GH4698高溫合金渦輪盤低倍組織控制研究

文/陳石富，張北江，秦鶴勇，趙光普·鋼鐵研究總院高溫材料研究所

GH4698高溫合金在1025℃至1120℃的溫度范圍內(nèi)塑性變形后，當塑性變形量大于臨界變形量時：其變形態(tài)低倍組織取決于變形量的大小，而與塑性變形溫度無關；熱處理后，熱處理態(tài)低倍組織取決于塑性變形溫度，而與塑性變形量無關。當變形量小于臨界變形量時：塑性變形對變形態(tài)低倍組織的影響隨變形量的減小而減弱，當變形量接近0時，材料相當于空燒一次。通過優(yōu)化熱加工工藝參數(shù)，順利改善GH4698高溫合金渦輪盤低倍組織問題。

GH4698高溫合金是一種以鋁、鈦、鈮時效強化型鎳基高強度變形高溫合金，主要用于溫度不超過750℃的渦輪盤、導流盤和壓氣機盤等工作條件非常惡劣的高溫轉(zhuǎn)動部件,此類合金在生產(chǎn)制備過程中低倍粗晶傾向嚴重。而低倍粗晶一方面會導致材料特定力學性能（主要是疲勞性能）下降。另一方面，低倍晶粒尺寸過大或嚴重的低倍晶粒不均勻分布，都會對超聲波檢驗工作的效能產(chǎn)生顯著的不利影響，嚴重情況下會引發(fā)超聲波的雜波過高或底波消失等問題，從而導致超聲波無損檢驗工作無法有效實施。因此在變形高溫合金材料的加工生產(chǎn)過程中，必須對其低倍組織狀態(tài)進行嚴格控制，確保合金部件出廠檢測的可行性、工作服役期間的可靠性。

變形高溫合金低倍組織的形態(tài)主要由熱塑性加工和熱處理工藝條件決定，長期以來，如何獲得均勻細小的低倍組織，始終是在盤軸類鍛件制備工藝制定過程中被重點考慮的因素之一。本研究針對GH4698合金低倍組織控制問題，首先采用試驗合金進行鍛壓試驗，研究熱加工工藝參數(shù)對GH4698合金低倍組織的影響機制和規(guī)律；隨后根據(jù)試驗合金總結出的塑性成形規(guī)律，優(yōu)化GH4698合金渦輪盤生產(chǎn)工藝參數(shù)。

試驗材料和方法

試驗用GH4698合金材料取自實際工業(yè)生產(chǎn)過程中，用于制備大型燃氣輪機全尺寸渦輪盤鍛件的圓餅坯料，其具體制備工藝流程為：采用真空感應熔煉加真空自耗重熔（VIM+VAR）工藝制備合金鋼錠，鋼錠經(jīng)均勻化處理后，在快速鍛造液壓機上進行自由鍛造，開坯鍛制直圓棒材，定尺分切后采用模鍛液壓機鐓鍛圓餅，如圖1所示。在圓餅中心處切取直徑300mm圓柱形坯料作為制備本試驗的坯料。在圓柱形坯料上切取異形橫截面的棱柱形試驗坯料（圖2），直線段Slh為該棱柱坯料沿長度方向的中心線，Slh的兩個端點l與h分別為棱柱坯料兩個端面L和H的對稱中心。棱柱坯料橫截面具體尺寸如圖3所示，以下將其簡稱為異形坯。試驗材料化學成分見表1。

表1 鍛造試驗用GH4698高溫合金坯料化學成分/Wt（%）

圖1 GH698高溫合金餅坯

圖2 試驗坯料外形示意圖

圖3 試驗坯料橫截面具體尺寸

在異形坯兩端位置加工直徑6mm的圓孔，并安裝內(nèi)置熱電偶，圓孔深度應保證電偶到達異形坯的幾何中心線上，將異形坯裝入采用Al2O3纖維與304L不銹鋼板制成的復合隔熱套內(nèi)，同時保持端面H處于開放狀態(tài)，其余所有表面均包覆復合隔熱套，使得當坯料裝入高溫加熱爐內(nèi)時，這些包覆隔熱套的表面的綜合換熱系數(shù)遠遠小于開放端面H的值。隔熱套分為內(nèi)套和外套，內(nèi)套厚度較小（20mm），在加熱和鍛壓全過程中一直包覆在異形坯表面，外套隔熱材料厚度較大（大于100mm），可以保證在加熱過程中透過外套輸入的熱量與開放端面H相比可以忽略不計。

試驗過程中，首先將鍛造加熱爐的爐溫加熱至1180℃并保溫，待爐溫穩(wěn)定后將植入熱電偶l′與h′并包覆隔熱套的異形坯裝入加熱爐中，采用Fluke 2635A數(shù)據(jù)記錄儀全程記錄熱電偶所采集的數(shù)據(jù)。當熱電偶h′的實測溫度達到預定值1140℃時（此時熱電偶l′對應的實測溫度為1020℃±5℃），將異形坯取出，脫去外層隔熱套后轉(zhuǎn)移至等溫鍛造液壓機，采用平板模實施鍛壓，鍛壓方向沿圖3中mn所示方向進行，將異形坯沿mn方向壓至35mm高，完成變形后立即將異形坯脫去內(nèi)層隔熱套并進行油淬。油淬后的異形坯沿主對稱面解剖，磨光后采用低倍腐蝕液進行表面腐蝕處理。同時在變形油淬后的異形坯主對稱面上切取試片，將其整體在1100℃下固溶處理8小時后油淬，觀察研究熱處理后主對稱面上低倍組織形態(tài)的變化情況。

根據(jù)試驗合金的低倍組織演變規(guī)律，對GH4698高溫合金渦輪盤生產(chǎn)工藝進行優(yōu)化，采用新工藝在30000t水壓機上鍛造渦輪盤，并對新工藝生產(chǎn)的渦輪盤進行組織評價。

試驗結果及討論

熱鍛造過程中溫度場和應變場分析

當初始溫度為室溫、包覆隔熱套的異形坯被裝入高溫加熱爐時，處于開放狀態(tài)的H端面溫度將快速上升，而異形坯的所有其他表面由于隔熱套的存在，通過表面的熱流密度將遠遠小于H端面，可以近似認為處于絕熱狀態(tài)。處于l′與h′之間點的溫度僅與材料的導熱系數(shù)與密度有關，可以達到很高的精度。而l′與h′之外點的溫度采用外推的方法獲得，其計算精度受到所設定的坯料表面換熱系數(shù)的影響，誤差相對較大。

當異形坯沿mn方向被壓縮至35mm高時，通過有限元計算獲得的坯料橫截面上的應變分布如圖4所示，等效應變在0至1.6（對應工程應變從0至80%）的范圍內(nèi)分布。變形結束時刻的溫度與等效應變分布如圖5所示，其中圖5(a)為溫度分布，根據(jù)熱電偶l′與h′采集的數(shù)據(jù)為邊界條件、采用有限元計算的方法確定。圖5(b)為等效應變分布，與圖4給出的橫截面上的等效應變沿ij方向的分布相對應。圖5是基于平面應變假設給出的計算結果，實際上在臨近異形坯L與H兩端的局部區(qū)域，應變分布與位置坐標將偏離圖5的計算結果。若取oo′為x坐標軸，oi為y坐標軸，o為坐標原點，則o點對應的變形溫度為1025℃，等效應變值為1.6，相應地，i′點的變形溫度為1120℃，等效應變值為0.01。

圖4 異形坯壓縮變形后橫截面上的等效應變分布

圖5 溫度分布與等效應變分布

固溶熱處理后低倍組織形態(tài)

塑性變形后異形坯固溶處理前后，主對稱面上的低倍組織形態(tài)如圖6所示，由圖6可知固溶處理后異形坯主對稱面上低倍組織晶粒尺寸、分布形態(tài)較變形態(tài)都發(fā)生顯著的變化。在特定的變形溫度下，異形坯主對稱面上的低倍晶粒尺寸隨變形量的改變而變化，且存在一個臨界變形量，在該臨界變形量處低倍組織形態(tài)發(fā)生顯著的變化，變形量小于臨界變形量時，低倍組織形態(tài)接近原始狀態(tài)。但這一臨界變形量隨變形溫度的改變而變化。總之，異形坯固溶熱處理后低倍組織形態(tài)取決于變形溫度和變形量，但變形溫度為主導因素。

GH4698高溫合金渦輪盤鍛件加工

重新設計渦輪盤的加工生產(chǎn)工藝，將坯料加熱溫度從1130℃降低至1090℃；增加保溫套包覆的GH4698高溫合金渦輪盤坯料的保溫時間，進一步提高坯料溫度的均勻性，同時優(yōu)化鍛壓模具的結構，以實現(xiàn)渦輪盤各區(qū)變形量的合理分配。圖7為改進工藝后渦輪盤鍛件上輪緣、輻板、輪轂各部位低倍組織，由圖7可知輪緣部位低倍晶粒直徑小于1mm，其他各部位的低倍晶粒直徑小于0.5mm，其中輪緣部位低倍晶粒尺寸略大，與該部位總變形量較大、溫升效應較明顯直接相關。

圖6 異形坯主對稱面上的低倍組織形態(tài)

圖7 改進工藝后GH4698合金渦輪盤鍛件熱處理后低倍組織

研究結果證實，采用新工藝生產(chǎn)的鍛件與前期生產(chǎn)的鍛件相比，渦輪盤低倍組織粗晶得到了有效的改善，低倍晶粒尺寸的分散性也得到有效的控制，鍛件上的低倍組織分區(qū)現(xiàn)象也基本消除。超聲波測試表明，低倍組織形態(tài)的改善使得超聲波探傷效能大幅度提高，盤件性能均勻性得到明顯改善，成功解決了該鍛件的低倍組織質(zhì)量問題。

結束語

制備工藝參數(shù)決定了GH4698合金固溶處理后低倍組織形態(tài)，且在任意一個特定的塑性變形條件下，合金均存在一個臨界變形量，當變形量大于該臨界變形量時,熱處理低倍組織取決于塑性變形溫度，而與塑性變形量無關；當變形量小于臨界變形量時，塑性變形對低倍組織的影響隨變形量的減小而減弱，當變形量接近0時，材料相當于空燒一次，低倍組織取決于塑性變形溫度，而與塑性變形量無關。

根據(jù)試驗合金研究總結出的塑性成形規(guī)律優(yōu)化GH4698合金渦輪盤坯料鍛前加熱溫度、時間和模具結構，順利解決了渦輪盤的低倍組織質(zhì)量問題。