人浏览过该文章
GH2132高温合金棒材热处理研讨会
GH2132 高温合金是一种 25Ni-15Cr-Fe 镍铁变形高温合金,使用温度范围-253~650℃,GH2132高温合金主要用于航空和航天发动机用紧固件,也可用于燃气轮机和烟气轮机用紧固件,GH2132高温合金含有 Ti、Al 和其他微量合金元素,主要通过时效析出 γ'相 Ni3(Ti,Al)来强化。GH2132 合金可以通过变形后的热处理来控制 γ'析出相,从而达到沉淀硬化。
GH2132 高温合金冷拉棒若出现晶粒度不合格导致棒材报废,或因晶粒度不合格导致 GH2132 合金冷拉棒不能按期交货,会造成明显的经济损失,并影响用户后续的加工和生产,这要求我们将 GH2132 合金冷拉棒材的晶粒度控制在标准要求范围内。热处理工艺参数是 GH2132 合金冷拉棒晶粒控制的关键因素,对GH2132棒材的晶粒大小和性能至关重要。
研讨会讨论关于采用不同的固溶温度和固溶时间对 GH2132 合金进行热处理,研究热处理工艺对 GH2132 合金晶粒度和性能的影响,并与国外相同牌号相近规格棒材的热处理工艺进行对比分析。
GH2132 高温合金冷拉棒若出现晶粒度不合格导致棒材报废,或因晶粒度不合格导致 GH2132 合金冷拉棒不能按期交货,会造成明显的经济损失,并影响用户后续的加工和生产,这要求我们将 GH2132 合金冷拉棒材的晶粒度控制在标准要求范围内。热处理工艺参数是 GH2132 合金冷拉棒晶粒控制的关键因素,对GH2132棒材的晶粒大小和性能至关重要。
研讨会讨论关于采用不同的固溶温度和固溶时间对 GH2132 合金进行热处理,研究热处理工艺对 GH2132 合金晶粒度和性能的影响,并与国外相同牌号相近规格棒材的热处理工艺进行对比分析。
1 试验用料及化学成分
试验用料为上海汉维生产的 GH2132 高温合金棒及其相对应国外牌号美国(A286),化学成分范围列于表 1。两种试验用料的化学成分相近,均在 GH2132 合金相关标准要求范围内。表 1 GH2132 合金化学成分
Table 1 Chemical composition of GH2132 alloy
合金元素 | C | Mn | P | S | Si | Ni | B | N |
上海汉维(GH2132) | 0.047 | 1.38 | 0.017 | 0.001 | 0.04 | 25.84 | 0.006 | 0.0031 |
美国(A286) | 0.053 | 1.28 | 0.009 | 0.001 | 0.04 | 25.23 | 0.006 | 0.0025 |
含量范围 | ≤0.08 | 1.00~2.00 | ≤0.030 | ≤0.02 | ≤1.00 | 24.0~27.0 | 0.001~0.010 | - |
合金元素 | Cr | Cu | Mo | V | Al | Ti | H | O |
上海汉维(GH2132) | 14.98 | 0.02 | 1.29 | 0.34 | 0.18 | 2.20 | 0.0001 | 0.0006 |
美国(A286) | 14.58 | 0.08 | 1.54 | 0.24 | 0.21 | 2.08 | 0.0002 | 0.0005 |
含量范围 | 13.5~16.0 | - | 1.00~1.50 | 0.10~0.50 | ≤0.40 | 1.8~2.35 | - | - |
2 试验结果分析
2.1 GH2132 合金棒材的原始组织GH2132 合金个状态下晶粒度等级如表 2 所示。由表 2 可以看出,GH2132 合金从热轧坯到冷拉棒成品的各道工序中的原始晶粒度级别基本相同,且大小较均匀为 8~10 级,φ10mm 热轧坯和冷拉棒冷拉态电退
(940℃/1h 水冷)后的晶粒度分布如图 1 所示。由此可见,GH2132热轧坯经过热轧-固溶-冷拉-电退后,显微组织变化不大。
表 2 GH2132 合金各状态下的原始晶粒度
Table 2 Grain grade of GH2132 alloy
状 态 | ф10mm 热轧坯 | ф10mm 热轧坯固溶(940℃/1h 水冷) | 冷拉棒冷拉态 | 冷拉棒电退(1040℃)后 |
晶粒度 | 8~10 | 8~10 | 8~10 | 8~10 |
2.2 固溶温度对 GH2132 合金棒材晶粒度影响
GH2132 热轧棒和冷拉棒在不同的固溶温度下保温相同时间所测得的晶粒度如表 3 所示。由表中数据可
以看出,在不同固溶温度下保温相同的时间,随着固溶温度的升高,GH2132 合金热轧态和冷拉态的晶粒均逐渐长大。但冷拉态晶粒的长大趋势明显比热轧态晶粒的长大趋势大。
对于GH2132热轧态棒材,在 900~940℃温度范围内固溶得到的晶粒度较均匀,在固溶温度≥960℃之后,开始出现长大到 4.5~5 级的晶粒,容易出现晶粒度不合格(标准要求晶粒度一般应细于 5 级)。
而对于GH2132冷拉态棒材,固溶温度为 900℃时,保温 2h 固溶处理后棒材冷拉态的晶粒与原始晶粒度一致, 仍为 9 级细晶粒。在 920~960℃温度范围内固溶,原始态的 9 级细晶粒仍存在,但部分晶粒开始迅速长大到5 级,出现 9~5 级的混晶,晶粒度分布不均匀。在固溶温度≥980℃保温 2h 后,原始态的细晶粒完全消失, 晶粒长大达到 5 级左右,容易出现晶粒度不合格(标准要求晶粒度一般应细于 5 级)。
表 3 GH2132热轧棒和GH2132冷拉棒在不同固溶温度下的晶粒度
Table 3 Grain size of rolling and cold-drawing bar at different solution temperature
GH2132高温 合金φ16mm 冷拉棒材热处理后中心、1/2R 和近边缘处的组织如图 2 所示。热处理后,冷拉态棒材不同位置晶粒度大小也不相同,棒材中心处的晶粒更细小,1/2R 和边缘处的晶粒偏大。因此,棒材的1/2R 处到边缘位置的更容易出现晶粒度的不合格。
3 与 CARPENTER 公司生产GH2132的热处理制度对比分析
对 CARPENTER 和上海汉维生产的 GH2132 合金冷拉棒材的热处理制度进行对比分析,采用不同热处理制度固溶后的晶粒度如表 4 所示。由表中数据可以看出,两家公司生产的相近规格GH2132冷拉棒材的原始态晶粒度相同,均为 9 级,经 900℃/1h 和 980℃/0.25h 两种热处理制度进行固溶,水冷后的晶粒度与原始态相比均没有变化。由此可以看出,我公司的GH2132高温合金棒在这两种热处理制度下得到的晶粒度和 CARPENTER 公司的实物水平相同。
和我国 GH2132 合金技术标准的热处理制度相比, CARPENTER 公司固溶时用连续炉加热,其热处理制度为:980℃固溶,连续炉加热;720℃/16h 时效,空冷,保温时间不明确。由试验结果可知,CARPENTER
对于GH2132热轧态棒材,在 900~940℃温度范围内固溶得到的晶粒度较均匀,在固溶温度≥960℃之后,开始出现长大到 4.5~5 级的晶粒,容易出现晶粒度不合格(标准要求晶粒度一般应细于 5 级)。
而对于GH2132冷拉态棒材,固溶温度为 900℃时,保温 2h 固溶处理后棒材冷拉态的晶粒与原始晶粒度一致, 仍为 9 级细晶粒。在 920~960℃温度范围内固溶,原始态的 9 级细晶粒仍存在,但部分晶粒开始迅速长大到5 级,出现 9~5 级的混晶,晶粒度分布不均匀。在固溶温度≥980℃保温 2h 后,原始态的细晶粒完全消失, 晶粒长大达到 5 级左右,容易出现晶粒度不合格(标准要求晶粒度一般应细于 5 级)。
表 3 GH2132热轧棒和GH2132冷拉棒在不同固溶温度下的晶粒度
Table 3 Grain size of rolling and cold-drawing bar at different solution temperature
试样编号 | 固溶热处理工艺 | φ10 热轧态晶粒度/级 | φ16 冷拉态晶粒度/级 |
1 | 原始态 | 11 | 9 |
2 | 900℃/2h,水冷 | 8.5 | 9 |
3 | 920℃/2h,水冷 | 8.0 | 9~5.5 |
4 | 940℃/2h,水冷 | 7.0 | 9~5.5 |
5 | 960℃/2h,水冷 | 7~5.5 | 9~5 |
6 | 980℃/2h,水冷 | 7~5 | 6~5 |
7 | 1000℃/2h,水冷 | 7~5 | 5 |
8 | 1020℃/2h,水冷 | 7~4.5 | 4.5 |
3 与 CARPENTER 公司生产GH2132的热处理制度对比分析
对 CARPENTER 和上海汉维生产的 GH2132 合金冷拉棒材的热处理制度进行对比分析,采用不同热处理制度固溶后的晶粒度如表 4 所示。由表中数据可以看出,两家公司生产的相近规格GH2132冷拉棒材的原始态晶粒度相同,均为 9 级,经 900℃/1h 和 980℃/0.25h 两种热处理制度进行固溶,水冷后的晶粒度与原始态相比均没有变化。由此可以看出,我公司的GH2132高温合金棒在这两种热处理制度下得到的晶粒度和 CARPENTER 公司的实物水平相同。
和我国 GH2132 合金技术标准的热处理制度相比, CARPENTER 公司固溶时用连续炉加热,其热处理制度为:980℃固溶,连续炉加热;720℃/16h 时效,空冷,保温时间不明确。由试验结果可知,CARPENTER
公司生产φ8.5 mm 的 GH2132 合金冷拉棒材晶粒度为 9~10 级,所以该公司的 GH2132 冷拉棒在 980℃的固溶温度下保温时间应为 0.25h 或更短。
表 4 与 CARPENTER 公司热处理制度对比分析
Table 4 Comparison analysis of heat treatment technology with CARPENTER
国外 CARPENTER 公司和上海汉维生产的 GH2132 合金冷拉棒,其相近规格棒材的 力学性能如表 5 所示。由表可以看出,在相同的热处理制度下,上海汉维生产的规格为φ9mm 的 GH2132 合金冷拉棒材, 其力学性能和 CARPENTER 公司生产的φ8.5mm 冷拉棒材的水平相当。
表 5 与 CARPENTER 公司 GH2132 合金冷拉棒材性能对比分析
Table 6 Comparison analysis of properties of GH2132 cold-drawing bar with CARPENTER By the same heat treatment technology
4 国内 GH2132 合金棒材的热处理制度
GH2132 合金各标准中的热处理制度及晶粒度要求如表 6 所示。从表中可以看出,GH2132 合金冷拉棒、热轧棒和锻棒的热处理制度都是相似的。这与 GH2132 合金冷拉棒材生产的历史有关,冷拉棒是为了利用冷拉的特点,即表面光洁和精度高,来弥补热轧棒材表面粗糙和公差尺寸大的不足,因此,在有关 GH2132 合金冷拉棒的技术标准中所用的热处理制度与热轧棒相同,没有反映出冷加工态和热加工态的区别。
但是,通过本次研讨会的对比研究发现,热轧态和冷拉态的GH2132高温合金棒材在相同的固溶温度下晶粒长大的趋势是不同的, GH2132高温合金热轧坯和冷拉棒在保温时间相同的情况下,随着温度的升高,冷拉棒晶粒的长大趋势明显比热轧棒大。
因此,GH2132 合金冷拉棒的热处理工艺应区别于热轧棒的热处理工艺,对于 GH2132 合金冷拉棒,固溶处理采用 900℃/1h 水冷或 980℃/0.25h 水冷更为合适。
表 6 GH2132 合金各标准中要求的热处理制度及晶粒度要求
Table 6 Heat treatment technologies and grain size standards of GH2132 alloy in specifications
表 4 与 CARPENTER 公司热处理制度对比分析
Table 4 Comparison analysis of heat treatment technology with CARPENTER
热处理制度 |
CARPENTER 公司 | 宝钢 | ||
规格/mm | 晶粒/级 | 规格/mm | 晶粒度/级 | |
原始态 | φ8.5 | 9 | Ф9 | 9 |
900℃/1h 水冷 | φ8.5 | 9 | Ф9 | 9 |
980℃/0.25h 水冷 | φ8.5 | 9 | Ф9 | 9 |
国外 CARPENTER 公司和上海汉维生产的 GH2132 合金冷拉棒,其相近规格棒材的 力学性能如表 5 所示。由表可以看出,在相同的热处理制度下,上海汉维生产的规格为φ9mm 的 GH2132 合金冷拉棒材, 其力学性能和 CARPENTER 公司生产的φ8.5mm 冷拉棒材的水平相当。
表 5 与 CARPENTER 公司 GH2132 合金冷拉棒材性能对比分析
Table 6 Comparison analysis of properties of GH2132 cold-drawing bar with CARPENTER By the same heat treatment technology
试样 |
热处理制度 |
室温拉伸性能 | 室温硬度 | 650℃,483MPa 高温持久 | |||||
Rm/MPa | Rp0.2/MPa | A4/% | Z/% | HB | 时间/t | δ/% | Ψ/% | ||
CARPENTER | 原始态 |
1150 | 915 | 22.5 | 46.0 | 292 | 84 | 7 | 28 |
上海汉维 | 1180 | 920 | 23 | 48 | 306 | 141 | 30 | 41 | |
CARPENTER | 900℃/1h,水冷; 710℃/16h,空冷 |
1130 | 785 | 25.5 | 49.0 | 295 | 147 | 13 | 17 |
上海汉维 | 1110 | 720 | 25.0 | 52 | 298 | 140 | 21 | 22 | |
CARPENTER | 980℃/0.25h,水冷; 710℃/16h,空冷 |
1140 | 820 | 24.5 | 50.0 | 298 | 122 | 20 | 25 |
上海汉维 | 1110 | 725 | 25.0 | 51.0 | 292 | 110 | 15 | 16 | |
标准 | 固溶+时效 | ≥895 | ≥585 | ≥15 | ≥20 | 248~341 | ≥23 | ≥5 | - |
4 国内 GH2132 合金棒材的热处理制度
GH2132 合金各标准中的热处理制度及晶粒度要求如表 6 所示。从表中可以看出,GH2132 合金冷拉棒、热轧棒和锻棒的热处理制度都是相似的。这与 GH2132 合金冷拉棒材生产的历史有关,冷拉棒是为了利用冷拉的特点,即表面光洁和精度高,来弥补热轧棒材表面粗糙和公差尺寸大的不足,因此,在有关 GH2132 合金冷拉棒的技术标准中所用的热处理制度与热轧棒相同,没有反映出冷加工态和热加工态的区别。
但是,通过本次研讨会的对比研究发现,热轧态和冷拉态的GH2132高温合金棒材在相同的固溶温度下晶粒长大的趋势是不同的, GH2132高温合金热轧坯和冷拉棒在保温时间相同的情况下,随着温度的升高,冷拉棒晶粒的长大趋势明显比热轧棒大。
因此,GH2132 合金冷拉棒的热处理工艺应区别于热轧棒的热处理工艺,对于 GH2132 合金冷拉棒,固溶处理采用 900℃/1h 水冷或 980℃/0.25h 水冷更为合适。
表 6 GH2132 合金各标准中要求的热处理制度及晶粒度要求
Table 6 Heat treatment technologies and grain size standards of GH2132 alloy in specifications
标准编号 | 产品 | 热处理制度 | 晶粒度要求 |
GB/T14994-94 | 冷拉棒 | 固溶处理:980~1000℃,1~2h,油冷 时效处理:700~720℃, 16h 空冷 |
≥5(合同要求) |
GJB2611-96 | 冷拉棒 | 固溶处理:980~1000℃,1~2h,油冷 时效处理:700~720℃,≥16h 空冷 |
无要求 |
GJB3165-98 | 热轧、锻棒 | 固溶处理:980~1000℃,1~2h,油冷 时效处理:700~720℃,12~16h 空冷 |
无要求 |
5 结论
通过此次研讨会分析得出结论如下:
(2) 通过和国外公司生产的 GH2132 合金冷拉棒材热处理制度进行对比,可以看出国外的公司所采用的热处理制度不同于我国。采用相同的热处理工艺,上海汉维生产的 GH2132 高温合金冷拉棒材和国外公司的GH2132冷拉棒在晶粒度和力学性能上水平相当。