高温合金在自由锻造中的应用探讨

高温合金在自由锻造中的应用探讨

作者：高生

来源：《中国科技博览》2015年第13期

[摘 要]本文针对高温合金的锻造过程进行了描述，并指出高温合金的前期热处理（加热）、锻造过程及后期热处理中存在的问题及解决的办法。 [关键词]高温合金；热处理；自由锻造；工艺规范

中图分类号：TG316 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）13-0022-02

一、高温合金又称耐热合金或超合金，它是现代航空发动机、火箭发动机、燃气轮机和化工设备必不可少的重要金属材料。可在600～1100℃的氧化和腐蚀条件下，承受复杂应力，并且能够长期可靠的工作。

我国的高温合金系列，有变形高温合金近50个牌号，其表示方法主要根据我国标准GB/T14992-2005的规定：以汉字拼音字母“GH”作前缀，后接四位阿拉伯数字，例如：GH1131、GH2132等 GH X XXX

第二、三、四位数字表示合金编号 第一位数字表示合金分类号（如下所述） “GH”表示高温合金

GH后第一位数字表示高温合金的分类，具体如下： “1”—表示固溶强化型铁基合金 “2”—表示时效硬化型铁基合金 “3”—表示固溶强化型镍基合金 “4”—表示时效硬化型镍基合金 “5”--（空） “6”—表示钴基合金

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数字后加“A”表示优质

目前，在变形高温合金中，应用最广泛的是铁基高温合金和镍基高温合金。

铁基高温合金较多的应用于涡轮盘、压气机盘、承力环、燃烧室和叶片。其成分特点以铁为主。含有大量的镍、铬和其他元素。按其强化特点又可分为：①弱时效硬化型；②固溶强化型；③碳化物时效硬化型；④金属间化合物时效硬化型。

镍基合金较多的用于制造涡轮叶片、燃烧室、涡轮盘、压气机盘和压气机叶片，其成分特点是以镍为主，还含有Gr为10～20%，形成镍铬基奥氏体基体。此外，部分合金还有Co为10～20%形成镍铬钴奥氏体基体，根据其强化类型，可分为①固溶强化型；②时效强化型。 目前国内高温合金自由锻造中存在着成材率低，锻造报废品高的情况，主要还是在加热过程中的温度控制不准确及锻造过程中的选用设备及锻造力量的把握不当造成的。下面就高温合金的加热、锻造、后续热处理过程进行阐述。 二、高温合金坯料的加热

1、坯料的准备：钢锭应采用：粗料+精炼+真空感应+电渣重熔+（或）真空自耗的冶炼方式获得的钢锭。在加热前，毛坯需要经过清理，去除污垢，避免因受腐蚀而形成表面缺陷。毛坯的表面如有缺陷应去除。

2、加热设备的选择：高温合金坯料的加热最好选用电阻炉，其次为火焰炉，当使用煤气炉时，煤气中的含硫量应低于0.78/m3。因为当燃料中的硫含量过多，当其渗入毛坯表面后，会形成Ni-Ni3S3低熔点共晶（熔点～650℃），使毛坯产生热脆。不管使用什么加热炉，都应配以测温仪表和自动调温装置，以便精确控制。目前，由于环保的要求，我国多个单位都选择清洁的天然气作为加热炉的燃料，然后就是电阻炉。现在对加热炉的控制，一般选择燃烧过程稳态数学模型组成的微机控制系统，保证最佳的燃烧。但由于炉子的动态响应比较迟缓，且位于燃烧嘴的温度要高于其他部位，高温合金的加热过程控制还是难点。高温合金的加热，温度控制在≤±7℃范围为宜。在加热过程中，加热工艺不正确或控制不准确，致使锻件大量报废，造成不必要的损失。

3、坯料的加热：（1）高温合金的加热必须分预热和加热两部分进行。因为高温合金低温的导热率较碳钢低得多，所以，一般在400～900℃范围需要缓慢加热，否则会引起很大的温度应力，使加热的金属处于脆硬状态，预热保温时间以0.6～0.8min/mm计算。（2）高温合金加热规范：①预热；一般在≤600℃，预热保温时间以0.6～0.8min/mm计算；②加热：加热温度一般为1050～1180℃，加热保温时间（到始锻温度后开始计算）以0.4～0.8min/mm计算。常用高温合金锻造温度和加热规范见附表。

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三、高温合金锻造要点与趋势 （一）要点

1、选择高温合金的锻造设备要比相近尺寸和重量的其他钢种的锻造设备的吨位要大得多。因为高温合金成分复杂，再结晶的温度高、速度慢，在变形温度下仍具有较高的变形抗力和硬化倾向，变形抗力一般为普通结构钢的4～7倍。在选择锻造设备（锻锤）的时候也要根据材料的大小及变形量做合适的选择。

2、必须严格控制始锻温度和终锻温度。因为高温合金与其他钢材相比，熔点低、加热温度过高容易引起过热、过烧。若停锻温度过低，则塑性低、变形抗力大，且易产生冷热混合变形导致锻件不均匀粗晶或开裂。

3、因为高温合金锻造温度范围窄，一般才200℃左右（始锻温度1020～1120℃、终锻温度≥950℃）。二镍基高温合金的锻造温度范围更窄，多数在100～150℃，有的甚至小到100℃。所以，锻造高温合金时，凡是与高温合金接触的所有部位均要预热到较高的温度（>400℃），例如：上下锤头、胎模、漏盘、冲头、芯轴、钳子、钳口等等均需要预热，以防止合金接触部位冷却过快。

4、总的来说，高温合金的工艺塑性较差，用铸锭拔长时开始要轻击，然后方可增大每次的变形量。

5、对于塑性低的高温合金，必须在上下都是半圆形砧（半径与锭料的半径相近）中拔长，后用V型上下砧（顶角为95°左右）进行锻造。此时的合金的几个方位都受到压应力而不易开裂。

6、在塑性尚可的情况下，为了锻透性好，变形均匀，可用宽砧大进给拔长，拔长过程按方—矩形—方—圆的变形方案锻造。

判断高温合金塑性的高低：①、用强化元素铝、钛的总含量来判断塑性的高低，当铝、钛总含量>6%时，塑性将很低；②、镍基高温合金的工艺塑性比铁基高温合金的塑性低。 7、锻造高温合金台阶轴时，压肩要特别小心，为防止压裂，工具（斩刀）应预热，斩刀要有较大的圆角，且压下量要小。

8、选择合适的变形程度。确保组织均匀并获得细晶粒，以获得良好的机械性能。因为高温合金多无同素异晶转变，因此锻件的晶粒大小以及均匀度与锻造时的变形状况关系很大。为使晶粒细、组织均匀，每次的变形程度必须高于临界变形程度（高温合金的临界变形程度为0.5～20%）。高温合金晶粒度大小与锻造温度，变形程度的关系如图1所示。

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9、高温合金镦粗的最后一次变形程度取>20～25%，镦粗前的加热应略低于合金晶粒急剧增长的温度（对于大多数高温合金为1100～1130℃）。例如：GH901、在1100℃锻造，要获得4～5级晶粒度，最后一次的变形程度需30～45%.但高温合金工艺塑性较差，组织复杂，易产生偏析，又要保证足够大的变形程度，是一对难解决的矛盾，这是高温合金锻造必须解决的问题。

10、为了得到满意的组织和性能，在终锻变形时，应取较低的加热温度，较大的变形程度，利用沉淀相来控制组织，改善晶粒度大小和晶界状态。但不能过低（终锻温度），否则不仅抗力大，而且塑性低。

11、锻压加工时产生较大的强化，如变形不均匀易导致粗细晶粒混合组织。 （二）趋势

高温合金的锻造今后会向着恒温锻造（等温）的方向发展。恒温锻造能更好的保持材料的理化性能。也能很好的提高成材率。 四、高温合金锻件锻后冷却和热处理

1、锻后冷却：由于高温合金工艺塑性较差，锻件锻后应以缓冷为好。

2、高温合金锻件的热处理：变形高温合金锻件作以下热处理：①固溶处理：目的是要获得均匀的过饱和固溶体，控制适宜的晶粒度。②中间处理（又称第二次固溶处理）：目的是改变碳化物的状态和得到两种大小不同的γ′相。③时效处理：目的是使强化相充分而均匀的析出，实现沉淀硬化效果。 具体热处理规范见表1。

五、以某公司GH4169牌号φ363x627圆棒产品的锻造为例，具体说明高温合金的自由锻造工艺

1、下料：550Kg，下料后清理钢锭表面。 2、锻造工艺

2.1加热工艺曲线如图2所示。

在锻造过程中要逐步升温，加热温度不允许超过1120℃。 2.2开锻温度：≥1050℃；终锻温度：≥900℃；锻后空冷。

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3、锻造的配比：三镦三拔（根据现场实际情况调整）。 4、注意要点

4.1钢锭进炉温度必须不大于700℃，假如炉子是从高温降至700℃，为保证炉温不会偏高，应将炉门敞开半小时才能点火。

4.2要缓慢加热，不能烧急火，保证保温时间，预防钢锭温度跑高。为了保证钢温加热的均匀性，在加热过程中应对钢锭进行翻身。测温要求：≤900℃ 2.0h测1次。 ≥900℃至设定温度 1h测1次（防止温度跑高） 4.3第一次轻锻后，重锤锻打，如遇坯料过长要镦粗。 4.4要多火锻造成型，回炉保温时间需超过1小时 4.5在锻造过程中要及时清理氧化皮。 5、车磨加工 6、UT、VT、DT

7、标示内容：油漆标示冶炼炉号。 8、入库。 六、结束语

高温合金不论是铁基、镍基或钴基，由于其具有较好的综合性能，在锻造过程中有比较苛刻的要求，首先是温度的控制比一般钢材要严格的多，第二是对锻锤的要求也要大得多。第三是对人员的熟练程度和判断力也有更高的要求。高温合金在航空航天及高精尖技术领域的应用越来越广泛，对材料本身也提出更高的要求。我国在这方面还处于比较低的阶段，目前的自由锻造方向是向恒温（等温）锻造方向发展，而恒温锻造的工件多为小型材料，但是，大型锻件的自由锻造，及热处理过程还是有很多的难题有待解决。 参考文献

[1]仲增墉，庄景云.变形高温合金生产工艺中几个重要问题的研究与进展；钢铁研究学报，2003第Z1期.

[2]GB/T14992-2005 高温合金和金属间化合物高温材料的分类和牌号.

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[3]吴斌，单云.高温合金涡轮盘锻造工艺 锻压技术2007第5期.

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