GH3230 高温合金环件的锻造工艺与热处理工艺研究

文／曹玉如，史占奎，操贻高·西安三角防务股份有限公司

通过热加工工艺试验，研究了GH3230 高温合金热变形锻造工艺参数和热处理工艺参数的匹配，并分析了显微组织和力学性能的变化。结果表明，高温改锻可以改善棒材中的原始组织，使组织均匀细化；合适的固溶热处理可使块状聚集的碳化物重新溶解，离散析出，均匀分布，尺寸细小化。在固溶温度为1200℃温度下，GH3230 合金可得到综合力学性能良好的环件产品。

GH3230 高温合金是一种合金化程度非常高的镍基变形高温合金，其元素W+Mo+Cr 的总含量可达到36%。该合金通过固溶合金元素强化基体，其W 元素和Mo 元素的加入不仅提高了该合金的抗蠕变性能，且增大了层错能，从而使位错滑移难以发生。该合金由于其组织热稳定性高，同时具有良好的高温强度、抗氧化性能、抗蠕变性能、抗冷热疲劳性能，其最高应用温度可达1050℃，因此被广泛用于航空发动机燃烧室法兰、地面燃气轮机燃烧室、化工行业中一些高温耐腐蚀部件、航空发动机火焰筒等关键部位。在生产实践中，往往由于锻造工艺参数与热处理工艺参数不匹配，导致GH3230 高温合金在锻造加工的过程中存在变形抗拒力大、加工成形困难、锻件易开裂等问题。尤其GH3230 高温合金环件的热加工，成为当今锻造行业的难题。

为解决该问题，本文通过对GH3230 高温热变形锻造工艺参数和热处理工艺参数相匹配的研究，以获得一种生产质量稳定、产品显微组织、力学性能、表面质量良好的环件轧制工艺。

试验材料

原材料情况

⑴试验材料选用。

通过真空感应＋真空自耗重熔的φ200mm GH3230高温合金棒料进行工艺试验，化学成分见表1。

表1 GH3230 高温合金棒料化学成分(wt%)

⑵棒材本体低倍。

锻态GH3230 高温合金和固溶后GH3230 高温合金的低倍组织如图1 所示。

图1 原材料低倍

由图1(a)可以看出，锻态GH3230 高温合金酸浸低倍试片上无肉眼可见的缩孔、气泡、空洞、翻皮、裂纹、白点、夹杂、点状偏析等。由图1(b)可以看出，固溶后的GH3230 高温合金酸浸低倍试片边缘存在一圈厚度不均匀的粗晶。

⑶棒材本体晶粒度。

晶粒度等级采用ASTM E112-2013 标准中的比较法获得，图2 所示为棒材固溶后本体3 个不同取样区域(外圆、R/2、中心)的组织状态。

图2 原材料高倍

由图2 可看出，空烧后，棒材边缘的晶粒长大特别明显，心部晶粒长大不明显，初步分析可能是表面变形温度低、变形量小，发生加工硬化所致。

⑷力学拉伸性能。

力学拉伸性能见表2。

表2 原材料力学性能数据

试验方法

工艺流程

环件尺寸为：φ975+5-m3m×φ860+-53mm×(130±2)mm。环件轧制的具体流程为：将加热后的原材料进行锻造，锻造加热设备为天然气炉，固溶处理加热设备为电炉。锻造变形过程为：原材料→改锻→镦饼→冲孔→打磨排伤→预轧→终轧→固溶→理化检测→入库。具体环件锻造及热处理工艺参数见表3。

表3 GH3230 环件锻造及热处理主要工艺参数

该锻造工艺思路采用先改锻、再成形，采取高温加热、低应变速率变形的热加工方法，以期在相对较低的变形抗力下，仍能满足动态再结晶的条件，获得均匀细小的等轴晶粒组织；热处理工艺则采用高温固溶将大块聚集的碳化物溶解到基体中，随后再析出均匀细小、离散分布的碳化物。

数值模拟分析

⑴模拟参数设置。

GH3230 环件模拟参数设置见表4。

表4 GH3230 环件模拟参数设置

⑵载荷预测。

载荷预测见图3，环轧模拟完成后，预测径向轧制力为289 吨，有效降低了高温合金GH3230 环件的变形抗力。φ2500mm 扩孔机的设备吨位为径向400 吨，可轧制该种环件。

图3 GH3230 环件轧制径向轧制力模拟预测

⑶温度场分布。

温度场分布见图4，环轧模拟完成后温度场较均匀，温度范围为970 ～1000℃。

图4 GH3230 环件轧制完成后温度场分布

⑷应变场分布。

应变场分布见图5。环轧模拟完成后应变较均匀，等效应变为0.6 ～1。

图5 GH3230 环件轧制完成后应变场分布

理化检测结果及分析

⑴不同固溶温度下的显微组织。

将环件均分为两部分，分别在1200℃、1230℃进行固溶处理，保温80min 后水冷。环件固溶处理后显微组织如图6 所示。

图6 不同固溶温度下的显微组织

由图6 可以看出，经固溶之后，环件显微组织中的块状碳化物明显较棒材本体(图2)减少。这主要是由于环件在成形前进行了改锻，将棒材原始的晶粒进一步打碎，改锻过程中发生了动态再结晶，使得组织均匀化、细化；在随后的固溶处理中碳化物重新溶解至基体中，且转换为离散分布、均匀细小的碳化物，在形貌、大小、分布上均发生了变化，热处理后采用水冷的方式较大程度地保留了固溶均匀化后的组织，且具有细化晶粒作用。

由图6(a)、图6(d)两图可以看出，1200℃固溶处理后的组织中晶粒比1230℃固溶处理后的晶粒更加细小、均匀，这说明温度升高，晶粒发生了长大现象；由图6(b)、图6(e)两图可以看出，1230℃固溶处理后的组织中碳化物分布相对均匀，离散程度更大，而1200℃固溶处理后的组织中碳化物存在个别聚集现象。这与温度越高，碳化物固溶程度越好具有一致性；由图6(c)、图6(f)两图可以看出，通过固溶热处理，大量的碳化物溶解到合金基体中，可起到固溶强化的作用，同时看到析出的碳化物呈细小颗粒状、链状分布，起到钉扎作用，可有效阻止晶粒的长大。

⑵不同固溶温度下的力学性能。

对环件分别在1200℃、1230℃进行固溶处理，保温80min后水冷。固溶处理后力学性能数据见表5。

表5 GH3230 在不同固溶温度下的性能数据

由性能数据可以看出，采用1200℃固溶处理后的室温拉伸强度数据结果虽然低于1230℃的数据，但其数据波动较小，相对稳定；同时，采用1200℃固溶处理后的高温拉伸、高温持久数据结果均波动较小，相对较稳定；故若采用本文所述的锻造工艺参数进行环件轧制后，推荐选用1200℃进行固溶处理，可改善镍基高温合金GH3230 的显微组织，提高其综合力学性能。

这也进一步说明，采用与锻造工艺匹配的合适的热处理工艺参数，对GH3230 高温合金环件的产品质量稳定性有重要的作用。

结论

⑴高温合金GH3230 环件采用较高的锻造变形温度，同时匹配相对较低的应变速率，在降低锻造变形抗力，满足设备吨位限制的情况下，仍能符合动态再结晶的条件，可获得均匀细小的热加工等轴组织。

⑵高温合金GH3230 通过锻造得到均匀细小的等轴组织，为热处理提供了组织准备，采用合适的热处理工艺参数，即在1200℃下进行固溶处理，可改善GH3230 合金中碳化物的形貌、大小、分布等，获得组织均匀、综合性能优良的环件产品。