GH4169鎳基合金熱擠壓成形的工藝開發

王錦永，張愛亮，劉靜，王錕，費志偉，張學濤

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，對應的國外牌號是Inconel 718，在-253～650℃具有較高的強度、良好的抗疲勞和抗腐蝕性能，瞬時使用溫度達800℃，在航空航天、核能和石油化工等領域應用廣泛[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″是主要的強化相，γ'相數量少于γ″相，Laves相熔點低，對鍛造和熱擠壓工藝提出了較高要求[3-5]。GH4169合金鑄錠中Nb偏析嚴重，需先進行均質化處理，再鍛造開坯，使晶粒細化，由于鍛造需要多個火次，且每火次鍛造有很多鍛打才能完成，導致單次應變小，容易出現混晶、組織粗大的問題。

熱擠壓成形工藝是在三向壓應力下成形，一火次一道次成形，壓縮率大，應變速率大，有利于難變形合金的成形，生產的合金組織均勻。張鑫等[6]利用有限元模擬軟件研究了擠壓工藝參數對GH4169合金棒料溫升、應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擠壓機進行GH4169棒料的擠壓成形工藝試驗，為均勻細晶粒棒料的擠壓成形工藝開發提供基礎數據。

2 試驗材料和工藝路線

2.1 試驗材料

GH4169合金鑄錠冶煉工藝是真空感應電爐熔煉+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℃，鑄態合金的顯微組織所含的Nb產生大量偏析，從而形成Laves相和粗大的碳化物，鍛造開坯前先進行均勻化處理，以減少偏析。始鍛溫度≥1050℃，終鍛溫度≥890℃。終鍛溫度＜890℃時，應將坯料重新回爐補溫，回爐保溫時間60min以上，鍛造比≥3。鍛造開坯后進行固溶處理，然后加工到φ217mm的擠壓用圓坯，其化學成分見表1。

表1 GH4169合金的化學成分（質量分數） （%）

2.2 試驗工藝路線

鍛坯加工成擠壓用圓坯后，在63MN臥式擠壓機上進行熱擠壓成形，試驗工藝路線如下：真空感應電爐熔煉+電渣重熔→均勻化處理→鍛造開坯→加工擠壓圓坯→電阻爐預熱→電磁感應爐加熱→玻璃粉潤滑→熱擠壓→水冷固溶→目視+超聲波無損檢測+尺寸測量→金相組織檢測。

3 試驗過程和結果

3.1 棒料熱擠壓成形模具結構

熱擠壓成形的模具結構如圖1所示。在擠壓筒的前端設置有擠壓模和玻璃墊，擠壓桿前端放有擠壓墊。當加熱到溫的坯料涂上玻璃粉后，裝進擠壓筒，擠壓桿推動擠壓墊和坯料向前移動到擠壓模的前端。坯料前端接觸到緊貼擠壓模的玻璃墊后，擠壓桿繼續向前推動，通過擠壓墊對坯料施壓，先使坯料鐓粗，消除坯料外圓與擠壓筒內壁的間隙，然后金屬被擠壓進入擠壓模的圓形孔型而形成實心成品棒料。待擠壓桿前進到限位停止處時，擠壓過程結束，擠壓筒內留下20～50mm沒有壓完的金屬壓余。然后鎖緊擠壓筒的開關打開，擠壓筒后撤，同時使金屬壓余、擠壓墊、擠壓桿一起后退，將金屬壓余從成品上用熱據切掉，成品從擠壓機出口方向輸送出去。

圖1 熱擠壓成形模具結構

3.2 GH4169合金棒料熱擠壓成形工藝參數

由于GH4169合金變形抗力大且存在低熔點的Laves相，熱加工溫度范圍較窄，因此溫度過高時容易擠壓爆裂，溫度過低時容易擠壓悶車，這就給熱擠壓加工帶來一定的復雜性，需要考慮加工過程中的溫升現象。

坯料加熱重點控制措施：坯料溫度要達到材料的最佳塑性區間，采用電阻爐均勻預熱+電磁感應加熱，一方面電阻爐加熱析出相盡量溶解擴散，另一方面高溫段導熱性好，感應加熱有利于提高表面溫度，彌補原料傳送和擠壓過程中外表面的溫降，提高變形時金屬流動的穩定性。

關鍵熱擠壓工藝參數：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；將坯料在電阻爐預熱到1100℃，保溫2～4h，隨后用電磁感應爐快速加到外表面1120～1140℃；然后用玻璃粉涂覆外表面，玻璃墊緊貼擠壓模，形成熔融狀態的潤滑薄膜，隔開金屬與擠壓模具；坯料送入擠壓筒，擠壓筒內徑225mm，擠壓模內徑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，經過擠壓機的三向壓應力作用后，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量

對熱擠壓的GH4169棒料進行目視、超聲波無損檢測和尺寸檢測，結果顯示：擠壓棒料表面平整光潔，無折疊、裂紋、分層、夾渣等缺陷存在，尺寸精度和表面質量都比較理想，優于鍛棒的表面質量，如圖2所示。

圖2 GH4169熱擠壓后表面質量

3.4 GH4169合金棒料組織和硬度

對棒料半徑1/2位置處取金相組織試樣，經磨樣拋光腐蝕后，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，通過晶粒尺寸測量半徑1/2處晶粒度3.0級，整體上極差不大于2.0級，晶粒比較均勻，無混晶?；w組織為奧氏體，析出相主要是Nb和Ti的化合物，棒料整個截面組織差別不大。NbC相的結構呈不規則、淺灰色的橢圓形狀。TiN相則呈規則、淡黃色的棱角形狀。NbC和TiN都是冶煉、澆注時形成的，不易溶解。由于擠壓速度較快，坯料溫降不大，同時伴隨擠壓變形溫升，擠壓后棒料溫度在1050℃以上，且高溫態直接入水快速冷卻，屬于固溶狀態，強化相都在組織中溶解，因此均沒有觀察到γ″相、γ'相、δ相。試樣修磨拋光后，按照標準ASTM E18進行布氏硬度檢測，從外表面到心部位置的硬度為153～160HBW，屬于理想固溶狀態的硬度。

4 結束語

GH4169合金原料經過鍛造開坯，采用電阻爐均勻預熱＋電磁感應加熱提高表面溫度，用玻璃粉作為擠壓潤滑介質，擠壓速度70～130mm/s，經過單道次大應變熱擠壓變形后，成品表面質量好，尺寸精度高，沒有折疊、裂紋、分層等缺陷，內在組織均勻，晶粒度極差不大于2.0級，再結晶充分。表面質量和內在組織優于鍛坯的質量。從進一步細化組織的目的出發，下一步研究的方向是通過低溫預熱＋快速感應加熱，或直接感應加熱，減小加熱期間的晶粒長大，結合大變形量高應變速率熱擠壓成形工藝，優化細晶棒料的生產工藝。