GH625合金鍛造工藝研究

蔡 梅，劉建平，吳香菊，臧德昌，李春生

(中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機(集團)有限責任公司，遼寧 沈陽 110043)

GH625是以鉬、鈮為主要強化元素的固溶強化型鎳基變形高溫合金，具有優(yōu)良的耐腐蝕和抗氧化性能，從低溫到980℃具有良好的拉伸和疲勞性能，以及耐鹽霧氣氛下的應力腐蝕，廣泛用于制造航空發(fā)動機零部件、宇航結(jié)構(gòu)部件。

通過GH625合金的不同加熱工藝、變形工藝、熱處理工藝與組織、性能關系的研究，確定出合理的熱工藝參數(shù)，為該合金的鍛件生產(chǎn)和技術(shù)條件的編制提供理論依據(jù)。

1 試驗

1.1 熱處理工藝試驗

1.1.1 材料

GH625合金熱處理工藝試驗采用Φ25 mm的熱軋棒料，合金冶煉工藝為真空感應+電渣，原始軋棒的晶粒度較細，為NO.7～8級，碳化物為2級，化學成分、金相組織及各種性能指標均符合棒材技術(shù)條件的要求。

1.1.2 試驗方案

GH625合金熱處理工藝試驗選用對原始棒材Φ25 mm均壓扁至15 mm，后經(jīng)不同的固溶溫度、固溶時間、冷卻方式分別研究了固溶溫度、固溶時間、冷卻方式對GH625合金組織和性能的影響規(guī)律。具體的熱處理試驗工藝參數(shù)如表1所示。

表1 熱處理工藝試驗方案

1.1.3 設備

熱處理工藝試驗中壓扁試驗選用1500 t熱模鍛壓力機進行，熱處理選用5 kW高溫電爐進行。

1.1.4 結(jié)果及分析

1.1.4.1 對晶粒組織的影響

圖1～圖5為GH625合金熱處理工藝試驗后的晶粒組織圖片，表2為晶粒組織檢驗結(jié)果。

表2 GH625合金熱處理后晶粒組織的檢驗結(jié)果

圖1 GH625合金950℃固溶處理金相組織

圖2 GH625合金975℃固溶處理金相組織

圖3 GH625合金變形后990℃固溶處理金相組織

圖4 GH625合金變形后1000℃固溶處理金相組織

圖5 GH625合金變形后1030℃固溶處理金相組織

總體上看，大部分試樣再結(jié)晶不完全，呈現(xiàn)未再結(jié)晶的大晶粒和完全再結(jié)晶的小晶粒間雜的混晶組織。因此只能對完全再結(jié)晶的小晶粒區(qū)域進行晶粒度評級，結(jié)果如表2所示。隨固溶溫度升高，均勻變形區(qū)逐漸增多，晶粒略有長大。同水淬相比，空冷的晶粒度要稍大一些。固溶溫度為990℃時，隨保溫時間延長，未再結(jié)晶區(qū)域明顯減少，組織更加均勻，晶粒組織有所長大。當固溶處理溫度達到1030℃時，出現(xiàn)了類似大晶粒吞并小晶粒的現(xiàn)象，因此懷疑原始變形組織存在小變形粗晶區(qū)，該區(qū)在加熱過程中不能發(fā)生再結(jié)晶，但可吞并周圍小晶粒而長大。可能是由于此原因，合金在固溶處理的溫度范圍內(nèi)一直存在混晶組織。

1.1.4.2 對機械性能的影響

表3為不同固溶溫度、冷卻方式下的室溫拉伸性能檢驗結(jié)果。表4為不同固溶溫度、冷卻方式下的高溫拉伸性能檢驗結(jié)果。表5為不同固溶時間下的室溫拉伸性能檢驗結(jié)果，表6為不同固溶時間下的高溫拉伸性能檢驗結(jié)果。

表3 不同固溶溫度、冷卻方式下的室溫拉伸性能指標

表4 不同固溶溫度、冷卻方式下的高溫拉伸性能指標

表5 不同固溶時間下的室溫拉伸性能指標

表6 不同固溶時間下的高溫拉伸性能指標

圖6 固溶溫度對GH625合金室溫拉伸性能的影響

圖7 固溶溫度對GH625合金高溫拉伸性能的影響

圖8 固溶時間對GH625合金室溫及高溫拉伸性能的影響

如圖6所示，固溶溫度從 950℃升到1030℃，室溫強度指標略有下降，塑性指標略有上升，整體變化趨勢不明顯。水冷強度和塑性指標略低于空冷。從圖7所示，隨著溫度的升高，高溫強度指標有些上下波動，塑性指標變化較大，固溶溫度為975℃時，塑性指標最低。從圖8所示，隨著保溫時間的延長，室溫和高溫強度指標略有升高，塑性指標略有下降。

1.1.5 小結(jié)

根據(jù)以上綜合結(jié)果，合理的熱處理溫度范圍為:990℃～1030℃。990℃處理時可適當延長保溫時間(990℃ ×120 min，AC)處理，合金基本上完成了再結(jié)晶。在此溫度范圍內(nèi)處理，可獲得6～8級晶粒組織，綜合力學性能較好。同水淬相比，空冷的晶粒度要稍大一些，同空冷相比，水淬的組織要更加均勻一些。

1.2 熱變形工藝試驗

1.2.1 材料

GH625合金熱變形工藝試驗采用Φ43 mm的熱軋棒料，合金冶煉工藝為真空感應+電渣，原始軋棒的晶粒度為NO.6～7級，碳化物為2級，化學成分、金相組織及各種性能指標均符合棒材技術(shù)條件的要求。

1.2.2 試驗方案

熱變形工藝試驗采用熱模擬壓縮試驗，將Φ43 mm的熱軋棒料切割成Φ10×15 mm的圓柱體，變形條件中加熱溫度采用930℃ ～1180℃之間9 個溫度點，應變速率采用 10 s－1和 80 s－1，變形量采用 10%、20%、40%、70%，升溫速率為5℃/s，保溫時間為5 min，冷卻方式為空冷。具體試驗參數(shù)組合見表7。

表7 GH625合金熱模擬壓縮試驗方案

1.2.3 設備

熱模擬壓縮試驗選用Gleeble 3500試驗機進行。

1.2.4 結(jié)果與分析

圖9～圖17為不同溫度下應變速率對該合金應力應變的影響曲線。圖18～圖19為不同速率下溫度對合金應力應變的影響曲線。

圖9 軋態(tài)GH625合金930℃下的應力應變曲線

圖10 軋態(tài)GH625合金930℃下的應力應變曲線

圖11 軋態(tài)GH625合金1000℃下的應力應變曲線

圖12 軋態(tài)GH625合金1050℃下的應力應變曲線

圖13 軋態(tài)GH625合金1100℃下的應力應變曲線

圖14 軋態(tài)GH625合金1120℃下的應力應變曲線

圖15 軋態(tài)GH625合金1140℃下的應力應變曲線

圖16 軋態(tài)GH625合金1160℃下的應力應變曲線

圖17 軋態(tài)GH625合金1180℃下的應力應變曲線

圖18 軋態(tài)GH625合金在不同溫度下以10 s－1速率變形的應力應變曲線

圖19 軋態(tài)GH625合金在不同溫度下以80 s－1速率變形的應力應變曲線

以上結(jié)果表明，該合金的變形溫度一般應高于1100℃。低于該溫度，合金的變形抗力較高，并且軟化機制不易啟動，容易造成組織不均勻，嚴重時可能造成開裂。從降低變形抗力的角度考慮，溫度越高越好，但溫度過高將導致晶粒過大。對于變形量較大時，可以考慮適當降低變形速率，這樣即有利于降低變形抗力，又有利于達到穩(wěn)態(tài)流動，而穩(wěn)態(tài)流動應更有利于均勻變形并獲得均勻組織。對于變形量較小的情況，高速變形更有利于組織控制，因為此時較小應變即可以進入穩(wěn)態(tài)流動狀態(tài)，即再結(jié)晶可以在較小應變量下發(fā)生。但高速變形容易造成短暫的鋸齒形流變，即不均勻變形，因此變形量一般不應低于10%。

1.2.5 小結(jié)

綜上所述，在沖擊變形的條件下，變形合理溫度位于1100℃ ～1140℃范圍內(nèi)，變形量為20% ～50%，臨界變形為10%左右。

2 結(jié)論

GH625合金合理熱工藝參數(shù)為:變形溫度1100℃ ～1140℃，變形量20% ～50%，臨界變形為10%左右。合理的熱處理溫度范圍為:990℃ ～1030℃，保溫時間為60 min，990℃處理時可適當延長保溫時間，在此溫度范圍內(nèi)處理，可獲得6～8級晶粒組織。與空冷相比，水淬組織更加均勻，晶粒更細小些。

［1］《中國航空材料手冊》編輯委員會.中國航空材料手冊第2冊［M］.北京:中國標準出版社，2002.

［2］中國機械工程學會塑性工程學會.鍛壓手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2008.

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［4］吾志崗，李德富，郭勝利，等.變形條件對GH625，合金高溫變形動態(tài)再結(jié)晶的影響［J］.稀有金屬，2010，34(6):833－838.

［5］閆士彩.Inconel625合金高溫高速變形行為及其管材高速熱擠壓工藝優(yōu)化［D］.大連:大連理工大學，2010.

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［7］蔡玉林，鄭運榮.高溫合金的金相研究［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1986.

［8］Q/S10－0311－2004，GH625合金熱軋和鍛制棒材［S］.