zhì)化處理，再鍛造開(kāi)坯，使晶粒細(xì)化，由于鍛造需要多個(gè)火次，且每火次鍛造有很多鍛打才能完成，導(dǎo)致單次應(yīng)變小，容易出現(xiàn)混晶、組織粗大的問(wèn)題。

熱擠壓成形工藝是在三向壓應(yīng)力下成形，一火次一道次成形，壓縮率大，應(yīng)變速率大，有利于難變形合金的成形，生產(chǎn)的合金組織均勻。張?chǎng)蔚萚6]利用有限元模擬軟件研究了擠壓工藝參數(shù)對(duì)GH4169合金棒料溫升、應(yīng)變分布及擠壓力的影響。本文采用新興鑄管股份有限公司的63MN擠壓機(jī)進(jìn)行GH4169棒料的擠壓成形工藝試驗(yàn)，為均勻細(xì)晶粒棒料的擠壓成形工藝開(kāi)發(fā)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)材料和工藝路線

2.1 試驗(yàn)材料

GH4169合金鑄錠冶煉工藝是真空感應(yīng)電爐熔煉+電渣重熔。鍛造工藝：鑄錠入爐前爐溫控制在690℃以下，入爐后逐步加熱到1120～1140℃，鑄態(tài)合金的顯微組織所含的Nb產(chǎn)生大量偏析，從而形成Laves相和粗大的碳化物，鍛造開(kāi)坯前先進(jìn)行均勻化處理，以減少偏析。始鍛溫度≥1050℃，終鍛溫度≥890℃。終鍛溫度＜890℃時(shí)，應(yīng)將坯料重新回爐補(bǔ)溫，回爐保溫時(shí)間60min以上，鍛造比≥3。鍛造開(kāi)坯后進(jìn)行固溶處理，然后加工到φ217mm的擠壓用圓坯，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 GH4169合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

2.2 試驗(yàn)工藝路線

鍛坯加工成擠壓用圓坯后，在63MN臥式擠壓機(jī)上進(jìn)行熱擠壓成形，試驗(yàn)工藝路線如下：真空感應(yīng)電爐熔煉+電渣重熔→均勻化處理→鍛造開(kāi)坯→加工擠壓圓坯→電阻爐預(yù)熱→電磁感應(yīng)爐加熱→玻璃粉潤(rùn)滑→熱擠壓→水冷固溶→目視+超聲波無(wú)損檢測(cè)+尺寸測(cè)量→金相組織檢測(cè)。

3 試驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果

3.1 棒料熱擠壓成形模具結(jié)構(gòu)

熱擠壓成形的模具結(jié)構(gòu)如圖1所示。在擠壓筒的前端設(shè)置有擠壓模和玻璃墊，擠壓桿前端放有擠壓墊。當(dāng)加熱到溫的坯料涂上玻璃粉后，裝進(jìn)擠壓筒，擠壓桿推動(dòng)擠壓墊和坯料向前移動(dòng)到擠壓模的前端。坯料前端接觸到緊貼擠壓模的玻璃墊后，擠壓桿繼續(xù)向前推動(dòng)，通過(guò)擠壓墊對(duì)坯料施壓，先使坯料鐓粗，消除坯料外圓與擠壓筒內(nèi)壁的間隙，然后金屬被擠壓進(jìn)入擠壓模的圓形孔型而形成實(shí)心成品棒料。待擠壓桿前進(jìn)到限位停止處時(shí)，擠壓過(guò)程結(jié)束，擠壓筒內(nèi)留下20～50mm沒(méi)有壓完的金屬壓余。然后鎖緊擠壓筒的開(kāi)關(guān)打開(kāi)，擠壓筒后撤，同時(shí)使金屬壓余、擠壓墊、擠壓桿一起后退，將金屬壓余從成品上用熱據(jù)切掉，成品從擠壓機(jī)出口方向輸送出去。

圖1 熱擠壓成形模具結(jié)構(gòu)

3.2 GH4169合金棒料熱擠壓成形工藝參數(shù)

由于GH4169合金變形抗力大且存在低熔點(diǎn)的Laves相，熱加工溫度范圍較窄，因此溫度過(guò)高時(shí)容易擠壓爆裂，溫度過(guò)低時(shí)容易擠壓悶車(chē)，這就給熱擠壓加工帶來(lái)一定的復(fù)雜性，需要考慮加工過(guò)程中的溫升現(xiàn)象。

坯料加熱重點(diǎn)控制措施：坯料溫度要達(dá)到材料的最佳塑性區(qū)間，采用電阻爐均勻預(yù)熱+電磁感應(yīng)加熱，一方面電阻爐加熱析出相盡量溶解擴(kuò)散，另一方面高溫段導(dǎo)熱性好，感應(yīng)加熱有利于提高表面溫度，彌補(bǔ)原料傳送和擠壓過(guò)程中外表面的溫降，提高變形時(shí)金屬流動(dòng)的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵熱擠壓工藝參數(shù)：鍛坯加工到尺寸為φ217mm×（600～620）mm的擠壓用坯料，頭部加工R30～R40mm的圓角，表面粗糙度值Ra≤1.6μm；將坯料在電阻爐預(yù)熱到1100℃，保溫2～4h，隨后用電磁感應(yīng)爐快速加到外表面1120～1140℃；然后用玻璃粉涂覆外表面，玻璃墊緊貼擠壓模，形成熔融狀態(tài)的潤(rùn)滑薄膜，隔開(kāi)金屬與擠壓模具；坯料送入擠壓筒，擠壓筒內(nèi)徑225mm，擠壓模內(nèi)徑97.5mm，擠壓速度70～130mm/s，在擠壓筒、擠壓模和擠壓墊組成的圓形空腔里，經(jīng)過(guò)擠壓機(jī)的三向壓應(yīng)力作用后，擠壓出直徑為95mm的圓棒，擠壓后快速在水中冷卻。

3.3 GH4169合金棒料熱擠壓后表面質(zhì)量

對(duì)熱擠壓的GH4169棒料進(jìn)行目視、超聲波無(wú)損檢測(cè)和尺寸檢測(cè)，結(jié)果顯示：擠壓棒料表面平整光潔，無(wú)折疊、裂紋、分層、夾渣等缺陷存在，尺寸精度和表面質(zhì)量都比較理想，優(yōu)于鍛棒的表面質(zhì)量，如圖2所示。

圖2 GH4169熱擠壓后表面質(zhì)量

3.4 GH4169合金棒料組織和硬度

對(duì)棒料半徑1/2位置處取金相組織試樣，經(jīng)磨樣拋光腐蝕后，在金相顯微鏡下觀察晶粒和析出相，如圖3所示。

圖3 GH4169棒料熱擠壓后顯微組織

由圖3可看出，通過(guò)晶粒尺寸測(cè)量半徑1/2處晶粒度3.0級(jí)，整體上極差不大于2.0級(jí)，晶粒比較均勻，無(wú)混晶。基體組織為奧氏體，析出相主要是Nb和Ti的化合物，棒料整個(gè)截面組織差別不大。NbC相的結(jié)構(gòu)呈不規(guī)則、淺灰色的橢圓形狀。TiN相則呈規(guī)則、淡黃色的棱角形狀。NbC和TiN都是冶煉、澆注時(shí)形成的，不易溶解。由于擠壓速度較快，坯料溫降不大，同時(shí)伴隨擠壓變形溫升，擠壓后棒料溫度在1050℃以上，且高溫態(tài)直接入水快速冷卻，屬于固溶狀態(tài)，強(qiáng)化相都在組織中溶解，因此均沒(méi)有觀察到γ″相、γ'相、δ相。試樣修磨拋光后，按照標(biāo)準(zhǔn)ASTM E18進(jìn)行布氏硬度檢測(cè)，從外表面到心部位置的硬度為153～160HBW，屬于理想固溶狀態(tài)的硬度。

4 結(jié)束語(yǔ)

GH4169合金原料經(jīng)過(guò)鍛造開(kāi)坯，采用電阻爐均勻預(yù)熱＋電磁感應(yīng)加熱提高表面溫度，用玻璃粉作為擠壓潤(rùn)滑介質(zhì)，擠壓速度70～130mm/s，經(jīng)過(guò)單道次大應(yīng)變熱擠壓變形后，成品表面質(zhì)量好，尺寸精度高，沒(méi)有折疊、裂紋、分層等缺陷，內(nèi)在組織均勻，晶粒度極差不大于2.0級(jí)，再結(jié)晶充分。表面質(zhì)量和內(nèi)在組織優(yōu)于鍛坯的質(zhì)量。從進(jìn)一步細(xì)化組織的目的出發(fā)，下一步研究的方向是通過(guò)低溫預(yù)熱＋快速感應(yīng)加熱，或直接感應(yīng)加熱，減小加熱期間的晶粒長(zhǎng)大，結(jié)合大變形量高應(yīng)變速率熱擠壓成形工藝，優(yōu)化細(xì)晶棒料的生產(chǎn)工藝。