径锻温度对GH4169合金棒材组织与性能的影响_刘丰军

径锻机是从 20 世纪 40 年代开始在欧洲快速 发展和应用的最先进的自由锻设备 。由于该设备 具有生产效率高、 能耗低、 锻制产品尺寸精度高、 成品表面质量好等特点， 而被欧美一些知名的特 种合金生产企业用于生产高合金钢 、 高温合金、 钛 ［1 － 2 ］ 。 合金等 GH4169 合金的组织和性能对热加工工艺特 别敏感， 为了获得最佳的显微组织和优良的力学 性能， 必须对其热加工工艺参数， 尤其是锻造加热 温度和终锻温度进行系统研究。国外许多知名企
图1
Fig． 1
棒材各部位再结晶晶粒平均直径与 径锻加热温度的关系
Relationship between radial forging heating
temperature and completely recrystallized average grain diameter at different sections of a bar
试验用 GH4169 的化学成分
% wN 0． 007 7 w Ag 0． 000 5 w Ta 0． 01 w Fe 余量 wS 0． 002 w Ti 1． 02 w As 0． 004 w Ni 51． 31 w Pb 0． 001 wB 0． 005 w Bi 0． 000 1 wH 0． 000 1 w Mg 0． 004 wO 0． 000 7 w Ca 0． 007
织（ 如图 4（ a） 、 图 5 （ a） ） 。在适当的终锻温度 t2 成 材时， 棒材各部位的 δ 相差异较小且基本呈颗粒状 和短棒状在晶界均匀弥散分布。随着终锻温度的 升高， δ 相逐渐减少， 当终锻温度为 t2 + 29℃ 时， 过 只有少量的 δ 相 高的终锻温度抑制了 δ 相的析出， 5 （ c） ） 。 在晶界边缘析出（ 如图 4（ c） 、
Chemical compositions of experimental GH4169 alloy
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试验结果
加热温度对晶粒度的影响 坯料的加热温度对 GH4169 合金径锻棒材的 再结 晶晶粒尺寸有着显著的影响 。 图1 给出了棒
材各部位再结晶晶粒平均直径与径锻加热温度的 关系曲线。可以看出， 随着径锻加热温度的升高， 棒材各部位的再结晶晶粒尺寸呈明显的粗化趋势， 且这种变化趋势棒材心部较 R /2 及边缘明显。 在不同加热温度下加热的坯料所锻制的棒材 3 分别给出了不同加 各部位的晶粒特征不同， 图 2、 热温度条件下锻制棒材心部、 边缘的典型晶粒组织 在较低的加热温度 t1 － 20℃ 加热 照片。可以看出， 时， 棒材心部虽然获得了细于 11 级的晶粒（ 如图 2 （ a） ） ， 但表面甚至 R /2 处残留了部分原始拉长晶 （ 粒 如图 3（ a） ） ， 且温度越低， 这种残留拉长晶粒越 表面原始拉长晶粒逐渐 多。随着加热温度的升高， 减少， 当温度升至 t1 时， 不仅棒材心部获得了 10 级 晶粒（ 如图 2（ b ） ） ， 而且边缘也获得了完全再结晶 的 11 级晶粒 （ 如图 3 （ b ） ） 。 此时， 如温度继续升 高， 再结晶晶粒将会粗化， 棒材中还可能残留部分 被拉长的大晶粒， 且由中心至边缘， 这种残留原始 3 （ c） ） 。 晶粒越来越多（ 如图 2（ c） 、
工艺参 数 方 面 资 料 却 少 见 报 道。 在 国 内， 文献 ［ 5］ GH4169 首次报道了采用径锻技术锻出了 合 金细晶棒材， 但有关径锻加热温度和终锻温度方 面的研究未做深入探讨。 本文对 GH4169 合金径锻棒材的加热温度和终 表1
Table 1
wC 0． 028 wP 0． 003 w Cr 18． 94 w Si 0． 03 w Mo 3． 03 w Mn 0． 03 w Nb 5． 06 w Cu 0． 02 w Al 0． 47 w Co 0． 02
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径锻温度对 GH4169 合金棒材组织与性能的影响
刘丰军， 陈国胜， 王庆增， 王资兴， 丁 燕 （ 宝山钢铁股份有限公司特钢事业部 ， 上海 200940 ） 摘要： 研究了不同加热温度、 终锻温度对 GH4169 合金 130 mm 径锻棒材组织和性能的 加热温度和终锻温度过低时， 棒材心部虽然获得了细于 ASTM 11 级的晶粒， 影响。结果表明， 但表面甚至 R /2 处会因变形温度低于动态再结晶温度而残留部分原始拉长晶粒 ； 同时 δ 相大 量析出， 不利于合金的综合性能。加热温度和终锻温度过高时， 因原始晶粒在加热过程中过分 长大， 在变形过程中难以全部完成动态再结晶而残留部分原始拉长晶粒 ； 同时 δ 相显著减少， 合金的高温综合性能显著下降。在合适的加热温度和终锻温度下， 棒材心部获得了均匀的 10 级晶粒， 同时边缘获得了完全再结晶的 11 级晶粒， 各部位 δ 相差异较小且基本呈颗粒状和短 棒状在晶界均匀弥散分布， 合金具有良好的低温、 高温综合性能。 关键词： GH4169 合金； 加热温度； 终锻温度； 组织与性能 中图分类号： TG113 文献标志码： B 文章编号： 1008 － 0716 （ 2011 ） 04 － 0027 － 05 doi： 10． 3969 / j． issn． 1008 － 0716． 2011． 04． 007
刘丰军等
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终锻温度对 δ 相的影响
终锻温度对 δ 相析出形态起着决定性的作用。 5 分别给出了不同径锻终锻温度条件下锻制 图 4、 的棒材心部、 边缘的典型 δ 相形貌特征。可以看 当终锻温度为 t2 － 22℃ 时， δ 相不仅在晶界析 出， 出， 在晶内也大量析出， 交叉分布， 形成魏氏体状组
［3 － 4 ］ ， 业在径锻工艺上做了大量的研究工作 用径 但有关 锻技术生产出了 GH4169 合金细晶棒材，
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试验材料和方法
试验 用 料 为 VIM + PESR 双 联 工 艺 冶 炼 的 GH4169 合金， 锭型 430 ， 合金的化学成分列于表 1 。合金锭经均匀化处理后在 2 000 t 快锻上用相 同工艺 开 坯， 锻 至 同 一 规 格 的 八 角 坯， 然后在 1 300 t径锻机上进行相同变形量、 相同循环时间、 相同步进量， 不同加热温度和终锻温度的工艺试 验， 成品棒材的尺寸为 130 。径锻坯料加热温度 t1 － 10 、 t1 、 t1 + 20 、 t1 + 40℃ 五个试 选择了 t1 － 20 、 t2 － 9 、 t2 、 t2 其对应终锻温度分别为 t2 － 22 、 验点， + 16 、 t2 + 29℃ 。 棒材经标准热处理 （ 固溶： 960℃ × 1h 空冷 + 时效： 720℃ × 8 h， 以 55℃ / h 炉冷至 620℃ × 8 h R /2 和边缘的晶粒度和 空冷） 后， 分析棒材中心、 δ 相析出特征， 测试 R /2 处的力学性能。
Effect of radial forging temperature on microstructure and mechanical properties of GH4169 superalloy bar
LIU Fengjun，CHEN Guosheng，WANG Qingzeng，WANG Zixing and DING Yan （ Special Steel Business Unit，Baoshan Iron ＆ Steel Co． ，Ltd． ，Shanghai 200940 ，China） Abstract： The effect of heating temperature and final forging temperature on microstructure and mechanical properties of GH4169 superalloy bar has been investigated in this paper． The results show that when the heating temperature and final forging temperature are too low ，though the grain size in the center is finer than that of ASTM 11 ，incompletely recrystallized grains at surface or even at midradius are retained because the deformation temperature is lower than the dynamic recrystallization temperature． At this time，overmuch δ phase precipitates． This will be adverse to the alloy’ s mechanical properties． When the heating temperature and the radial forging temperature are too high，the original grains will overgrow and part of initial elongated grains will not be fully recrystallized，but stay． At the same time， the δ phase will be reduced and the alloy ’s comprehensive performance will also be reduced in the deformation process． Forged at a proper heating temperature and a final forging temperature，the grain size in the center of the bar is ASTM 10 ，and a completely recrystallized grain structure can reach ASTM 11 near the surface． The precipitation of δ phase in different positions of the bar varied slightly，granular or rodlike δ phase can be uniformly distributed at grain boundaries． At this time，the GH4169 alloy bars provide good mechanical properties at low and high temperatures． Key words： GH4169 alloy； heating temperature； final forging temperature； microstructure and mechanical properties
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径锻温度对力学性能的影响 径锻加热温度和终锻温度对 GH4169 合金的 力学性能有着重大的影响。 从图 6 可以看出， 在
快、 锻造过程中表面温降小等特点， 因而可采用更 低的坯料加热温度， 从而获得锻前原始晶粒细小 的坯料。同时， 径锻机比传统的锻造设备自动化 程度高， 只要变形工艺选择适当， 就可实现锻件的 变形过程保持在相对稳定、 狭窄的变形温度区间 内进行， 更容易获得具有优异组织、 性能的成品锻 件。因而， 在锻制 GH4169 合金 100 ～ 180 细晶 棒材时， 径锻机具有其他传统锻造设备不可比拟 的优势。 加热温度直接影响着径锻坯料的原始晶粒尺 寸， 进而 影 响 成 品 棒 材 的 组 织 与 性 能。 GH4169 合金径锻棒材的加热温度应根据径锻机变形特点 和合金的材料特性而制定， 过高或过低的径锻加 热温度均会使合金的组织性能变坏 。加热温度过 低时（ 如 t1 － 20℃ ） ， 虽然合金坯料的晶粒尺寸没 有过分长大， 成品棒材心部获得了细于 11 级的晶 粒， 但是由于坯料的加热温度过低使棒材的终锻 在棒材中会出 温度低于合金的静态再结晶温度， 现未完成再结晶的原始拉长晶粒 ； 同时， 由于棒材 的终锻温度过低使 δ 相大量析出， 不利于合金的 综合性能。随着加热温度的升高， 晶粒长大、 δ相 减少， 表面原始拉长晶粒逐渐减少。 当加热温度 升高至 t1 ℃ 时， 由于加热温度比较适当， 坯料中还 “钉扎” 在晶界， 对晶粒长大起机械阻 有少量 δ 相 坯料的晶粒长大并不明显。 在此加热条 碍作用， 件下径锻时， 既保证了合金各道次的变形温度 ， 又 ， 可以很好地控制合金的终锻温度 因而获得了心 部晶粒度为 10 级（ 如图 2 （ b ） ） 、 边缘晶粒度为 11 级（ 图 3 （ b） ） 的细晶棒材。 当加热温度升高至 t1 + 40℃ 时， 过高的加热温度使坯料的晶粒尺寸在 加热过程中得到充分长大； 加之径锻生产属于小 变形量积累的变形方式， 在径锻过程中没有足够 的机械能使大晶粒全部完成动态再结晶， 而在棒 材中部残留了被拉长的大晶粒， 且由中心至边缘， 3 （ c） ） 。 这种残留原始晶粒越来越多（ 如图 2 （ c） 、 GH4169 合金的 δ 相形貌和分布主要由终锻
刘丰军 硕士 1980 年生 2007 年毕业于北京科技大学 现从事材料研究 Email 电话 26032910 liufengjun@ baosteel． com
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前言
锻温度进行了试验研究。探讨了径锻加热温度和终 锻温度对该合金晶粒组织、 δ 相形态及力学性能的 影响， 为制定合理的径锻工艺提供了技术依据。