一种高合金化GH4720Li合金单级均匀化退火工艺

摘要

本发明公开了一种高合金化GH4720Li合金单级均匀化退火工艺，该工艺包括以下步骤：步骤一、将高合金化GH4720Li合金以10℃/min～20℃/min的升温速率加热至1120℃；步骤二、将步骤一中加热至1120℃的高合金化GH4720Li合金以1℃/min～5℃/min的升温速率加热至1180℃～1230℃后保温8h～28h，然后进行炉冷。本发明通过控制单级均匀化的升温速率、温度和保温时间消除了高合金化GH4720Li合金中存在的(γ+γ′)共晶相和硼化物低熔点析出相，促进了Al、Ti、W、Mo元素充分扩散，消除了元素偏析，且退火过程中不会发生过烧现象，得到成分均匀的高合金化GH4720Li合金。

权利要求

1.一种高合金化GH4720Li合金单级均匀化退火工艺，其特征在于，该工艺包括以下步骤：步骤一、将高合金化GH4720Li合金铸锭试样以10℃/min～20℃/min的升温速率加热至

1120℃；所述高合金化GH4720Li合金铸锭采用真空感应熔炼、保护气氛电渣重熔和真空自耗重熔三联工艺熔炼得到，锭型为Φ508mm；

步骤二、将步骤一中加热至1120℃的高合金化GH4720Li合金铸锭试样以1℃/min～5℃/min的升温速率加热至1180℃～1230℃后保温8h～28h，然后随炉冷却；所述保温的时间随加热温度的升高而减少。

2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，步骤二中所述升温速率为3℃/min～5℃/min。

3.根据权利要求2所述的工艺，其特征在于，步骤二中加热至1230℃后保温8h。

4.根据权利要求2所述的工艺，其特征在于，步骤二中所述升温速率为5℃/min。

说明书

一种高合金化GH4720Li合金单级均匀化退火工艺

技术领域

[0001] 本发明属于金属材料及其加工领域，具体涉及一种高合金化GH4720Li合金单级均匀化退火工艺。

背景技术

[0002] 高温合金是先进的航空航天发动机关键的热端材料，包括涡轮盘、涡轮叶片、导向叶片和燃烧室等热端部件，其在先进航空发动机中应用比例超过40％。为了满足现代航空工业快速发展的需求，高温合金中往往添加更高含量的Al、Ti等γ′相元素，以及W、Mo、Nb等难熔金属元素，导致宏、微观偏析程度较高。并且随着合金化程度的提高和锭型的扩大，合金凝固偏析倾向加剧，严重的凝固偏析会导致铸锭枝晶组织十分发达，在枝晶间形成大量有害脆性相，从而恶化合金的热加工性能。现有技术采用真空感应熔炼(VIM)、保护气氛电渣重熔(ESR)和真空自耗重熔(VAR)三联工艺熔炼的锭型为Φ508mm的高合金化GH4720Li合金，其中存在较为严重的Al、Ti、W、Mo等元素偏析、枝晶间形成大量的(γ+γ′)共晶相和硼化物等低熔点析出相等缺点。因此，熔炼后的高合金化高温合金在开坯锻造前一般都要经过均匀化退火来溶解枝晶间共晶相、低熔点析出相和尽可能的消除元素偏析，从而改善高合金化高温合金的热加工性能。

[0003] 针对GH4169等高合金化高温合金的均匀化退火工艺研究相对成熟，并且已经形成了相应的标准和数据库，很好地解决了Nb等Al、Ti、W、Mo等元素偏析问题，提高了其热加工性能。然而，对于采用真空感应熔炼、保护气氛电渣重熔和真空自耗重熔三联工艺熔炼的锭型为Φ508mm的高合金化GH4720Li合金来说，低熔点析出相易过烧而形成孔洞，且Al、Ti、W、Mo等元素之间的交互作用导致扩散规律更加复杂。如果均匀化退火制度选择不当容易导致锻件中出现严重的组织问题，如偏析消除不彻底容易在锻件中形成条带组织而导致锻件报废。目前高合金化高温合金往往采用多级均匀化退火工艺，退火工艺复杂且周期长，生产成本高，因此，对于高合金化高温合金，制定合理的均匀化退火制度显得尤为重要。

发明内容

[0004] 本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种高合金化GH4720Li合金单级均匀化退火工艺，该工艺通过控制单级均匀化退火的升温速率、温度和保温时间工艺参数，消除了高合金化GH4720Li合金的(γ+γ′)共晶相和硼化物低熔点析出相，同时促进了枝晶间和枝晶干的Al、Ti、W、Mo元素充分扩散，消除了元素偏析，且退火过程中不会发生过烧现象，解决了高合金化GH4720Li合金均匀化退火过程中易过烧和元素偏析残留问题。

[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种高合金化GH4720Li合金单级均匀化退火工艺，其特征在于，该工艺包括以下步骤：

[0006] 步骤一、将高合金化GH4720Li合金铸锭试样以10℃/min～20℃/min的升温速率加热至1120℃；所述高合金化GH4720Li合金铸锭采用真空感应熔炼、保护气氛电渣重熔和真空自耗重熔三联工艺熔炼得到，锭型为Φ508mm；

[0007] 步骤二、将步骤一中加热至1120℃的高合金化GH4720Li合金铸锭试样以1℃/min～5℃/min的升温速率加热至1180℃～1230℃后保温8h～28h，然后随炉冷却；所述保温的时间随加热温度的升高而减少。

[0008] 本发明首先将高合金化GH4720Li合金以10℃/min～20℃/min的升温速率加热至1120℃，然后以1℃/min～5℃/min的升温速率加热至1180℃～1230℃后保温8h～28h。高合金化GH4720Li合金低熔点析出相在1120℃开始回溶，在1120℃以下高合金化GH4720Li合金的组织保持稳定，本发明采用10℃/min～20℃/min的快速升温加热至1120℃，提高了生产效率，且在工业生产中易于实现，当高合金化GH4720Li合金的温度高于1120℃，Al、Ti、W、Mo元素开始逐渐扩散，(γ+γ′)共晶相、硼化物低熔点析出相逐渐回溶，本发明采用1℃/min～5℃/min的升温速率确保高合金化GH4720Li合金的(γ+γ′)共晶相、硼化物低熔点析出相缓慢回溶和枝晶间和枝晶干的Al、Ti、Mo、W元素缓慢扩散，并抑制了因升温速率过快导致的低熔点析出相过烧和Al、Ti、W、Mo元素扩散不充分现象，同时节省升温时间，提高生产效率，采用加热至1180℃～1230℃后保温8h～28h，在连续的升温和保温过程中，实现消除高合金化GH4720Li合金的(γ+γ′)共晶相，硼化物低熔点析出相回溶，促使枝晶间和枝晶干的Al、Ti、W、Mo元素充分扩散，消除元素偏析，且不会发生过烧现象，解决高合金化GH4720Li合金均匀化退火过程中易过烧和元素偏析残留问题，达到均匀化退火的目的，该加热保温的温度范围1180℃～1230℃在高合金化GH4720Li合金的γ′溶解温度1160℃以上和初熔温度1250℃以下，满足退火温度的要求，在接近1180℃长时间保温可以消除低熔点析出相，但是效率较低，当高于1230℃容易导致低熔点析出相发生过烧而导致材料报废，该8h～28h的保温时间由加热温度决定，Al、Ti、W、Mo元素的扩散系数随着温度升高呈指数增长，较低保温温度下需要更长的保温时间实现元素的充分扩散，而较高保温温度可以缩短保温时间进而提高生产效率。

[0009] 上述的一种高合金化GH4720Li合金单级均匀化退火工艺，步骤二中所述升温速率为3℃/min～5℃/min。本发明采用的升温速率为3℃/min～5℃/min，确保高合金化GH4720Li合金的(γ+γ′)共晶相、硼化物低熔点析出相缓慢回溶和Al、Ti、Mo、W元素缓慢扩散，同时缩短升温时间，提高生产效率，并抑制因升温速率过快导致的低熔点析出相过烧和Al、Ti、W、Mo元素扩散不充分。

[0010] 上述的一种高合金化GH4720Li合金单级均匀化退火工艺，步骤二中所述加热至1230℃后保温8h。本发明采用加热至1230℃后保温8h，较高的温度能缩短保温的时间，提高生产效率，同时避免较低温度下长时间保温而发生过烧，实现消除高合金化GH4720Li合金的(γ+γ′)共晶相和硼化物低熔点析出相，促使枝晶间和枝晶干的Al、Ti、W、Mo元素充分扩散，消除元素偏析，且退火过程中不会发生过烧现象，解决高合金化GH4720Li合金均匀化退火过程中易过烧和元素偏析残留问题。

[0011] 上述的一种高合金化GH4720Li合金单级均匀化退火工艺，所述升温速率为5℃/min。本发明采用的升温速率为5℃/min，节省升温时间，提高生产效率。

[0012] 本发明与现有技术相比具有以下优点：

[0013] 1、本发明将采用真空感应熔炼、保护气氛电渣重熔和真空自耗重熔三联熔炼得到的高合金化GH4720Li合金进行单级均匀化退火，消除了高合金化GH4720Li合金的(γ+γ′)共晶相和硼化物低熔点析出相，促进了枝晶间和枝晶干的Al、Ti、W、Mo元素充分扩散，消除元素偏析，且退火过程中不会发生过烧现象，解决了高合金化GH4720Li合金均匀化退火过程中易过烧和元素偏析残留问题，获得成分均匀的高合金化GH4720Li合金。

[0014] 2、本发明通过控制单级均匀化退火的升温速率、温度和保温时间工艺参数实现了高合金化GH4720Li合金的单级均匀化退火，在1120℃以下采用10℃/min～20℃/min的升温速率快速升温，提高了生产效率，在1120℃以上采用1℃/min～5℃/min的升温速率，避免因升温速率过快容易导致的低熔点相过烧，同时节省升温时间，提高生产效率，采用加热至1230℃保温8h，缩短保温时间，提高生产效率。

[0015] 3、本发明工艺操作简单，生产效率高，生产成本低，且具有更广泛的适用性。

[0016] 下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。

附图说明

[0017] 图1a为本发明实施例1采用的高合金化GH4720Li合金的OM图。

[0018] 图1b为本发明实施例1采用的高合金化GH4720Li合金的SEM图。

[0019] 图2为本发明实施例1经单级均匀化退火后的高合金化GH4720Li合金的SEM图。

[0020] 图3为本发明对比例1经单级均匀化退火后的高合金化GH4720Li合金的SEM图。

[0021] 图4为本发明对比例2经双级均匀化退火后的高合金化GH4720Li合金的SEM图。

[0022] 图5为本发明实施例2经单级均匀化退火后的高合金化GH4720Li合金的SEM图。

具体实施方式

[0023] 实施例1

[0024] 本实施例包括以下步骤：

[0025] 步骤一、将采用真空感应熔炼、保护气氛电渣重熔和真空自耗重熔三联工艺熔炼的锭型为Φ508mm的高合金化GH4720Li合金铸锭，由头部切取厚为20mm的铸锭片，然后在铸锭片心部切取10mm×10mm×10mm(长×宽×高)的高合金化GH4720Li合金试样，再将高合金化GH4720Li合金试样置于高温箱式炉内，以10℃/min的升温速率加热至1120℃；

[0026] 步骤二、将步骤一中加热至1120℃的高合金化GH4720Li合金试样以5℃/min的升温速率加热至1230℃后保温8h，然后随炉冷却。

[0027] 图1a为本实施例采用的高合金化GH4720Li合金的铸态组织OM图，图1b为本实施例采用的高合金化GH4720Li合金的SEM图，从图1a和图1b可以看出采用真空感应熔炼、保护气氛电渣重熔和真空自耗重熔三联工艺熔炼的锭型为Φ508mm的高合金化GH4720Li合金的铸态组织存在(γ+γ′)共晶相、低熔点析出相缺陷。

[0028] 图2为本实施例采用单级均匀化退火后的高合金化GH4720Li合金的SEM图，从图2可以看出，经单级均匀化退火后的高合金化GH4720Li合金存在碳化物残留，碳化物残留周围未发现(γ+γ′)共晶相、低熔点析出相缺陷，且没有明显孔洞存在，无过烧现象发生，说明本实施例采用单级均匀化退火后的高合金化GH4720Li合金的Al、Ti、W、Mo元素偏析得到充分扩散，偏析较彻底消除，获得了良好的单级均匀化退火效果。

[0029] 通过图1a、图1b和图2对比可以看出，本实施例经单级均匀化退火后的高合金化GH4720Li合金的(γ+γ′)共晶相和低熔点析出相被消除，且没有明显孔洞存在，说明高合金化GH4720Li合金经单级均匀化退火后(γ+γ′)共晶相和硼化物低熔点析出相回溶较为彻底，无过烧现象发生，获得了良好的单级均匀化退火效果。

[0030] 对比例1

[0031] 本对比例包括以下步骤：

[0032] 步骤一、将采用真空感应熔炼、保护气氛电渣重熔和真空自耗重熔三联工艺熔炼的锭型为Φ508mm的高合金化GH4720Li合金铸锭，由头部切取厚为20mm的铸锭片，然后在铸锭片心部切取10mm×10mm×10mm(长×宽×高)的高合金化GH4720Li合金试样，再将高合金化GH4720Li合金试样置于高温箱式炉内，以10℃/min的升温速率加热至1120℃；

[0033] 步骤二、将步骤一中加热至1120℃的高合金化GH4720Li合金试样以10℃/min的升温速率加热至1230℃后保温8h，然后随炉冷却。

[0034] 图3为本对比例采用单级均匀化退火后的高合金化GH4720Li合金的SEM图，从图3可以看出经单级均匀化退火后的高合金化GH4720Li合金存在明显的碳化物残留，碳化物残留周围出现因低熔点相过烧而形成的孔洞。

[0035] 通过图2和图3对比可以看出，本对比例单级均匀化退火后的高合金化GH4720Li合金明显出现因过烧而形成的孔洞，说明本对比例使用的升温速率过快，导致高合金化GH4720Li合金的低熔点析出相发生过烧而产生孔洞，导致高合金化GH4720Li合金报废。

[0036] 对比例2

[0037] 本对比例包括以下步骤：

[0038] 步骤一、将采用真空感应熔炼、保护气氛电渣重熔和真空自耗重熔三联工艺熔炼的锭型为Φ508mm的高合金化GH4720Li合金铸锭，由头部切取厚为20mm的铸锭片，然后在铸锭片心部切取10mm×10mm×10mm(长×宽×高)的高合金化GH4720Li合金试样，再将高合金化GH4720Li合金试样置于高温箱式炉内，以10℃/min的升温速率加热至1120℃；

[0039] 步骤二、将步骤一中加热至1120℃的高合金化GH4720Li合金试样以10℃/min的升温速率加热至1180℃保温24h，然后以10℃/min升温速率加热至1230℃保温28h，然后随炉冷却。

[0040] 图4为本对比例采用双级均匀化退火后的高合金化GH4720Li合金的SEM图，从图4可以看出，本对比例采用现有技术中的双级均匀化退火得到的高合金化GH4720Li合金中存在碳化物残留，碳化物残留周围出现因低熔点析出相过烧而形成的孔洞。

[0041] 通过图2和图4对比可以看出，本对比例采用现有技术中的双级均匀化退火得到的高合金化GH4720Li合金明显出现因过烧而形成的孔洞，说明对于高合金化GH4720Li合金来说采用双级均匀化退火仍然存在低熔点析出相过烧而产生孔洞，导致高合金化GH4720Li合金报废。

[0042] 实施例2

[0043] 本实施例包括以下步骤：

[0044] 步骤一、将采用真空感应熔炼、保护气氛电渣重熔和真空自耗重熔三联工艺熔炼的锭型为Φ508mm的高合金化GH4720Li合金铸锭，由头部切取厚为20mm的铸锭片，然后在铸锭片心部切取10mm×10mm×10mm(长×宽×高)的高合金化GH4720Li合金试样，再将高合金化GH4720Li合金试样置于高温箱式炉内，以15℃/min的升温速率加热至1120℃；

[0045] 步骤二、将步骤一中加热至1120℃的高合金化GH4720Li合金试样以1℃/min升温速率加热至1180℃保温28h，然后随炉冷却。

[0046] 图5为本实施例采用单级均匀化退火后的高合金化GH4720Li合金的SEM图，从图5可以看出，经单级均匀化退火后的高合金化GH4720Li合金中存在碳化物残留，碳化物残留周围未发现(γ+γ′)共晶相、低熔点析出相缺陷，且没有明显孔洞存在，无过烧现象发生，说明本实施例采用单级均匀化退火后的高合金化GH4720Li合金的Al、Ti、W、Mo元素偏析得到充分扩散，偏析较彻底消除，获得了良好的单级均匀化退火效果。

[0047] 实施例3

[0048] 本实施例包括以下步骤：

[0049] 步骤一、将采用真空感应熔炼、保护气氛电渣重熔和真空自耗重熔三联工艺熔炼的锭型为Φ508mm的高合金化GH4720Li合金铸锭，由头部切取厚为20mm的铸锭片，然后在铸锭片心部切取10mm×10mm×10mm(长×宽×高)的高合金化GH4720Li合金试样，再将高合金化GH4720Li合金试样置于高温箱式炉内，以20℃/min的升温速率加热至1120℃；

[0050] 步骤二、将步骤一中加热至1120℃的高合金化GH4720Li合金试样以3℃/min升温速率加热至1200℃保温16h，然后随炉冷却。

[0051] 经检测发现，本实施例经单级均匀化退火后的高合金化GH4720Li合金的(γ+γ′)共晶相和硼化物低熔点析出相彻底回溶，且没有明显孔洞存在，无过烧现象发生，Al、Ti、W、Mo元素偏析得到充分扩散，偏析较彻底消除，获得了良好的均匀化退火效果。

[0052] 实施例4

[0053] 本实施例包括以下步骤：

[0054] 步骤一、将采用真空感应熔炼、保护气氛电渣重熔和真空自耗重熔三联工艺熔炼的锭型为Φ508mm的高合金化GH4720Li合金铸锭，由头部切取厚为20mm的铸锭片，然后在铸锭片心部切取10mm×10mm×10mm(长×宽×高)的高合金化GH4720Li合金试样，再将高合金化GH4720Li合金试样置于高温箱式炉内，以10℃/min的升温速率加热至1120℃；

[0055] 步骤二、将步骤一中加热至1120℃的高合金化GH4720Li合金试样以4℃/min升温速率加热至1230℃保温8h，然后随炉冷却。

[0056] 经检测发现，本实施例经单级均匀化退火后的高合金化GH4720Li合金的(γ+γ′)共晶相和硼化物低熔点析出相彻底回溶，且没有明显孔洞存在，无过烧现象发生，Al、Ti、W、Mo元素偏析得到充分扩散，偏析较彻底消除，获得了良好的均匀化退火效果。

[0057] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。