GH625鎳基高溫合金熱擠壓缺陷原因探討與分析

王錦永，鄭磊，陳輝，張增旭，龔自春，衛(wèi)進暉，張艷軍，溫繼軍，冀順賓

邯鄲新興特種管材有限公司 河北邯鄲 056046

1 序言

GH625是鎳基變形高溫合金，國外牌號為 UNS N06625 和 Inconel 625，具有優(yōu)良的耐蝕性、抗氧化性，以及良好的力學(xué)性能，其管材主要應(yīng)用于燃氣渦輪發(fā)動機、核動力設(shè)備和宇航發(fā)動機等領(lǐng)域，用于制造航空航天、核能、石油化工等領(lǐng)域關(guān)鍵零件[1-3]。GH625高溫合金在熱加工過程中變形抗力大、熱加工變形溫度區(qū)間窄，當擠壓溫度過高時，容易產(chǎn)生晶粒粗大或表面裂紋缺陷；當擠壓溫度過低時，易出現(xiàn)因擠壓力過大而悶車現(xiàn)象，擠壓出的荒管容易在壁厚方向上出現(xiàn)分層缺陷[4，5]。通過查閱GH625管材大量生產(chǎn)記錄，發(fā)現(xiàn)大部分批次質(zhì)量正常，但也存在某些帶料加工批次出現(xiàn)裂紋和分層缺陷，如圖1所示。本文對GH625管材擠壓成形模具結(jié)構(gòu)、擠壓工藝參數(shù)和材質(zhì)顯微組織進行分析，提出了改進建議，且進行生產(chǎn)驗證，為提高難變形合金擠壓合格率提供了參考數(shù)據(jù)。

圖1 GH625鎳基高溫合金擠壓荒管缺陷

2 研究材料和工藝路線

2.1 研究材料

GH625高溫合金冶煉工藝采用真空感應(yīng)熔煉＋電渣重熔。鍛造工藝是將電渣錠裝入加熱爐后逐步加熱到1170～1180℃。始鍛溫度≥1050℃，終鍛溫度≥900℃。當鍛造溫度＜900℃時，坯料應(yīng)回爐保溫時間2h以上，鍛造比≥3，鍛造開坯后進行水冷處理，化學(xué)成分見表1。

表1 GH625鎳基高溫合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

2.2 生產(chǎn)工藝路線

鍛坯機加工成空心圓管坯后，在63MN臥式擠壓機組上進行熱擴孔熱擠壓成形，然后管材入水冷卻。生產(chǎn)工藝路線流程：真空感應(yīng)熔煉→電渣重熔→坯料鍛造→機加工→電阻爐預(yù)熱→首次感應(yīng)加熱→首次潤滑→熱擴孔→再次感應(yīng)加熱→再次潤滑→熱擠壓→擠后水冷→目視＋超聲波檢測→組織、尺寸檢測。

2.3 檢測方法

顯微鏡型號是德國蔡司Axio ImagerA2m，掃描電鏡型號是德國蔡司EVO 18。微觀組織采用高錳酸鉀配制溶液腐蝕，夾雜物檢測按ASTM E45—2018《鋼中非金屬夾雜物的評定方法》規(guī)定執(zhí)行，晶粒度檢測按GB/T 6394—2002《金屬平均晶粒度測定方法》規(guī)定執(zhí)行。管子表面質(zhì)量和內(nèi)在質(zhì)量按ASTM E213—2014《金屬管材超聲波檢測的標準操作方法》和ISO 10124：1994《壓力用途的無縫鋼管層狀缺陷檢測用超聲檢驗》進行無損檢測。

3 試驗過程和結(jié)果

3.1 GH625管材擠壓成形模具結(jié)構(gòu)

熱擠壓變形使坯料處于三向壓縮應(yīng)力狀態(tài)而更有利于提高材料的塑性變形能力，并可抑制加工裂紋產(chǎn)生，適合于低塑性合金的開坯和熱加工變形。

圖2所示為管材熱擠壓成形的模具結(jié)構(gòu)。在模座內(nèi)放置擠壓模，在擠壓模前面是玻璃墊，起到潤滑作用，在擠壓模后面是模支撐，起到支撐固定擠壓模的作用。擠壓墊在坯料和擠壓桿之間，起到傳遞擠壓力、保護擠壓桿的作用。當高溫坯料內(nèi)外表面涂上玻璃粉潤滑劑后，裝進擠壓筒內(nèi)，擠壓桿通過擠壓墊推動坯料向擠出方向前進，同時芯棒穿入坯料內(nèi)孔。坯料前端接觸到緊貼擠壓模的玻璃墊后，擠壓桿繼續(xù)施壓，先使坯料發(fā)生鐓粗變形，消除坯料與擠壓筒內(nèi)壁的間隙以及坯料與芯棒之間的間隙，然后坯料前端金屬被擠進擠壓模與芯棒組成的環(huán)形孔腔而變成管材，直至擠壓過程結(jié)束，最后擠壓筒內(nèi)留下長度約25mm的坯料壓余。擠壓筒后撤，同時將坯料壓余、擠壓墊、擠壓桿一起后退，將坯料壓余從成品上用熱據(jù)切掉，成品從擠壓機出口方向輸送出去。

圖2 管材熱擠壓成形模具結(jié)構(gòu)示意

3.2 GH625合金管材熱擠壓成形工藝參數(shù)

由于G H625合金元素含量多，且含有大量易偏析元素Mo、Nb，組織以奧氏體γ為基體，還有Ti（C，N）、NbC、Laves相、δ、γ"等析出相，不僅塑性差，而且熱加工溫度范圍窄。當溫度過高時易發(fā)生擠壓爆裂，溫度過低時則易發(fā)生擠壓悶車現(xiàn)象，這就給熱擠壓帶來一定的難度，因此需要考慮設(shè)備能力和加工過程中的溫升現(xiàn)象。

加熱的最佳狀態(tài)是坯料溫度實現(xiàn)最佳塑性區(qū)間，內(nèi)在析出相溶解，晶粒不粗化。采用電阻爐預(yù)熱＋感應(yīng)加熱的方法，一方面低溫段通過電阻爐加熱實現(xiàn)溫度均勻，提高熱傳導(dǎo)能力，降低溫度應(yīng)力，另一方面高溫段感應(yīng)加熱有利于快速提高溫度，補償坯料與模具接觸導(dǎo)致的溫降，避免高溫段時間過長的晶粒粗化，提高變形時金屬流動的穩(wěn)定性。潤滑介質(zhì)對擠壓管質(zhì)量也有重要作用，合適的潤滑劑通過隔離模具和坯料，一方面降低了摩擦力，提高表面質(zhì)量，另一方面減緩了坯料與模具接觸位置的散熱，有利于實現(xiàn)整個過程的高溫擠壓。

GH625合金管材規(guī)格為φ167mm×19mm，主要擠壓工藝參數(shù)為：坯料尺寸φ242mm/φ65mm，表面粗糙度≤1.6μm，頭部加工R30mm的圓角，將坯料在電阻爐內(nèi)預(yù)熱到950℃，保溫3～4h，隨后用感應(yīng)加熱爐升到1140～1180℃，擴孔筒內(nèi)徑250mm，擴孔頭直徑139.5mm，擴孔比約1.32，擴孔筒溫度＞150℃，擴孔速度150～200mm/s，二次感應(yīng)加熱爐加熱到1160～1200℃，擠壓筒內(nèi)徑255mm，擠壓模內(nèi)徑170mm，芯棒直徑129.5mm，擠壓筒預(yù)熱溫度＞300℃，芯棒預(yù)熱溫度＞250℃，擠壓速度150～250mm/s，擠壓比約4.5。在擠壓筒、擠壓模、芯棒和擠壓墊組成的環(huán)形空腔里擠出管子，擠壓管水中快冷，擴孔和擠壓前均用玻璃粉潤滑，冷態(tài)規(guī)格φ167mm×19mm。對擠壓管進行目視、超聲波檢測，個別管子存在裂紋和分層缺陷。從擠壓過程來看，感應(yīng)加熱控制不合理，導(dǎo)致坯料內(nèi)孔溫度高于外表面溫度，對于GH625合金擠壓是不利的，因為擠壓過程的特點是內(nèi)層區(qū)域的金屬先流動，而溫度高則更加有利于內(nèi)層金屬的流動，從而增加壁厚方向金屬流動的速度差，拉應(yīng)力增加容易出現(xiàn)分層。

3.3 GH625擠壓管的非金屬夾雜物檢測

由于夾雜物塑性差，因此如果其含量過多，則會割裂材料基體金屬的連續(xù)性，擠壓過程中與基體金屬變形不一致，還會降低塑性變形能力，容易產(chǎn)生開裂。從存在擠壓缺陷的管子上取樣、制樣、修磨和拋光后，按照ASTM E45：2018進行觀察檢測，在顯微鏡下觀察整個試樣拋光表面（見圖3），按標準統(tǒng)計出最嚴重的級別數(shù)。從圖3可看出，試樣表面干凈，沒有明顯嚴重的夾雜物，說明材料的冶煉過程正常，純凈度控制的較好，純凈度控制不是導(dǎo)致開裂的原因。

圖3 GH625擠壓管的非金屬夾雜物

3.4 GH625擠壓管缺陷處的組織檢測

對GH625合金擠壓管表面開裂和分層處分別取金相組織試樣，經(jīng)磨樣拋光腐蝕后，在金相顯微鏡下觀察缺陷形態(tài)和組織情況，如圖4、圖5所示。

圖4 光學(xué)顯微鏡下GH625合金管材表面開裂和分層區(qū)域的形貌

圖5 掃描電鏡下GH625管材表面開裂和分層區(qū)域的形貌

由圖4、圖5可看出，裂紋和分層缺陷都比較嚴重，晶粒被從中間撕裂，缺陷區(qū)域晶粒再結(jié)晶充分，拉長壓扁的晶粒演變?yōu)橐?guī)則的等軸晶，晶粒尺寸均勻細小，平均晶粒度5～6級，未出現(xiàn)異常粗大的情況，排除坯料加熱溫度過高導(dǎo)致的缺陷。

基體組織是奧氏體，缺陷區(qū)域存在明顯析出相（見圖6），在晶界和晶內(nèi)都有分布，推測是成分偏析形成局部聚集析出，導(dǎo)致微區(qū)塑性差，擠壓變形時與周圍金屬不一致，從而產(chǎn)生缺陷。

圖6 掃描電鏡下GH625缺陷區(qū)域析出相的形貌

脆性析出相經(jīng)過擠壓變形后，形成了帶狀分布，成為擠壓缺陷的起源點。為進一步分析析出相成分組成，進行能譜檢測，GH625管材缺陷區(qū)域析出相的化學(xué)成分見表2。由圖6、表2可看出，析出相中含有較多的C、Nb、Ti、Mo，NbC呈現(xiàn)為不規(guī)則淺灰色的橢圓形狀，Ti（C，N）相則呈現(xiàn)規(guī)則的淡黃色的棱角形狀，缺陷形成與基體中存在的大量集中分布的帶狀析出Ti（C，N）、NbC、Laves相和δ相有關(guān)。成分偏析造成析出相在基體中集中分布，坯料鍛造過程中沿軸向分布，形成偏析帶，而該類析出相脆性大，相當于基體金屬間存在了小空隙[6-8]。在擠壓過程中，接觸芯棒處內(nèi)層區(qū)域金屬流動較快，接觸擠壓筒的外層區(qū)域金屬流動較慢，壁厚方向因金屬流動速度不一致而形成拉應(yīng)力，同時與擠壓模具接觸的表面溫度降低較快，導(dǎo)致局部金屬塑性降低。在析出相脆性大、接觸面散熱快和金屬流動不同步的共同作用下，缺陷在析出相聚集區(qū)或者坯料與模具接觸區(qū)首先形核，隨著擠壓過程的進行而擴展成裂紋或分層。

表2 GH625管材缺陷區(qū)域析出相的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

3.5 提高GH625擠壓管質(zhì)量的工藝建議

1）提高坯料冶煉和鍛造質(zhì)量，控制夾雜物，減少成分偏析，增加鍛造比，細化晶粒，提高金屬變形能力。

2）優(yōu)化坯料加熱制度，結(jié)合擠壓工藝金屬流動特點，控制內(nèi)層金屬區(qū)域溫度稍低些，且內(nèi)外溫差為20℃，減少金屬流動不一致。

3）改進擠壓模入口結(jié)構(gòu)，由平模改為錐模，減小擠壓力，降低金屬流動阻力，提高內(nèi)外表面金屬流動的同步性。

4）控制合適的擠壓變形比，降低擠壓速度，提高潤滑質(zhì)量，提高金屬流動的均勻性、穩(wěn)定性。

經(jīng)過新的工藝建議摸索試驗，擠壓管材合格率明顯提高。

4 結(jié)束語

1）GH625擠壓管缺陷產(chǎn)生的原因是：成分偏析導(dǎo)致鍛造坯料形成帶狀析出Ti（C，N）、NbC、Laves相和δ等脆性相，析出相的聚集存在降低了材質(zhì)的塑性變形能力；擠壓變形過程中坯料內(nèi)層區(qū)域流動較快，外層區(qū)域流動較慢，因流速差別大而形成拉應(yīng)力，在析出相聚集區(qū)域容易形成分層缺陷。坯料與擠壓模具接觸區(qū)溫度降低較快，導(dǎo)致局部塑性降低，疊加析出相的存在，因此在坯料與擠壓模具接觸區(qū)域形成裂紋源，隨著擠壓過程的進行而擴展成裂紋。

2）提高GH625擠壓管質(zhì)量改進措施：增加坯料鍛造變形量，細化晶粒，減少偏析，提高坯料塑性變形能力；優(yōu)化加熱制度，避免內(nèi)孔溫度過高，提高縱向溫度均勻性；改進擠壓模結(jié)構(gòu)，提高金屬流動的一致性。采用改進工藝措施試驗摸索，管材擠壓合格率提高明顯。