[发明专利]一种改善GH4698盘锻件组织及高温光滑疲劳性能的方法

说明书

本发明涉及一种改善GH4698盘锻件组织及高温光滑疲劳性能的方法。通常情况下，GH4698盘锻件的生产需经过镦饼制坯、模锻、二次固溶及时效热处理数道工序，其中制坯与模锻工序又包含锻造加热和变形工序。所有加热工序的制定应遵循GH4698材料在加热时的组织变化特点，所有变形工序的制定也应充分了解名义变形量与各区域真实变形量之间的内在关联。本发明着重从GH4698加热参数设置、变形工步分配等方面入手，可有效细化、均匀化GH4698盘锻件组织，最终提高其高温光滑疲劳性能。

技术领域：

本发明属于高温合金的热加工技术领域，涉及一种改善GH4698盘锻件组织及高温光滑疲劳性能的方法。

背景技术：

GH4698是以铝、钛、钼、铌等元素强化的镍基高温合金，是在GH4033合金基础上补充合金化发展而成的，在500～800℃范围内具有高的持久性能和良好的综合性能。该合金广泛用于制造航空发动机的涡轮盘、压气机盘、导流片、承力环等重要承力零件。工作温度可达750～800℃。

航空发动机用GH4698产品所有加热工序的制定应遵循GH4698材料在加热时的组织变化特点；同时所有变形工序的制定也应充分了解名义变形量与各区域真实变形量之间的内在关联。否则会导致GH4698盘锻件出现诸如组织不均、晶粒粗大、动态再结晶晶粒减少、切变孪晶晶粒增多等现象。

加热台阶温度的设定应根据GH4698材料在加热时的组织变化特点：原始棒材组织为单相γ基体+少量初生碳化物及硼化物；棒材在980～1010℃之间加热保温一定时间，主要析出大尺寸的γ＇强化相(主要弥散于奥氏体基体内部和晶界)，1000℃为析出锋；随加热时间增加，析出数量增加，晶粒及晶界强化效果加强，晶粒长大的限制同时加强，晶粒生长速率减慢；棒材在1020℃以上温度长时间加热，各种强化相均溶解，为单相γ组织；此时晶粒生长限制减弱，生长速率加快。因此，设定的加热台阶应为“800℃预热保温、再升至990～1000℃预热保温、最后升至高温区1100～1120℃保温”。大量锻造工艺主要考虑的是高温区加热温度的设定及终锻温度的范围，而并未重点考虑高温区加热之前相邻预热台阶的合理温度范围。譬如直接将预热温度设定为1050～1070℃左右，因为在工艺制定者看来，预热温度下晶粒不会长大，且缩短高温区与相邻预热台阶之间的温度差距有利于金属首先在预热温度下热透以减少高温区保温时间，从而降低晶粒在高温区长大的幅度。但事实并非如此，因为GH4698材料在1020℃以上加热条件下，几乎是单相奥氏体组织，已溶解的弥散强化项γ＇起不到限制的作用，奥氏体晶粒便会迅速开始回复再结晶，逐渐合并长大。按此温度台阶设定，每火次坯料首先在1050～1070℃温度下预热3～4小时，然后在高温区1110～1120℃保温2～3小时，相当于奥氏体组织每火次已发生5～7小时的回复再结晶。如果再不能保证有合适的变形量，锻件组织及疲劳性能将很难达到要求。

合理分配镦饼、模锻工步每火次变形量，保证每火次25％～35％变形即可(不宜过大)，火次自定，加热时在达到预定高温区保温时间后出炉采用硅酸铝保温棉软包套。特别强调的是，每火次变形量的设定不能仅考虑整体大变形，也应该考虑小变形区、不易变形区的变形状态。如镦饼整体变形量设置过大(设定为50％变形量一火完成)，即使已采取了包套保温措施，也很难避免在长时间的变形过程中局部温将严重的情况，其最大变形区域自然会超过50％的变形量，但小变形区或变形死区也一定会存在。这样首先加剧了组织的不均匀性，其次是导致了大量未发生动态再结晶的原始大晶粒及因动态再结晶动力不足、直接通过切变形成的孪晶组织的混乱分布。

合理设定首次固溶加热温度：预热台阶参考锻造加热中温度设定，高温区温度应尽量选择下限温度(通常1100～1120℃范围)。首次固溶保温时间为固定8小时，该条件下，晶粒会进一步发生回复再结晶，一般尺寸会增加1～1.5倍，如果锻造时没有对坯料进行很好的改善，基础较差，那么经过固溶之后(虽然会有一定的均匀化作用)组织会继续变差，特别是超大晶粒(超过2.0mm)的存在会导致超生波探伤及高温光滑疲劳等性能严重恶化。