阅读说明：本技术 GH4720Li合金盘件锻后控温冷却方法和应用 (Temperature-controlled cooling method for GH4720Li alloy disc part after forging and application ) 是由 史玉亭 曲敬龙 杜金辉 孟令胜 安腾 谷雨 毕中南 秦鹤勇 于 2020-07-31 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种GH4720Li合金盘件锻后控温冷却方法和应用,涉及镍基高温合金加工领域,GH4720Li合金盘件锻后控温冷却方法包括以下步骤：将等温模锻得到的GH4720Li合金盘锻件进行空冷,空冷至650℃-800℃,冷却时间为10-20min；对空冷后的GH4720Li合金盘锻件以0.005-0.015℃/s的冷速冷却至室温。GH4720Li合金盘件在锻后冷却过程中使用该控温冷却方法,可获得晶粒度细小(晶粒度8级或更细)、γ′强化相分布均匀的组织。(The invention provides a post-forging temperature-control cooling method and application of a GH4720Li alloy disc, and relates to the field of nickel-based high-temperature alloy processing, wherein the post-forging temperature-control cooling method of the GH4720Li alloy disc comprises the following steps: air-cooling the GH4720Li alloy disc forging obtained by isothermal die forging to 650-800 ℃ for 10-20 min; and cooling the GH4720Li alloy disc forging subjected to air cooling to room temperature at a cooling speed of 0.005-0.015 ℃/s. The GH4720Li alloy disk can obtain a structure with fine grain size (grain size is 8-grade or smaller) and uniform gamma' strengthening phase distribution by using the temperature-controlled cooling method in the cooling process after forging.)

GH4720Li合金盘件锻后控温冷却方法和应用

技术领域

本发明涉及镍基高温合金加工技术领域，尤其是涉及一种GH4720Li合金盘件锻后控温冷却方法和应用。

背景技术

作为一种典型的难变形高温合金，由于GH4720Li合金化程度较高，热塑性差且对热加工温度极为敏感，盘锻件锻造和冷却过程中温度的变化和残余应力的分布也较为复杂。盘锻件心部与边缘残余应力差大会造成锻后冷却过程中的锻件开裂，后续加工中的变形，以及零件服役疲劳寿命的降低。锻造过程中还要求在保证成形尺寸、不开裂的基础上，实现晶粒细小、γ′强化相均匀分布的组织。这就要求在锻造和锻后冷却过程中，针对组织演变过程和残余应力分布设定严格的控温工艺及参数。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种GH4720Li合金盘件锻后控温冷却方法，GH4720Li合金盘件在锻后冷却过程中使用该控温冷却方法，可保证盘锻件不开裂的前提下，获得晶粒度细小(晶粒度8级或更细)、γ′强化相均匀的组织。

本发明提供的GH4720Li合金盘件锻后控温冷却方法，包括以下步骤：

将等温模锻得到的GH4720Li合金盘锻件进行空冷，空冷至650℃-800℃，冷却时间为10-20min；

对空冷后的GH4720Li合金盘锻件以0.005-0.015℃/s的冷速冷却至室温。

进一步地，对空冷后的GH4720Li合金盘锻件以0.01℃/s的冷速冷却至室温。

进一步地，在空冷后的GH4720Li合金盘锻件表面设置第二包套，以便于对空冷后的GH4720Li合金盘锻件以0.005-0.015℃/s的冷速冷却至室温。

进一步地，所述第二包套包括保温棉。

进一步地，所述保温棉包括耐火硅酸铝纤维；

优选地，保温棉的厚度应与降温速率相匹配，可使用一层或多层保温棉。

进一步地，将棒坯或盘坯等温模锻得到GH4720Li合金盘锻件；

优选地，所述棒坯或盘坯等温锻造前封闭锻造场地。

进一步地，所述棒坯或盘坯由高温炉转移至液压锻造机，对棒坯或盘坯进行等温模锻工序得到GH4720Li合金盘锻件。

进一步地，空冷至680℃-770℃；

优选地，空冷至750℃；

优选地，空冷时间为15min。

进一步地，所述棒坯或盘坯由高温炉转移至液压锻造机时，转移过程中所述GH4720Li合金棒坯或盘坯表面包裹有第一包套，棒坯或盘坯经锻造过程得到的盘锻件在空冷结束后去除所述第一包套。

一种前面所述的GH4720Li合金盘件锻后控温冷却方法在GH4720Li高温合金盘锻件制备中的应用。

与现有技术相比，本发明至少可以取得以下有益效果：

GH4720Li合金盘件在锻后控温冷却过程中使用该冷却方法，可保证获得晶粒度细小(晶粒度8级或更细)、γ′强化相均匀的组织；本发明在等温模锻过程中采用两次包套工艺，并配合两种冷却速率得到的GH4720Li盘锻件，0.005-0.015℃/s其内部残余应力值较小，残余应力分布较为均匀，可避免由于冷速过快导致盘体变形开裂，实现了对盘锻件组织和残余应力的稳定控制。另外，该锻后控温冷却方法操作过程简单，对设备条件要求低，可在GH4720Li合金盘锻件批产中实现。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1a为本发明实施例1制得的GH4720Li合金盘锻件成品图；

图1b为本发明实施例1制得的GH4720Li合金盘锻件金相组织图；

图2为本发明对比例1制得的GH4720Li合金盘锻件成品。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

在本发明的一个方面，本发明提供了一种GH4720Li合金盘件锻后控温冷却方法，该GH4720Li合金盘件锻后控温冷却方法包括以下步骤：

将等温模锻得到的GH4720Li合金盘锻件进行空冷，空冷至650℃-800℃(例如可以为650℃、700℃、750或者800℃等)，时间为10-20min(例如可以为10min、15min或者20min等)；

对空冷后的GH4720Li合金盘锻件以0.005-0.015℃/s(例如可以为0.015℃/s、0.01℃/s或者0.005℃/s等)的冷速冷却至室温。

GH4720Li合金盘件在锻后冷却过程中使用该控温冷却方法，可保证获得晶粒度细小(晶粒度8级或更细)、γ′强化相分布均匀的组织；将GH4720Li合金盘锻件以0.005-0.015℃/s的冷速冷却至室温，其内部残余应力值较小，残余应力分布均匀，可避免由于冷速过快导致盘体变形开裂，实现了对盘锻件组织和残余应力的稳定控制。另外，该锻后控温冷却方法操作过程简单，对设备条件要求低，可在GH4720Li合金盘锻件批产中实现。

冷却第一阶段空冷的目的是，以较快的冷却速度控制冷却过程中的γ′析出的相分布，钉扎并固定变形组织，防止晶粒过度长大；可以使用红外测温仪对冷却温度进行监控，记录降温过程温度及时间。

若空冷后的温度低于650℃时，易造成盘锻件心部与边缘温差较大，残余应力差值较高，盘锻件变形开裂；若空冷后的温度高于800℃时，则γ′相析出不充分，钉扎固定变形组织的能力不足，晶粒长大。若第二阶段控温冷却过程中GH4720Li合金盘锻件的冷却速度高于0.015℃/s时，由于GH4720Li盘锻件对温降极为敏感，锻后的冷却速度过快，其内部残余应力值较大，残余应力分布不均匀，则易造成盘锻件变形甚至开裂，影响成品尺寸和成品率。

第二阶段控温冷却过程中GH4720Li合金盘锻件的冷却速度越慢，其残余应力值越小，残余应力分布越均匀。冷却过程中棉冷过程的目的是平衡热应力和组织应力，降低盘锻件内部残余应力值，避免变形开裂。

需要说明的是，本发明中，室温是一般意义上的温度，指20-25℃。本发明中第一阶段空冷和第二阶段控温冷却至室温均是在室温环境中进行。

在本发明的一些优选实施方式中，对空冷(第一阶段)后的GH4720Li合金盘锻件以0.01℃/s的冷速冷却至室温。

在本发明的一些实施方式中，在空冷后的GH4720Li合金盘锻件表面设置第二包套，以便于对空冷后的GH4720Li合金盘锻件以0.005-0.015℃/s的冷速冷却至室温。由此，操作简单、方便，易于将对空冷后的GH4720Li合金盘锻件的冷却速度控制在0.015℃/s以内。

在本发明的一些实施方式中，所述第二包套包括保温棉。通过空冷结合在盘锻件表面设置保温棉的控温冷却方式，有效防止因GH4720Li合金盘锻件因温降不均匀而导致的较大梯度残余应力分布，致使盘锻件变形、开裂，并且得到的晶粒度细小且的γ′强化相均匀的组织，实现了对GH4720Li合金盘锻件组织和性能的稳定性控制。

在本发明的一些实施方式中，将空冷后的GH4720Li合金盘锻件利用保温棉进行包套，可使用一层或多层保温棉进行包套，保证在棉冷过程中GH4720Li合金盘锻件完全处于保温棉中，且包裹均匀，不与外部空气直接接触。

在本发明的一些实施方式中，所述保温棉包括耐火硅酸铝纤维；保温棉的厚度应与降温速率相匹配，可使用一层或多层保温棉。

在本发明的一些实施方式中，将棒坯或盘坯等温模锻得到GH4720Li合金盘锻件；优选地，所述棒坯或盘坯等温锻造前封闭锻造场地，例如将锻造场地内所有门窗关闭。由此，可以避免由于室内外温差、风速对锻造过程和冷却过程温度的影响。

在本发明的一些实施方式中，所述棒坯或盘坯由高温炉转移至液压锻造机，对棒坯或盘坯进行等温锻造工序得到GH4720Li合金盘锻件。

在本发明的一些实施方式中，空冷至680℃-770℃；优选地，空冷至750℃；优选地，空冷时间为15min。

进一步地，所述棒坯或盘坯由高温炉转移至液压锻造机时，转移过程中所述GH4720Li合金盘锻件表面包裹有第一包套，棒坯或盘坯经锻造过程得到的盘锻件在空冷结束后去除所述第一包套，在一些具体实施方式中，转移过程中所述GH4720Li合金盘锻件表面附着有等温锻造过程中压紧的保温棉，在空冷结束后去除所有残留保温棉。

在本发明的一些实施例中，所述GH4720Li合金盘锻件在冷却区域进行空冷。在冷却区域进行空冷，需尽量使GH4720Li合金盘锻件的所有表面与空气均匀接触，冷却速率相同，保证GH4720Li合金盘锻件各部位同步冷却。在冷却区域中，利用红外测温仪对GH4720Li合金盘锻件的终锻温度进行测量并记录，同时对GH4720Li合金盘锻件的尺寸进行测量并记录。

在本发明的一些具体实施方式中，GH4720Li合金盘件锻后控温冷却方法包括以下步骤：

1)GH4720Li合金棒坯或盘坯等温锻造前将锻造场地内所有门窗关闭。避免温差对锻造过程和冷却过程的影响；

2)将GH4720Li合金棒坯或盘坯由高温炉转移至液压锻造机，对GH4720Li合金棒坯或盘坯进行等温锻造工序得到GH4720Li合金盘锻件；

转移过程中需对棒坯或盘坯使用保温棉进行第一次包套；

3)将等温锻造得到的GH4720Li合金盘锻件从液压锻造机转移到冷却区域进行空冷，可利用耐热砖将GH4720Li合金盘锻件与地面隔绝，将盘锻件架起不与地面接触，以尽量保证全部表面与空气接触，冷却速率相同，冷却效果均匀；

4)利用红外测温仪对GH4720Li合金盘锻件的终锻温度进行测量并记录；

5)将GH4720Li合金盘锻件空冷至680℃-770℃，时间为10-20min；空冷的目的是，以较快的冷却速度控制冷却过程中的γ′析出的相分布，钉扎并固定变形组织，防止晶粒过度长大；使用红外测温仪对冷却温度进行监控，记录降温过程温度及时间；

6)将空冷后的GH4720Li合金盘锻件使用耐火硅酸铝纤维保温棉进行包套，并继续在保温棉内冷却至室温；包套可使用一层或多层保温棉，将GH4720Li合金盘锻件快速转移至保温棉上进行包套，保证在棉冷过程中GH4720Li合金盘锻件完全处于保温棉中，包裹均匀，不接触外部空气；保温棉的厚度根据实际情况和降温速率决定，可使用一层或多层；包套后对GH4720Li合金盘锻件的冷却速率0.005-0.015℃/s；冷却过程中棉冷过程的目的是平衡热应力和组织应力，降低盘锻件内部残余应力值，避免变形开裂；

7)将冷却后的GH4720Li合金盘锻件从保温棉中取出，并对盘锻件进行入厂检验及记录后，进行后续工序。

在本发明的另一方面，本发明提供了一种前面所述的GH4720Li合金盘件锻后控温冷却方法在GH4720Li高温合金盘锻件制备中的应用。

下面结合具体实施方式，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例

实施例1

GH4720Li合金盘件锻后控温冷却方法具体步骤如下：

步骤一：GH4720Li合金盘件锻造

GH4720Li合金棒坯等温锻造前将锻造场地内所有门窗关闭。避免温差对锻造过程和冷却过程的影响；将GH4720Li合金棒坯由高温炉转移至液压锻造机，对GH4720Li合金棒坯进行等温锻造工序得到GH4720Li合金盘锻件；转移过程中需对棒坯使用保温棉进行第一次包套；

步骤二：锻后转移GH4720Li合金盘锻件

将等温锻造得到的GH4720Li合金盘锻件从液压锻造机中快速转移到冷却区域，使用红外测温仪对GH4720Li合金盘锻件的终锻温度进行测量并记录：

步骤三：空冷

GH4720Li合金盘锻件利用耐热砖将盘锻件架起与地面隔绝，在冷却区进行空冷至750℃，使用红外测温仪对温度进行监控；

步骤四：包套

将空冷后的GH4720Li合金盘锻件使用一层(厚度为15mm)耐火硅酸铝纤维保温棉进行包套，保证在棉冷过程中GH4720Li合金盘锻件完全处于保温棉中，且包裹均匀，不接触外部空气；

步骤五：保温棉内冷却

以0.01℃/s的冷却速度，继续在保温棉内冷却至室温；

将冷却到达室温的盘锻件从保温棉中取出，对盘锻件进行入厂检验及记录后，进行后续工序。

将上述锻后包套冷却方法得到的盘锻件表面机加工后进行超声波检测及表面腐蚀检测，未发现表面裂纹及微观组织缺陷，因此判定产品合格，可进行下一步工序。

另外，上述锻后包套冷却方法得到的GH4720Li合金盘锻件成品及金相组织分别如图1a和图1b所示，其盘锻件表面质量较好，未发现开裂现象。

实施例2

GH4720Li合金盘件锻后控温冷却方法同实施例1，不同之处在于步骤三中空冷至650℃。

实施例3

GH4720Li合金盘件锻后控温冷却方法同实施例1，不同之处在于步骤三中空冷至800℃。

实施例4

GH4720Li合金盘件锻后控温冷却方法同实施例1，不同之处在于步骤三中空冷至770℃。

实施例5

GH4720Li合金盘件锻后控温冷却方法同实施例1，不同之处在于步骤三中空冷至680℃。

对比例1

GH4720Li合金盘件锻后控温冷却方法同实施例1，不同之处在于GH4720Li合金盘锻件锻后直接由空冷至室温。

该冷却方法得到的GH4720Li合金盘锻件外观如图2所示，GH4720Li合金盘锻件表面发现开裂现象。

对比例2

GH4720Li合金盘件锻后控温冷却方法同实施例1，不同之处在于步骤五以0.1℃/s的冷却速度，继续在保温棉内冷却至室温。

对比例3

GH4720Li合金盘件锻后控温冷却方法同实施例1，不同之处在于步骤三中空冷至600℃。

对比例4

GH4720Li合金盘件锻后控温冷却方法同实施例1，不同之处在于步骤三中空冷至850℃。

实施例1-5以及对比例1-4的GH4720Li合金盘件锻后控温冷却方法得到的盘锻件的性能见下表1：

表1

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。