GH4706合金超大尺寸棒材冶炼及加工工艺研究

本文研究了GH4706合金大尺寸棒材的冶炼和加工工艺。结果表明，真空感应炉 保护气氛电渣炉 真空白耗炉三联工艺可以冶炼出无宏观偏析的GH4706合金Φ920mm锭，通过反复镦粗和拔长的锻造工艺可以获得GH4706合金组织均匀的Φ750mm大尺寸棒材。

关键词：GH4706；三联冶炼；大尺寸；力学性能

GH4706合金是镍-铁-铬基沉淀强化型高温合金。该合金与GH4169合金相比，不含Mo，降低了Ni、Cr和Nb的含量，适当提高了Fe和Ti的含量，偏析倾向小、成本低廉。GH4706合金主要用于航空发动机中的盘件、环件等部件的制造，以及制造重型地面燃气轮机中的盘件。我国发电用地面燃机长期依赖进口，近年来虽然国内组装整机占装机总量的比重逐渐提高，但燃机关键热端部件必须从国外采购，特别是高温合金涡轮盘作为重型燃机热端核心部件之一，其制备技术长期以来被少数西方发达国家所垄断。制造大尺寸高温合金盘件存在着诸多技术难点，包括冶炼、热加工和热处理等多个方面，需要解决偏析、裂纹、组织性能均匀性等问题。抚顺特殊钢股份有限公司作为国内高温合金生产的重点企业，与钢铁研究院合作共同完成了重型燃机用GH4706合金超大规格棒材坯料的三联冶炼和铸锭锻造工作。通过进行技术攻关，成功解决了宏观成分偏析、裂纹和组织均匀性等多个技术难点，为重型燃机用大尺寸高温合金涡轮盘的国产化进行了一次成功的尝试。

1 大尺寸GH4706合金铸锭的冶炼

GH4706中添加了大量的合金元素，包括γ’、?相等多种组成相，这些给铸锭直径的大型化增加了许多质量风险。首先，由于锭型扩大，电极和合金锭承受更大的热应力和组织应力，容易产生横向和纵向裂纹。其次，随着锭型扩大，在铸锭内部合金元素的偏聚程度增加，容易产生宏观偏析，如黑斑和白斑等冶金缺陷。

针对上述问题，通过冶炼工艺设计加以克服。首先，将冶炼工艺定为VIM PESR VAR（真空感应 保护气氛电渣 真空电弧重熔），该工艺路线通过保护气氛电渣熔炼和锻造加工可以得到致密、无裂纹的电极，为真空电弧重熔冶炼过程顺利、平稳的进行创造良好的条件。其次，通过工艺参数优化防治各种冶金缺陷产生。主要包括以下方面：

(1)降低真空感应熔炼的浇铸温度，降低铸锭偏析，减小铸锭的热应力，减少铸锭裂纹倾向，钢锭凝固后立即进行去除应力的退火，退火温度保证在合金的再结晶温度以上，保持48h后随炉冷却至室温。

(2)选择合适的保护气氛电渣熔速，既保证电渣锭的表面质量，又尽可能减小内部偏析和宏观裂纹，因此熔速不能过低也不能过高，相关公式的计算熔速为20kg/min，以往试验GH4169合金电渣过程的熔速为5kg/min，其电极在锻造时发生了严重的开裂，因此实际的熔速在5-20kg/min较为合适。

(3)选择适当的真空电弧重熔的充填比，较为理想的充填比为0.75左右，实际生产中的真空电弧重熔电极尺寸为Φ800mm，真空电弧重熔锭的尺寸为Φ20mm。真空电弧重熔的熔速是防止宏观偏析和裂纹的关键因素，因此熔速不能过快或过慢。钢锭脱锭后，必须立即进行成分均匀化退火处理，防止热应力裂纹和消除成分偏析。通过上述工艺路线、参数设置和及时的去应力退火，成功制得了GH4706合金Φ20mm的真空电弧重熔锭。表1为保护气氛电渣锭和真空电弧重熔锭的成分，图1为保护气氛电渣锭和真空电弧重熔锭的形貌。保护气氛电渣锭和真空电弧重熔锭的成分表明，钢锭的不同部位成分均匀，冶炼参数选择实现了工艺设计目标。

表1 保护气氛电渣锭和真空 电弧重熔锭部分元素含量

2 大尺寸GH4706合金铸锭的锻造开坯

通过三联冶炼，成功制得GH4706合金铸锭，为锻造开坯创造了必要条件。锻造工艺决定锻造棒材的内外部质量。锻造过程首先要保证锻后成品不能出现严重的表面裂纹，更不允许发生内部裂纹，其次要实现锻造成品内部组织的均匀性。针对上述难点，锻造工艺设计包括以下要点：

(1)采用多次镦粗和拔长的锻造方法来增加锻比，加强对钢锭铸态组织的破碎效果。每次镑粗后适当拔长，保证末火锻造的变形量可以达到35%以上，达到细化合金内部晶粒组织的锻造效果。通过热模拟实验、有限元计算以及参照经验公式计算，当应变速率较小时，镦粗过程所需的快锻机吨位在6500-8000t，拔长过程所需快锻机吨位在3500-4000t。

(2)控制变形速度，防止由于变形热引起的钢锭内部裂纹产生。实际变形过程中，分段将钢锭镦粗到位，镦粗过程中间略作停顿，拔长过程压下量控制100-200mm/道次。

(3)选择适当的变形温度，变形温度对棒材的表面裂纹控制、变形抗力大小和最终内部组织  夕存在直接的影响，既不能过低，也不能过高，根据热模拟实验和经验，锻造前的加热温度控制在1100-1120℃。依据上述工艺设计，实际锻造棒材的表面没有出现明显的裂纹，超声波探伤检验显示棒材内部没有缺陷。

3 大尺寸GH4706合金棒材测试

对棒材的低倍组织、高倍组织和力学性能进行检测。低倍检验结果表明，大尺寸棒材内部末发现任何冶金缺陷、无锻造裂纹，低倍组织均匀。高、低倍组织图片见图2。

取棒材横向性能试样按照两组热处理制度对其进行热处理，并检验力学性能。Ⅰ组热处理制度：( 970?10)℃*60min/油冷；(845?5)℃*3h/空冷； (720?5)℃*8h/以55℃/h炉冷至(620 ?5)℃*8h/空冷。Ⅱ组热处理制度：(970?10)℃*60min/油冷；(730?5)℃*8h/以55℃/h炉冷至(620?5)℃*8h/空冷。两组热处理制度的力学性能直方图见图3。

两组热处理制度的力学性能结果表明，Ⅱ组热处理制度的强度、塑性和冲击性能指标均优于Ⅰ组热处理制度的指标，但是持久性能指标低于Ⅰ组热处理制度的指标。产生上述结果的原因主要是两组热处理制度处理得到微观组织中?相的差异引起的，Ⅱ组热处理制度使得?相析出量大为减少。由此可见，?相对GH4706合金的力学性能指标存在着显著的影响。

4 结论

GH4706合金直径750mm棒材的成功试制，表明抚顺特钢已经初步掌握超大规格高温合金锭的冶炼和锻造技术。