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?GH4738合金鍛件?GH4738合金熱加工工藝性能
更新時間：2022-08-22
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GH4738合金被廣泛應用于制造燃汽輪機的渦輪葉片和渦輪盤等熱端部件。作為渦輪盤件，GH4738合金在我國僅針對地面煙機的大型渦輪盤進行了研制工作,晶粒度要求為ASTM2~3級[1.2]。相對地面大型煙機渦輪盤件，航空渦輪盤件體積更小，但轉速更快，因此需要更加均勻細小的晶粒組織以獲得更高、更穩定的強度和抗疲勞性能,晶粒度需達到ASTM5級或更細。而GH4738合金材料本身的晶粒組織對熱加工參數非常敏感，隆繼鍛造溫度過高時易出現大晶、混晶現象，鍛造溫度過低時又很容易出現開裂[23]。因此需要研究合金在不同加熱溫度下的晶粒長大行為及不同鍛造溫度下的熱塑性，以確定適用于GH4738渦輪盤的熱加工工藝。
1試驗材料及研究方法
本文試驗材料由真空感應熔煉（VIM)加真空自耗重熔(VAR）雙聯工藝熔煉而成，鋼錠直徑為508mm，化學成分如表1所示。經鍛造開坯后得到180mm的棒材，棒材的微觀組織如圖1所示，中心及R/2處晶粒度為ASTM6級，邊緣晶粒較細,達到ASTM8級:棒材原始組織中還包括隨機分布的塊狀一次碳化物MC相，以及鍛造及冷卻過程中析出的晶界二次碳化物M;Ce相和晶內細小的顆粒狀的相。隆繼試驗分別從棒材R/2處及邊緣處取10mm×10mm的塊狀試樣，在980℃、1000c、1020℃.1040℃、1060℃、1080℃.1100℃.1120℃、1140℃、1160℃、1180℃、1200℃保溫1h水淬，統計晶粒尺寸的變化情況并觀察析出相的回溶規律。另外從棒材R/2處沿軸向取試棒,分別在980℃、1000℃、1020℃、1040℃、1060℃、1080℃、1100℃進行拉伸試驗確定合金熱塑性隨溫度的變化規律。綜合晶粒尺寸和熱塑性隨溫度的變化規律，即可確定實際鍛造過程中的鍛造溫度和鍛前加熱工藝。
試驗結果及分析
2.1晶粒長大行為
圖2為初始晶粒度分別為ASTM6級和8級的GH4738合金在980℃~1200℃保溫1h后的晶粒尺寸變化情況。可以看到1020℃以下保溫時，晶粒尺寸長大較慢;隨著溫度繼續升高，晶粒尺寸開始加速增長;超過1140℃后，晶粒尺寸再次開始加速增長。即晶粒長大隨加熱溫度的變化曲線存在兩個拐點。無論加熱前晶粒度為6級還是8級，在同一加熱溫度下都將得到接近的晶粒尺寸。
通常情況下,第二相的存在會起到釘扎晶界從而抑制晶粒長大,所以圖2中的拐點應當與第二相的回溶有關。圖3為不同溫度下的合金的顯微組織變化，除了圖2中晶粒尺寸的變化外，還可以看到隨著溫度的升高，顆粒狀的y'相逐漸變少，并會在1040℃基本全部回溶，從而失去對晶界的釘扎作用，因此形成了圖2中的拐點A。這一溫度與熱力學軟件Thermal-Calc根據表1成分計算得到的y'全溶溫度1036℃基本一致。而圖2中拐點B應當與晶界M2;C相和MC碳化物的回溶及轉變有關，當溫度超過1140℃時，由于同時失去了碳化物和y'相的釘扎作用，晶粒尺寸以更快的速度長大。
2.2熱塑性規律
圖4為不同溫度下GH4738合金瞬時拉伸試驗(晶粒度ASTM6級)的延伸率。可以看到當變形溫度低于1040℃時，合金的熱塑性明顯更低,這與強化相的脫溶析出有關。而隨著變形溫度升高,由于晶粒尺寸的長大,晶界結合力變弱，熱塑性也開始逐漸下降。
根據圖4結果,為避免鍛造過程中鍛件開裂,鍛造溫度要選擇在1040℃以上。實際鍛造生產時,工件的表面都存在不同程度的降溫，所以需要根據降溫的程度選擇合適的鍛造溫度。
1)y相和碳化物的回溶都會加快GH4738合金的晶粒長大速度，從而在1020℃和 1140℃附近形成兩個晶粒尺寸隨溫度變化的拐點。
2) GH4738合金在鍛造溫度低于1040℃時都會出現明顯的熱塑性下降。
3)為得到細晶組織的盤鍛件，并保證鍛造時鍛件不開裂，鍛造溫度應選擇在1040℃~1140℃,并盡量靠近低限。鍛前加熱時在1020℃添加保溫臺階可以避免鍛件小變形區出現大晶或混晶現象。
