细晶高强度GH4720Li合金小规格棒材的制备方法与流程

细晶高强度gh4720li合金小规格棒材的制备方法
技术领域
1.本发明属于合金材料加工技术领域，具体涉及细晶高强度gh4720li合金小规格棒材的制备方法。


背景技术：

2.高温合金作为重要的战略资源，拥有耐高温、耐磨、耐腐蚀、抗氧化等优良性能，广泛地应用在航空、航天、石油、舰船、化工和电力等领域。高温合金按照合金的主要元素可以分为铁基高温合金、镍基高温合金以及钴基高温合金；按产品系列又可以分为变形高温合金、铸造高温合金、铸造高温合金和新型高温合金。随着航空航天产业在先进发动机、燃气轮机、核电设备等领域工艺上的突破，市场对高端和新型高温合金的需求正在逐年增加。
3.gh4720li合金属于fe-ni-cr基沉淀硬化型变形高温合金，长期使用温度范围为500℃～750℃，最高使用温度为800℃。在该合金中加入铬、钨元素进行固溶强化，加入铝、钛元素形成时效强化相，加入硼、铈元素净化和强化晶界，且合金具有较高的强度以及良好的热加工塑性。gh4720li合金中al和ti元素含量之和约为7.5％，其强化相γ
′
相的含量高达40％以上，导致合金存在较大热变形抗力，且热加工塑性较低，进而使其成为一种难变形高温合金。基于此，根据gh4720li合金特点，设计了合理的热加工工艺，制备出一种细晶高强度的gh4720li合金小规格热轧棒材。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供细晶高强度gh4720li合金小规格棒材的制备方法，该棒材的晶粒度在10-12级之间，室温抗拉强度大于1620mpa。
5.本发明所采用的技术方案是，细晶高强度gh4720li合金小规格棒材的制备方法，具体按照以下步骤实施：
6.步骤1，制备gh4720li合金坯料；
7.步骤2，对gh4720li合金坯料进行预处理；
8.步骤3，对gh4720li合金坯料进行热轧开坯，获得gh4720li合金棒材；
9.步骤4，利用热轧后的余热将gh4720li合金棒材进行热矫直，获得gh4720li合金小规格棒材。
10.本发明的特点还在于，
11.步骤1中，具体为：采用真空感应、电渣重熔以及真空自耗熔炼工艺制备规格为φ508mm的gh4720li合金铸锭，使用带锯切掉铸锭头尾成分风险区域，在快锻机上进行锻造开坯，制备规格为φ150mm的坯料，使用带锯对锻造中间坯料进行下料，随后在挤压机上制备规格为φ55mm的挤压中间坯，即为gh4720li合金坯料。
12.gh4720li合金铸锭按质量百分比，其化学成分为：c：0.01～0.02％、si：0～0.50％、mn：0～0.50％、p：0～0.015％、s：0～0.008％、ag：0～0.0005％、al：2.25～2.75％、b：0.01～0.02％、bi：0～0.00005％、co：14.0～15.5％、cr：15.5～16.5％、cu：0～0.10％、
fe：0～0.50％、mo：2.75～3.25％、pb：0～0.0010％、ti：4.75～5.25％、w：1.00～1.50％、zr：0.025～0.050％、o：0～0.0020％、n：0～0.0032％，余量为ni，以上成分质量百分比之和为100％。
13.步骤2中，具体为：
14.切掉gh4720li合金坯料的烂头，采用砂带抛光的方法处理gh4720li合金坯料表面氧化皮，使用角磨机点修磨表面缺陷，局部缺陷允许修磨，要求修磨坑处圆滑过渡，修磨坑的宽深比不小于5：1，将修磨后的gh4720li合金坯料进行切割，获得长度为450mm-650mm、直径φ50-54mm的gh4720li合金坯料；使用砂轮机对gh4720li合金坯料进行打磨，使得打磨后的咬入角成为符合轧制咬入条件的楔形，楔形的长轴长为39-42mm，短轴长为30-33mm。
15.步骤3中，热轧温度为1080℃～1130℃，保温时间为60min～180min，采用1火次轧制，变形量在80％～95％之间；且最后一道次的轧制时需进行5s～15s的道次停留。
16.步骤4中，矫直次数为2-3遍，矫直径缩小于等于0.1mm，矫直后棒材弯曲度小于等于2mm/m。
17.步骤4中，gh4720li合金小规格棒材的直径为15mm～20mm。
18.本发明的有益效果是：本发明方法制备得到的gh4720li合金小规格棒材，其直径在15mm～20mm之间，晶粒度在10-13级之间，室温抗拉强度大于1620mpa，650℃抗拉强度大于1450mpa，是一种表面质量优良的gh4720li合金小规格棒材，能用于制作航空发动机用高性能高温合金叶片。
附图说明
19.图1是本发明实施例1制备的棒材的形貌图；
20.图2是本发明实施例2制备的棒材的形貌图；
21.图3是本发明实施例3制备的棒材的形貌图；
22.图4是经预处理后的gh4720li合金坯料的咬入角的形状图。
具体实施方式
23.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
24.本发明细晶高强度gh4720li合金小规格棒材的制备方法，具体按照以下步骤实施：
25.步骤1，制备gh4720li合金坯料；
26.采用真空感应、电渣重熔以及真空自耗熔炼工艺制备规格为φ508mm的gh4720li合金铸锭，使用带锯切掉铸锭头尾成分风险区域，在快锻机上进行锻造开坯，制备规格为φ150mm。使用带锯对锻造中间坯料进行下料，随后在挤压机上制备规格为φ55mm的挤压中间坯，即为gh4720li合金坯料；
27.gh4720li合金铸锭按质量百分比，其化学成分为：c：0.01～0.02％、si：0～0.50％、mn：0～0.50％、p：0～0.015％、s：0～0.008％、ag：0～0.0005％、al：2.25～2.75％、b：0.01～0.02％、bi：0～0.00005％、co：14.0～15.5％、cr：15.5～16.5％、cu：0～0.10％、fe：0～0.50％、mo：2.75～3.25％、pb：0～0.0010％、ti：4.75～5.25％、w：1.00～1.50％、zr：0.025～0.050％、o：0～0.0020％、n：0～0.0032％，余量为ni，以上成分质量百分比之和
为100％；
28.步骤2，对gh4720li合金坯料进行预处理；
29.用砂轮锯或带锯切掉gh4720li合金坯料的烂头，要求锯切后端面无裂纹，采用砂带抛光的方法处理gh4720li合金坯料表面氧化皮，使用角磨机点修磨表面缺陷，局部缺陷允许修磨，要求修磨坑处圆滑过渡，修磨坑的宽深比不小于5：1。用砂轮锯或带锯将修磨后的gh4720li合金坯料进行切割，获得长度为450mm-650mm的gh4720li合金坯料；gh4720li合金坯料的规格为φ52
±
2mm；使用砂轮机对上述gh4720li合金坯料进行打磨，使得打磨后的咬入角成为符合轧制咬入条件的楔形，端头近似为椭圆，楔形的长轴长为39-42mm，短轴长为30-33mm，如图4所示。
30.步骤3，采用横列式轧机对gh4720li合金坯料进行热轧开坯，获得直径为15mm～20mm的gh4720li合金棒材。
31.热轧温度为1080℃～1130℃，保温时间为60min～180min，采用1火次轧制，变形量在80％～95％之间；
32.为保证轧制过程的稳定咬入，轧制前四道次必须采用经打磨咬入角的一端喂料，随着轧棒直径逐渐接近咬入角的尺寸，通过单方向咬入来提高稳定性的意义已经失去，同时在轧机前换方向操作变得不容易，后续道次可往复喂料轧制。为获得均匀的轧棒组织，轧制时需监控最后一道次的轧棒表面温度，若温度高于1050℃，需进行5s～15s的道次停留。
33.步骤4，利用热轧后的余热将gh4720li合金棒材进行2-3遍热矫直，获得直径为15mm～20mm的gh4720li合金小规格棒材；
34.矫直径缩小于等于0.1mm，矫直后棒材弯曲度小于等于2mm/m；实施例1
35.本发明细晶高强度gh4720li合金小规格棒材的制备方法，具体按照以下步骤实施：
36.步骤1，制备gh4720li合金坯料；
37.采用真空感应+电渣重熔+真空自耗熔炼工艺制备规格为φ508mm的铸锭，使用带锯切掉铸锭头尾成分风险区域，在快锻机上进行锻造开坯，制备规格为φ150mm。使用带锯对锻造中间坯料进行下料，随后在挤压机上制备规格为φ55mm的挤压中间坯。
38.gh4720li合金铸锭按质量百分比，其化学成分为：c：0.010％、si：＜0.05％、mn：＜0.005％、p：＜0.004％、s：＜0.0005％、ag：＜0.0005％、al：2.51％、b：0.013％、bi：＜0.00001％、co：14.84％、cr：16.66％、cu：＜0.01％、fe：0.18％、mo：3.08％、pb：＜0.0005％、ti：4.95％、w：1.27％、zr：0.039％、o：0.0001％、n：0.0012％，余量为ni，以上成分质量百分比之和为100％；
39.步骤2，坯料预处理
40.用砂轮锯或带锯切掉gh4720li合金坯料的烂头，要求锯切后端面无裂纹，采用砂带抛光的方法处理gh4720li合金坯料表面氧化皮，使用角磨机点修磨表面缺陷，局部缺陷允许修磨，要求修磨坑处圆滑过渡，修磨坑的宽深比不小于5：1。用砂轮锯或带锯将修磨后的gh4720li合金坯料进行切割，获得长度为450mm的gh4720li合金坯料；gh4720li合金坯料的砂带抛光后规格为φ54mm；使用砂轮机对上述gh4720li合金坯料进行打磨，咬入角需打磨成符合轧制咬入条件的楔形块，端头近似为椭圆。
41.步骤3，采用横列式轧机对坯料进行热轧开坯，采用箱式炉电阻加热炉对坯料进行
加热，保温温度为1130℃，保温时间为120min，采用1火次轧制，共轧制10道次，前四道次采用经打磨咬入角的一端喂料，总变形量为92％，根据料温在最后一道次进行5s的道次停留，热轧后棒材的直径为15mm。
42.步骤4，利用轧制余温进行热矫直，矫直2遍，径缩小于等于0.1mm，矫直后弯曲度等于2mm/m，矫直后棒材直径为15mm。
43.对热轧后的棒材在头尾位置处取样，所取试样经过1107℃/1h，油冷+760℃/8h，空冷+650℃/24h，空冷制度热处理后，评价晶粒度和拉伸性能。
44.如图1所示，对棒材r/2处晶粒度进行观察，组织均匀，晶粒细小，满足astm13级要求。
45.将棒材试样制备成标准拉伸试样，随后在电子万能拉伸试验机上测试室温和高温拉伸强度，测试结果如表1所示，其中室温拉伸强度超过1600mpa，650℃拉伸强度超过1450mpa，可以满足某型航空发动机压气机叶片用棒材的强度要求。
46.表1实施例1制备的gh4720li棒材的拉伸性能和晶粒度
[0047][0048][0049]
实施例2
[0050]
本发明细晶高强度gh4720li合金小规格棒材的制备方法，具体按照以下步骤实施：
[0051]
步骤1，制备gh4720li合金坯料；
[0052]
采用真空感应+电渣重熔+真空自耗熔炼工艺制备规格为φ508mm的铸锭，使用带锯切掉铸锭头尾成分风险区域，在快锻机上进行锻造开坯，制备规格为φ150mm。使用带锯对锻造中间坯料进行下料，随后在挤压机上制备规格为φ55mm的挤压中间坯。
[0053]
gh4720li合金铸锭按质量百分比，其化学成分为：c：0.012％、si：＜0.05％、mn：0.003％、p：＜0.004％、s：＜0.0005％、ag：＜0.0005％、al：2.51％、b：0.016％、bi：＜0.000005％、co：14.66％、cr：16.73％、cu：＜0.01％、fe：0.050％、mo：3.04％、pb：＜0.0001％、ti：4.97％、w：1.25％、zr：0.040％、o：＜0.002％、n：0.0016％，余量为ni，以上成分质量百分比之和为100％；
[0054]
步骤2，坯料预处理
[0055]
用砂轮锯或带锯切掉gh4720li合金坯料的烂头，要求锯切后端面无裂纹，采用砂带抛光的方法处理gh4720li合金坯料表面氧化皮，使用角磨机点修磨表面缺陷，局部缺陷允许修磨，要求修磨坑处圆滑过渡，修磨坑的宽深比不小于5：1。用砂轮锯或带锯将修磨后的gh4720li合金坯料进行切割，获得长度为550mm的gh4720li合金坯料；gh4720li合金坯料的规格为φ50mm；使用砂轮机对上述gh4720li合金坯料进行打磨，咬入角需打磨成符合轧
制咬入条件的楔形状，端头近似为椭圆。
[0056]
步骤3，采用横列式轧机对坯料进行热轧开坯，采用箱式炉电阻加热炉对坯料进行加热，保温温度为1080℃，保温时间为90min，采用1火次轧制，共轧制8道次，前四道次必须采用经打磨咬入角的一端喂料，总变形量为84％，根据料温在最后一道次进行10s的道次停留，热轧后棒材的直径为20mm。
[0057]
步骤4，利用轧制余温进行热矫直，矫直2遍，径缩小于等于0.1mm，矫直后弯曲度小于等于2mm/m，矫直后棒材直径为20mm。
[0058]
对热轧后的棒材在相当于铸锭头尾位置处取样，所取试样经过1107℃/1h，油冷+760℃/8h，空冷+650℃/24h，空冷制度热处理后，评价晶粒度和拉伸性能。
[0059]
如图2所示，对棒材r/2处晶粒度进行观察，组织均匀，晶粒细小，满足astm 10.5级要求。
[0060]
将棒材试样加成标准拉伸试样，随后在电子万能拉伸试验机上测试室温和高温拉伸强度，测试结果如表2所示，其中室温拉伸强度超过1600mpa，650℃拉伸强度超过1450mpa，可以满足某型航空发动机压气机叶片用棒材的强度要求。
[0061]
表2实施例2所制备的gh4720li棒材的拉伸性能和晶粒度
[0062][0063][0064]
实施例3
[0065]
本发明细晶高强度gh4720li合金小规格棒材的制备方法，具体按照以下步骤实施：
[0066]
步骤1，制备gh4720li合金坯料；
[0067]
采用真空感应+电渣重熔+真空自耗熔炼工艺制备规格为φ508mm的铸锭，使用带锯切掉铸锭头尾成分风险区域，在快锻机上进行锻造开坯，制备规格为φ150mm。使用带锯对锻造中间坯料进行下料，随后在挤压机上制备规格为φ55mm的挤压中间坯。
[0068]
gh4720li合金铸锭按质量百分比，其化学成分为：c：0.012％、si：＜0.05％、mn：＜0.005％、p：＜0.004％、s：＜0.0005％、ag：＜0.00005％、al：2.47％、b：0.016％、bi：＜0.000005％、co：14.71％、cr：16.84％、cu：＜0.01％、fe：＜0.050％、mo：3.03％、pb：＜0.0001％、ti：5.01％、w：1.26％、zr：0.045％、o：0.0010％、n：0.0011％，余量为ni，以上成分质量百分比之和为100％；
[0069]
步骤2，坯料预处理
[0070]
用砂轮锯或带锯切掉gh4720li合金坯料的烂头，要求锯切后端面无裂纹，采用砂带抛光的方法处理gh4720li合金坯料表面氧化皮，使用角磨机点修磨表面缺陷，局部缺陷允许修磨，要求修磨坑处圆滑过渡，修磨坑的宽深比不小于5：1。用砂轮锯或带锯将修磨后
的gh4720li合金坯料进行切割，获得长度为650mm的gh4720li合金坯料；gh4720li合金坯料的规格为φ52mm；使用砂轮机对上述gh4720li合金坯料进行打磨，咬入角需打磨成符合轧制咬入条件的楔形状，端头近似为椭圆。
[0071]
步骤3，采用横列式轧机对坯料进行热轧开坯，采用箱式炉电阻加热炉对坯料进行加热，保温温度为1100℃，保温时间为120min，采用1火次轧制，变形量为88％，热轧后棒材的直径为18mm。为保证轧制过程的稳定咬入，轧制前四道次必须采用经打磨咬入角的一端喂料，后续道次可往复喂料轧制。为获得均匀的轧棒组织，轧制时需监控最后一道次的轧棒表面温度，若温度高于1050℃，需进行15s的道次停留。
[0072]
步骤4，利用轧制余温进行热矫直，矫直3遍，径缩小于等于0.1mm，矫直后弯曲度小于等于2mm/m，矫直后棒材直径在18mm之间。
[0073]
对热轧后的棒材在头尾位置处取样，所取试样经过1107℃/1h，油冷+760℃/8h，空冷+650℃/24h，空冷制度热处理后，评价晶粒度和拉伸性能。
[0074]
如图3所示，对棒材r/2处晶粒度进行观察，组织均匀，晶粒细小，满足astm 11.5级要求。
[0075]
表3实施例3所制备的gh4720li棒材的拉伸性能和晶粒度
[0076][0077]
将棒材试样机加成标准拉伸试样，随后在电子万能拉伸试验机上测试室温和高温拉伸强度，测试结果如表3所示，其中室温拉伸强度超过1600mpa，650℃拉伸强度超过1450mpa，可以满足某型航空发动机压气机叶片用棒材的强度要求。

技术特征：
1.细晶高强度gh4720li合金小规格棒材的制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：步骤1，制备gh4720li合金坯料；步骤2，对gh4720li合金坯料进行预处理；步骤3，对gh4720li合金坯料进行热轧开坯，获得gh4720li合金棒材；步骤4，利用热轧后的余热将gh4720li合金棒材进行热矫直，获得gh4720li合金小规格棒材。2.根据权利要求1所述的细晶高强度gh4720li合金小规格棒材的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，具体为：采用真空感应、电渣重熔以及真空自耗熔炼工艺制备规格为φ508mm的gh4720li合金铸锭，使用带锯切掉铸锭头尾成分风险区域，在快锻机上进行锻造开坯，制备规格为φ150mm的坯料，使用带锯对锻造中间坯料进行下料，随后在挤压机上制备规格为φ55mm的挤压中间坯，即为gh4720li合金坯料。3.根据权利要求2所述的细晶高强度gh4720li合金小规格棒材的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，gh4720li合金铸锭按质量百分比，其化学成分为：c：0.01～0.02％、si：0～0.50％、mn：0～0.50％、p：0～0.015％、s：0～0.008％、ag：0～0.0005％、al：2.25～2.75％、b：0.01～0.02％、bi：0～0.00005％、co：14.0～15.5％、cr：15.5～16.5％、cu：0～0.10％、fe：0～0.50％、mo：2.75～3.25％、pb：0～0.0010％、ti：4.75～5.25％、w：1.00～1.50％、zr：0.025～0.050％、o：0～0.0020％、n：0～0.0032％，余量为ni，以上成分质量百分比之和为100％。4.根据权利要求1所述的细晶高强度gh4720li合金小规格棒材的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，具体为：切掉gh4720li合金坯料的烂头，采用砂带抛光的方法处理gh4720li合金坯料表面氧化皮，使用角磨机点修磨表面缺陷，局部缺陷允许修磨，要求修磨坑处圆滑过渡，修磨坑的宽深比不小于5：1，将修磨后的gh4720li合金坯料进行切割，获得长度为450mm-650mm、直径φ50-54mm的gh4720li合金坯料；使用砂轮机对gh4720li合金坯料进行打磨，使得打磨后的咬入角成为符合轧制咬入条件的楔形，楔形的长轴长为39-42mm，短轴长为30-33mm。5.根据权利要求1所述的细晶高强度gh4720li合金小规格棒材的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，热轧温度为1080℃～1130℃，保温时间为60min～180min，采用1火次轧制，变形量在80％～95％之间；且最后一道次的轧制时需进行5s～15s的道次停留。6.根据权利要求1所述的细晶高强度gh4720li合金小规格棒材的制备方法，其特征在于，所述步骤4中，矫直次数为2-3遍，矫直径缩小于等于0.1mm，矫直后棒材弯曲度小于等于2mm/m。7.根据权利要求1所述的细晶高强度gh4720li合金小规格棒材的制备方法，其特征在于，所述步骤4中，gh4720li合金小规格棒材的直径为15mm～20mm。

技术总结
本发明公开了细晶高强度GH4720Li合金小规格棒材的制备方法，具体为：制备GH4720Li合金坯料；对GH4720Li合金坯料进行预处理；对GH4720Li合金坯料进行热轧开坯，获得GH4720Li合金棒材；利用热轧后的余热将GH4720Li合金棒材进行热矫直，获得GH4720Li合金小规格棒材。本发明方法制备得到的GH4720Li合金小规格棒材，其直径在15mm～20mm之间，晶粒度在10-13级之间，室温抗拉强度大于1620MPa，650℃抗拉强度大于1450MPa，能用于制作航空发动机用高性能高温合金叶片。能高温合金叶片。能高温合金叶片。


技术研发人员：李坤 史蒲英 刘谨 曹国鑫 杨彦朝 阚志 付宝全 刘向宏 王凯旋 李少强 杜予晅 冯勇
受保护的技术使用者：西安聚能高温合金材料科技有限公司
技术研发日：2023.04.28
技术公布日：2023/8/24