一种GH4099高温合金环形件及其锻造方法

技术领域

本发明涉及高温合金环形件锻造领域，具体而言，涉及一种GH4099高温合金环形件及其锻造方法。

背景技术

GH4099合金长期使用温度可达900℃，且有较好的冷热成形性和焊接性，其环形件广泛应用于航天发动机热端核心结构件，承受复杂的热力耦合工况，GH4099环形件的质量和可靠性对航天发动机的性能水平有重要作用。

GH4099(俄牌号ЭИ693)是Ni-Cr基沉淀硬化型变形高温合金，长期使用温度达900℃，短时最高使用温度可达1000℃。合金具有较高的热强性、组织稳定，并具有满意的冷热加工成形和焊接工艺性能。主要产品形式为环形件、轧棒和板材，适合于制造航空航天发动机燃烧室和加力燃烧室等高温焊接结构件。

GH4099合金的相组成比较复杂，基体为具有面心立方结构的γ相，另外还有γ'相、Ti(CN)型一次氮化物、M

GH4099合金具有高合金化和难成形等特点。合金中的显微组织较为复杂，在锻造热变形过程中组织演也是动态再结晶等热变形机制作用的结果，变形温度和应变速率等变形条件对于热成形过程中的动态再结晶现象有着至关重要的影响。工艺参数不合理极易造成环形件的最终组织不均匀，力学性能有差异，使得最终的零件质量不稳定，服役的可靠性下降。因此，必须提高GH4099合金环形件组织均匀性，GH4099合金的组织均匀性对于其性能均匀性、机加工过程稳定性和使用过程的可靠性有重要作用。对于GH4099合金来说，除了通过优化原材料棒材的组织均匀性，控制轧制工艺、热处理工艺也是至关重要的，从而使得GH4099合金环形件的组织内外均匀，平均晶粒度控制4.5级或更细，能保证较好的力学性能均匀性，确保环形件质量稳定。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的一个方面，涉及GH4099高温合金环形件的锻造方法，包括以下步骤：

将棒坯进行第一保温，得到升到锻造温度的棒坯；所述棒坯进行镦饼冲孔、第一空冷和镗孔，得到环坯；所述环坯进行第二保温、初轧第一火、第二空冷、第三保温、终轧第二火和胀形；

所述第一保温包括：所述棒坯≤600℃入炉，55～65min内升温至750～850℃保温(0.7～0.9)×Hmin；85～95min升温至1080℃～1100℃保温0.7～0.9×Hmin；

所述第二保温包括：所述环坯≤600℃入炉，55～65min升温至750～850℃保温(0.7～0.9)×Hmin；85～95min升温至1080℃～1100℃保温0.7～0.9×Hmin；

所述第三保温包括：进行所述第二空冷后的环坯≤600℃入炉，55～65min升温至750～850℃保温(0.7～0.9)×Hmin；85～95min升温至1080℃～1100℃保温0.7～0.9×Hmin；

所述H为环形件有效截面最小厚度。

所述GH4099高温合金环形件的锻造方法，成本低，方法简单，能够稳定批量生产，锻造得到的环形件变形量均匀，晶粒度的均匀性好，不易开裂，力学性能优异，塑性强，成品尺寸精准。

本发明的另一个方面，还涉及所述的GH4099高温合金环形件的锻造方法锻造得到的GH4099高温合金环形件。

所述GH4099高温合金环形件，变形量均匀，晶粒度的均匀性好，不易开裂，力学性能优异，塑性强，成品尺寸精准。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明提供的GH4099高温合金环形件的锻造方法，将初轧第一火的时间缩短至60s以内，保证了终锻温度，降低了开裂风险；提高了产品质量、生产效率和过程可控性，适宜批量稳定生产；在终轧后增加了胀形工序，精确控制环件成品尺寸，能有效节省原材料；通过降低轧制温度，防止晶粒过分长大形成粗晶；将轧制每火次变形量在30％左右，既能保证充分发生再结晶，细化晶粒组织，又能防止变形过大开裂。从而有效的提升了环形件的组织性能均匀性和质量稳定性。

(2)本发明提供的GH4099高温合金环形件，变形量均匀，晶粒度的均匀性好，不易开裂，力学性能优异，塑性强，成品尺寸精准。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为对比例1GH4099环形件的晶粒度观察结果图；

图2为实施例1GH4099环形件的晶粒度观察结果图；

图3为对比例1GH4099环形件的晶间碳化物观察结果图；

图4为实施例1GH4099环形件的晶间碳化物观察结果图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

本发明的一个方面涉及一种GH4099高温合金环形件的锻造方法，包括以下步骤：

将棒坯进行第一保温，得到升到锻造温度的棒坯；所述棒坯进行镦饼冲孔、第一空冷和镗孔，得到环坯；所述环坯进行第二保温、初轧第一火、第二空冷、第三保温、终轧第二火和胀形；

所述第一保温包括：所述棒坯≤600℃(例如600℃、550℃、500℃、450℃、400℃、300℃、200℃或100℃)入炉，55～65min(例如55min、57min、59min、61min、63min或65min)内升温至750～850℃(例如750℃、770℃、790℃、810℃、830℃或850℃)保温(0.7～0.9)×Hmin；85～95min(例如85min、87min、89min、91min、93min或95min)升温至1080℃～1100℃(例如1080℃、1083℃、1085℃、1088℃、1090℃、1093℃、1095℃、1098℃或1100℃)保温0.7～0.9×Hmin；

所述第二保温包括：所述环坯≤600℃(例如600℃、550℃、500℃、450℃、400℃、300℃、200℃或100℃)入炉，55～65min(例如55min、57min、59min、61min、63min或65min)升温至750～850℃(例如750℃、770℃、790℃、810℃、830℃或850℃)保温(0.7～0.9)×Hmin；85～95min(例如85min、87min、89min、91min、93min或95min)升温至1080℃～1100℃(例如1080℃、1083℃、1085℃、1088℃、1090℃、1093℃、1095℃、1098℃或1100℃)保温0.7～0.9×Hmin；

所述第三保温包括：进行所述第二空冷后的环坯≤600℃(例如600℃、550℃、500℃、450℃、400℃、300℃、200℃或100℃)入炉，55～65min(例如55min、57min、59min、61min、63min或65min)升温至750～850℃(例如750℃、770℃、790℃、810℃、830℃或850℃)保温(0.7～0.9)×Hmin；85～95min(例如85min、87min、89min、91min、93min或95min)升温至1080℃～1100℃(例如1080℃、1083℃、1085℃、1088℃、1090℃、1093℃、1095℃、1098℃或1100℃)保温0.7～0.9×Hmin；

所述H为环形件有效截面最小厚度。

所述的GH4099高温合金环形件的锻造方法，通过整体对GH4099高温合金环形件的锻造工艺的温度、时间、以及工艺衔接的细节控制，当轧制温度超过1100℃时，晶粒会快速长大，导致最终环件粗晶甚至混晶。采用低温大变形方法，通过降低轧制温度到1100℃以下，防止晶粒过分长大形成粗晶，对保证最终环件晶粒度及力学性能有重要作用。对成品尺寸的控制，在终轧后增加了胀形工序，保证锻件胀形前温度大于800℃，以精确控制环件成品尺寸，能有效节省原材料。

优选地，所述初轧第一火的变形时间≤60s(例如60s、55s、50s或45s)。

优选地，所述终轧第二火的变形时间≤120s(例如120s、110s、100s、90s或80s)。

优选地，所述初轧第一火的变形量为25％～35％(例如25％、27％、29％、31％、33％或35％)。

优选地，所述终轧第二火的变形量为25％～35％(例如25％、27％、29％、31％、33％或35％)。

优选地，所述棒坯镦饼冲孔的变形量为35％～45％(例如35％、37％、39％、41％、43％或45％)。镦饼冲孔的变形量充足以保证再结晶更加充分。

由于是低温锻造，GH4099材料高温变性抗力较大，将轧制每火次变形量在30％左右，既能保证充分发生再结晶，细化晶粒组织，又能防止变形过大开裂。从而有效的提升了环形件的组织性能均匀性和质量稳定性。

优选地，所述棒坯镦饼冲孔的时间≤180s(例如180s、170s、160s、150s、140s或130s)。控制镦饼冲孔时间以保证坯料的终锻温度不过低。

优选地，所述环坯进行所述胀形时的温度＞800℃(例如810℃、830℃、850℃、880℃或900℃)。

将镦饼冲孔后的环坯空冷后镗孔，坯料表面若有裂纹需要机加或打磨去除，并检查表面裂纹是否全部去除。

初轧第一火结束后环坯空冷，检查坯料表面若有裂纹需要机加或打磨去除，并确认表面裂纹是否全部去除。

优选地，所述棒坯装炉前，对冲头、冲孔桶、垫片、拍板和上下圆砧进行预热。

优选地，所述预热的温度≥250℃(例如250℃、280℃、300℃、330℃或350℃)。预热至一定温度，能够有效保证棒坯的锻造温度。

本发明的另一方面，还涉及所述的GH4099高温合金环形件的锻造方法锻造得到的GH4099高温合金环形件。

所述的GH4099高温合金环形件，变形量均匀，晶粒度的均匀性好，不易开裂，力学性能优异，塑性强，成品尺寸精准。

下面将结合具体的实施例和对比例对本发明的实施方案进行详细描述。

实施例1

环形件的轮廓尺寸为：

此环形锻件成形的具体工艺步骤如下：

1、冲头、冲孔桶、垫片、拍板预热至250℃以上；将制坯上下圆砧需预热至250℃以上，台面上下垫保温棉；

2、将棒坯≤600℃装炉进行第一保温，60min升温至800℃，保温时长80min，然后程序升温90min至1080℃～1100℃保温时长90min，得到升到锻造温度的棒坯；

3、将棒坯镦饼冲孔得到环坯尺寸大约为：

4、将冲孔后的棒坯镦饼冷却后镗孔，得到环坯；环坯再进行第二保温，将环坯≤600℃装炉，60min升温至800℃，保温时长80min，然后程序升温90min至1080℃～1100℃保温时长90min；

5、使用立式碾环机对第保温二后的环坯进行初轧第一火；初轧第一火尺寸为

6、进行第三保温，将空冷后的环坯≤600℃装炉，60min升温至800℃，保温时长80min，然后程序升温90min至1080℃～1100℃保温时长90min；

7、使用立式碾环机对第三保温后的环坯进行终轧第二火；终轧第二火尺寸为

8、保证锻件胀形前温度大于800℃；精确控制环形件最终尺寸：

9、环形件的理化检测表明组织及性能等各项指标均达到标准要求。

实施例2

环形件的轮廓尺寸为：

此环形锻件成形的具体工艺步骤如下：

1、同实施例1；

2、将棒坯≤600℃装炉进行第一保温，55min升温至750℃，保温时长70min，然后程序升温95min至1080℃～1100℃保温时长70min，得到升到锻造温度的棒坯；

3、将棒坯镦饼冲孔得到环坯尺寸大约为：

4、将冲孔后的棒坯镦饼冷却后镗孔，得到环坯；环坯再进行第二保温，将环坯≤600℃装炉，55min升温至850℃，保温时长70min，然后程序升温95min至1080℃～1100℃保温时长70min；

5、使用立式碾环机对第保温二后的环坯进行初轧第一火；初轧第一火尺寸为

6、进行第三保温，将空冷后的环坯≤600℃装炉，65min升温至850℃，保温时长90min，然后程序升温95min至1080℃～1100℃保温时长70min；

7、使用立式碾环机对第三保温后的环坯进行终轧第二火；终轧第二火尺寸为

8、同实施例1；

9、同实施例1。

实施例3

环形件的轮廓尺寸为：

此环形锻件成形的具体工艺步骤如下：

1、同实施例1；

2、将棒坯≤600℃装炉进行第一保温，65min升温至850℃，保温时长90min，然后程序升温85min至1080℃～1100℃保温时长80min，得到升到锻造温度的棒坯；

3、将棒坯镦饼冲孔得到环坯尺寸大约为：

4、将冲孔后的棒坯镦饼冷却后镗孔，得到环坯；环坯再进行第二保温，将环坯≤600℃装炉，65min升温至750℃，保温时长90min，然后程序升温85min至1080℃～1100℃保温时长80min；

5、使用立式碾环机对第保温二后的环坯进行初轧第一火；初轧第一火尺寸为

6、进行第三保温，将空冷后的环坯≤600℃装炉，55min升温至750℃，保温时长70min，然后程序升温85min至1080℃～1100℃保温时长80min；

7、使用立式碾环机对第三保温后的环坯进行终轧第二火；终轧第二火尺寸为

8、同实施例1；

9、同实施例1。

对比例1

环形件的轮廓尺寸为：

此环形锻件成形的具体工艺步骤如下：

1、同实施例1；

2、将棒坯≤600℃装炉进行第一保温，60min升温至800℃，保温时长80min，然后程序升温90min至1110℃～1140℃保温时长90min，得到升到锻造温度的棒坯镦饼；

3、同实施例1；

4、将冲孔后的棒坯镦饼冷却后镗孔，得到环坯；环坯再进行第二保温，将环坯≤600℃装炉，60min升温至800℃，保温时长80min，然后程序升温90min至1110℃～1140℃保温时长90min；

5、使用快锻机+马架对第保温二后的环坯进行初轧扩孔第一火；初轧第一火尺寸为

6、进行第三保温，将空冷后的环坯≤600℃装炉，60min升温至800℃，保温时长80min，然后程序升温90min至1110℃～1120℃保温时长90min；

7、对第三保温后的环坯进行终轧第二火；终轧第二火的尺寸为

实验例

(1)晶粒组织

对实施例1和对比例1的GH4099环形件晶粒度进行比较，结果见图1和图2。经过比较可知，本发明的方法提高了环形件组织的均匀性，对比例1的晶粒度为1～3级粗晶，实施例1的不同部位晶粒度均匀，为平均晶粒度为5～7级，均匀性较好。

(2)晶间碳化物

结果见图3和图4，由图可知，对比例1的碳化物多分布在晶界区域，而实施例1碳化物均匀分布在晶内和晶界上，更能提高材料强塑性。对比例1和实施例1均未发现晶间膜状碳化物此类有害物。说明本发明的GH4099高温合金环形件的锻造方法，使环形件碳化物的分布更加均匀。

(3)环形件力学性能

结果见表1、表2、表3和表4，对比例1的环形件由于晶粒粗大，虽然满足指标，但是强度塑性裕度不大。室温拉伸强度塑性均偏低，相较指标裕度不大；高温拉伸塑性一般。硬度和高温持久力学性能满足标准要求。实施例1的环形件室温拉伸、硬度、高温拉伸、高温持久力学性能均满足标准要求，且裕度较大，分别各取两个样品结果较为均匀，性能稳定。实施例2、实施例3的环形件室温拉伸、硬度、高温拉伸、高温持久力学性能均满足标准要求。说明本发明提供的GH4099高温合金环形件的锻造方法，得到的环形件的力学性能稳定且优异。

表1对比例1的环形件的力学性能

备注：当持久寿命超过24h后，每12h加力500N，直至拉断。

表2实施例1的环形件的力学性能

备注：当持久寿命超过24h后，每12h加力500N，直至拉断。

表3实施例2的环形件的力学性能

备注：当持久寿命超过24h后，每12h加力500N，直至拉断。

表4实施例3的环形件的力学性能

备注：当持久寿命超过24h后，每12h加力500N，直至拉断。

本发明的环形件扩孔采用立式碾环机扩孔，替代现有技术的快锻机+马架扩孔，一方面将扩孔时间从90s以上减少到60s以内，保证了终锻温度，降低了开裂风险；另一方面也使环件变形量更加均匀；采用自动化的设备扩孔也增加了变形量的精确控制和扩孔过程的可控性，同时提高了产品质量、生产效率和过程可控性，适宜批量稳定生产。

对成品尺寸的控制，在终轧后增加了胀形工序，保证锻件胀形前温度大于800℃，以精确控制环件成品尺寸，能有效节省原材料。

通过整体对GH4099高温合金环形件的锻造工艺的温度、时间、以及工艺衔接的细节控制，当轧制温度超过1100℃时，晶粒会快速长大，导致最终环件粗晶甚至混晶。采用低温大变形方法，通过降低轧制温度到1100℃以下，防止晶粒过分长大形成粗晶。由于是低温锻造，GH4099材料高温抗力较大，将轧制每火次变形量在30％左右，既能保证充分发生再结晶，细化晶粒组织，又能防止变形过大开裂。从而有效的提升了环形件的组织性能均匀性和质量稳定性。

尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；本领域的普通技术人员应当理解：在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围；因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些替换和修改。