GH4169镍基合金热挤压成形的工艺开发

王锦永，张爱亮，刘静，王锟，费志伟，张学涛

新兴铸管股份有限公司 河北邯郸 056000

1 序言

GH4169是沉淀硬化变形高温镍基合金，对应的国外牌号是Inconel 718，在-253～650℃具有较高的强度、良好的抗疲劳和抗腐蚀性能，瞬时使用温度达800℃，在航空航天、核能和石油化工等领域应用广泛[1，2]。GH4169合金主要成分包括Fe、Cr、Ni、Nb、Al、Ti等元素，组织由基体γ相、δ相、碳化铌、氮化钛、γ″相、γ'相和Laves相组成，其中γ″是主要的强化相，γ'相数量少于γ″相，Laves相熔点低，对锻造和热挤压工艺提出了较高要求[3-5]。GH4169合金铸锭中Nb偏析严重，需先进行均质化处理，再锻造开坯，使晶粒细化，由于锻造需要多个火次，且每火次锻造有很多锻打才能完成，导致单次应变小，容易出现混晶、组织粗大的问题。

热挤压成形工艺是在三向压应力下成形，一火次一道次成形，压缩率大，应变速率大，有利于难变形合金的成形，生产的合金组织均匀。张鑫等[6]利用有限元模拟软件研究了挤压工艺参数对GH4169合金棒料温升、应变分布及挤压力的影响。本文采用新兴铸管股份有限公司的63MN挤压机进行GH4169棒料的挤压成形工艺试验，为均匀细晶粒棒料的挤压成形工艺开发提供基础数据。

2 试验材料和工艺路线

2.1 试验材料

GH4169合金铸锭冶炼工艺是真空感应电炉熔炼+电渣重熔。锻造工艺：铸锭入炉前炉温控制在690℃以下，入炉后逐步加热到1120～1140℃，铸态合金的显微组织所含的Nb产生大量偏析，从而形成Laves相和粗大的碳化物，锻造开坯前先进行均匀化处理，以减少偏析。始锻温度≥1050℃，终锻温度≥890℃。终锻温度＜890℃时，应将坯料重新回炉补温，回炉保温时间60min以上，锻造比≥3。锻造开坯后进行固溶处理，然后加工到φ217mm的挤压用圆坯，其化学成分见表1。

表1 GH4169合金的化学成分（质量分数） （%）

2.2 试验工艺路线

锻坯加工成挤压用圆坯后，在63MN卧式挤压机上进行热挤压成形，试验工艺路线如下：真空感应电炉熔炼+电渣重熔→均匀化处理→锻造开坯→加工挤压圆坯→电阻炉预热→电磁感应炉加热→玻璃粉润滑→热挤压→水冷固溶→目视+超声波无损检测+尺寸测量→金相组织检测。

3 试验过程和结果

3.1 棒料热挤压成形模具结构

热挤压成形的模具结构如图1所示。在挤压筒的前端设置有挤压模和玻璃垫，挤压杆前端放有挤压垫。当加热到温的坯料涂上玻璃粉后，装进挤压筒，挤压杆推动挤压垫和坯料向前移动到挤压模的前端。坯料前端接触到紧贴挤压模的玻璃垫后，挤压杆继续向前推动，通过挤压垫对坯料施压，先使坯料镦粗，消除坯料外圆与挤压筒内壁的间隙，然后金属被挤压进入挤压模的圆形孔型而形成实心成品棒料。待挤压杆前进到限位停止处时，挤压过程结束，挤压筒内留下20～50mm没有压完的金属压余。然后锁紧挤压筒的开关打开，挤压筒后撤，同时使金属压余、挤压垫、挤压杆一起后退，将金属压余从成品上用热据切掉，成品从挤压机出口方向输送出去。

图1 热挤压成形模具结构

3.2 GH4169合金棒料热挤压成形工艺参数

由于GH4169合金变形抗力大且存在低熔点的Laves相，热加工温度范围较窄，因此温度过高时容易挤压爆裂，温度过低时容易挤压闷车，这就给热挤压加工带来一定的复杂性，需要考虑加工过程中的温升现象。

坯料加热重点控制措施：坯料温度要达到材料的最佳塑性区间，采用电阻炉均匀预热+电磁感应加热，一方面电阻炉加热析出相尽量溶解扩散，另一方面高温段导热性好，感应加热有利于提高表面温度，弥补原料传送和挤压过程中外表面的温降，提高变形时金属流动的稳定性。

关键热挤压工艺参数：锻坯加工到尺寸为φ217mm×（600～620）mm的挤压用坯料，头部加工R30～R40mm的圆角，表面粗糙度值Ra≤1.6μm；将坯料在电阻炉预热到1100℃，保温2～4h，随后用电磁感应炉快速加到外表面1120～1140℃；然后用玻璃粉涂覆外表面，玻璃垫紧贴挤压模，形成熔融状态的润滑薄膜，隔开金属与挤压模具；坯料送入挤压筒，挤压筒内径225mm，挤压模内径97.5mm，挤压速度70～130mm/s，在挤压筒、挤压模和挤压垫组成的圆形空腔里，经过挤压机的三向压应力作用后，挤压出直径为95mm的圆棒，挤压后快速在水中冷却。

3.3 GH4169合金棒料热挤压后表面质量

对热挤压的GH4169棒料进行目视、超声波无损检测和尺寸检测，结果显示：挤压棒料表面平整光洁，无折叠、裂纹、分层、夹渣等缺陷存在，尺寸精度和表面质量都比较理想，优于锻棒的表面质量，如图2所示。

图2 GH4169热挤压后表面质量

3.4 GH4169合金棒料组织和硬度

对棒料半径1/2位置处取金相组织试样，经磨样抛光腐蚀后，在金相显微镜下观察晶粒和析出相，如图3所示。

图3 GH4169棒料热挤压后显微组织

由图3可看出，通过晶粒尺寸测量半径1/2处晶粒度3.0级，整体上极差不大于2.0级，晶粒比较均匀，无混晶。基体组织为奥氏体，析出相主要是Nb和Ti的化合物，棒料整个截面组织差别不大。NbC相的结构呈不规则、浅灰色的椭圆形状。TiN相则呈规则、淡黄色的棱角形状。NbC和TiN都是冶炼、浇注时形成的，不易溶解。由于挤压速度较快，坯料温降不大，同时伴随挤压变形温升，挤压后棒料温度在1050℃以上，且高温态直接入水快速冷却，属于固溶状态，强化相都在组织中溶解，因此均没有观察到γ″相、γ'相、δ相。试样修磨抛光后，按照标准ASTM E18进行布氏硬度检测，从外表面到心部位置的硬度为153～160HBW，属于理想固溶状态的硬度。

4 结束语

GH4169合金原料经过锻造开坯，采用电阻炉均匀预热＋电磁感应加热提高表面温度，用玻璃粉作为挤压润滑介质，挤压速度70～130mm/s，经过单道次大应变热挤压变形后，成品表面质量好，尺寸精度高，没有折叠、裂纹、分层等缺陷，内在组织均匀，晶粒度极差不大于2.0级，再结晶充分。表面质量和内在组织优于锻坯的质量。从进一步细化组织的目的出发，下一步研究的方向是通过低温预热＋快速感应加热，或直接感应加热，减小加热期间的晶粒长大，结合大变形量高应变速率热挤压成形工艺，优化细晶棒料的生产工艺。