GH4720Li合金VIM+PESR+VAR三联工艺及冶金质量

王庆增,石 磊,唐 超

(1.宝武特种冶金有限公司,上海200940;2.钢铁研究总院高温材料研究所,北京100081)

GH4720Li合金是Ni-Cr-Co基沉淀硬化型变形高温合金,使用温度在750℃以下。GH4720Li合金具有较高的高温强度、抗疲劳和抗蠕变性能,以及长期的组织稳定性[1],该合金是变形高温合金中综合力学性能水平最高的实用化合金之一,适合制作航空发动机涡轮盘和涡轮叶片。

GH4720Li的合金化程度非常高,尤其是析出强化元素Al、Ti含量之和高达7.5%,γ′强化相的体积分数超过40%。由于合金铸锭热塑性差,变形时极易产生裂纹,因而它也是最典型的难变形高温合金。国际上通常采用真空感应熔炼(VIM)+保护气氛电渣重熔(PESR)+真空自耗重熔(VAR)三联工艺冶炼生产该合金。

航空发动机用高温合金通常选择VIM+ESR或VIM+VAR工艺冶炼。采用VIM+PESR工艺冶炼时,选择具有良好的脱S效果的渣系[2-3],可以提高合金的纯净度。若采用VIM+VAR工艺冶炼,则可以降低合金的气体含量;避免渣皮对散热的不利影响,加之He气辅助冷却,可形成较浅的熔池[4-5],冶金质量也比较好,但是双真空工艺的脱S效果不好。

由此可见,采用VIM+PESR+VAR三联工艺冶炼GH4720Li合金,可综合利用PESR和VAR重熔的优点。宝武特冶公司采用VIM+PESR+VAR三联工艺冶炼的GH4720Li合金铸锭,低倍组织无宏观偏析;采用均匀化扩散退火的方法降低并控制合金的微观偏析,以提高铸锭的热塑性,从而改善合金的热加工性能。本文简要介绍采用VIM+PESR+VAR三联工艺冶炼GH4720Li合金的实物质量和冶金效果,以及试验锻制φ150 mm棒材的组织与性能。

1 试验材料及方法

GH4720Li合金的VIM冶炼在宝武特种冶金有限公司的6.0 t炉进行,PESR在5.0 t氩气保护电渣炉进行,VAR重熔在具有熔滴控制、He气辅助冷却和计算机自动控制功能的8.0 t炉完成,锭型为φ508 mm。

在自耗锭头部切取300 mm试验料,分析研究铸态组织特征,并试验摸索均匀化处理工艺。

VIM+PESR+VAR三联工艺GH4720Li合金锭在2 000 t快锻机上进行锻造工艺试验,锻制成φ150 mm棒材;并在棒材本体上取样进行相关组织和力学性能的检验和测试。

棒材固溶处理工艺:(1 110±5) ℃保温4 h,油冷。

棒材时效处理工艺:(650±5) ℃×24 h空冷,(760±5) ℃×16 h空冷。

2 试验结果及分析

2.1 三联工艺冶炼效果

表1为三联冶炼工艺GH4720Li合金的主要化学成分。

表1 GH4720Li合金化学成分Table 1 Chemical compositions of GH4720Li alloy %

2.2 铸态组织分析

在自耗锭头部切取25 mm×508 mm×300 mm试验料,加工制备纵低倍组织试片。VIM+PESR+VAR三联冶炼的GH4720Li合金φ508 mm锭头部纵低倍组织如图1所示。由图1可以看出,铸锭头部低倍组织致密、无宏观偏析,为典型的柱状晶组织。

铸锭的微观成分偏析和枝晶间共晶析出相对铸锭锻造开坯的热塑性及棒材乃至锻件的组织均匀性都有不利影响,应采取适当的均匀化扩散退火工艺处理的方法予以改善和消除。在铸锭低倍试片的1/2R处切取试样,进行高倍组织分析。图2给出了GH4720Li合金铸锭均匀化扩散退火处理前后的典型高倍组织形貌。

2.3 锻棒低倍组织

铸锭经均匀化处理后,在2 000 t快锻机进行锻造开坯并锻制成φ150 mm锻棒。锻棒低倍组织照片见图3。棒材的横向低倍组织比较均匀。

在棒材中心、1/2R和边缘处分别切取纵向高倍试样,观察GH4720Li合金在固溶态和固溶+时效态的高倍组织特征。

2.4 高倍组织检验

GH4720Li合金经标准热处理后的组织主要有γ基体、γ′相、MC、M23C6碳化物和M3B2硼化物等[1]。VIM+PESR+VAR三联工艺冶炼的GH4720Li合金φ150 mm棒材中心、1/2R、近边缘处固溶态的显微组织如图4所示。

VIM+PESR+VAR三联工艺GH4720Li合金φ150 mm棒材中心、1/2R、近边缘处固溶+时效态的显微组织如图5所示。金相观察面为纵向。

综合图4和图5可以看出,棒材显微组织基本为完成再结晶的细晶晶粒组织。

2.5 拉伸性能

VIM+PESR+VAR三联工艺GH4720Li合金棒材固溶+时效态的室温拉伸性能和650 ℃拉伸性能如表2所示,抗拉强度σb、屈服强度σ0.2、延伸率δ5和断面收缩率Ψ均能满足标准要求。

表2 GH4720Li合金锻棒的拉伸性能Table 2 Tensile properties of GH4720Li forging bar

2.6 持久性能

VIM+PESR+VAR三联工艺GH4720Li合金棒材固溶+时效态的680 ℃、830 MPa和730 ℃、530 MPa持久性能检测数据见表3。检测结果表明,持久断裂时间和延伸率均满足标准要求。

表3 GH4720Li合金锻棒高温持久性能Table 3 High temperature endurance properties of GH4720Li forging bar

3 结论

(1) 采用VIM+PESR+VAR三联工艺冶炼GH4720Li合金锭,工艺稳定,可有效降低S含量,有利于铸锭热塑性的提高。

(2) 试制棒材的横向低倍组织比较均匀,高倍组织基本为完成再结晶的晶粒组织。

(3) VIM+PESR+VAR三联工艺GH4720Li合金棒材力学性能满足试制标准要求。