一种采用两段阶梯应变速率工艺细化GH4169合金锻件晶粒组织的方法

摘要

本发明公开了一种采用两段阶梯应变速率工艺细化GH4169合金锻件晶粒组织的方法。该方法包括如下步骤：(1)将固溶态合金锻坯进行预处理，工艺为：将锻坯加热至900℃～940℃，保温20～25小时后淬火；(2)将锻坯加热至变形温度970℃～1010℃，保温至锻坯温度均匀后，采用两阶段阶梯应变速率工艺对坯料施加变形：第一阶段的应变速率为0.01s‑1～0.1s‑1，变形量为20％～35％，第二阶段的应变速率为0.005s‑1～0.001s‑1，两阶段的总变形量为50％～70％；(3)淬火。本发明能够以相对较小的变形量达到细化GH4169合金晶粒组织的目的，为锻件的品质跃升提供了新技术。

说明书

技术领域：

本发明属于锻造技术领域，涉及一种采用两段阶梯应变速率工艺细化GH4169合金锻件晶粒组织的方法。

背景技术：

GH4169合金一种以γ”相(Ni₃Nb)和γ'相(Ni₃AlTi)为强化相的镍基高温合金，其在-253～700℃温度范围内具有良好的综合性能，特别是在650℃以下具有很高的强度、良好的抗疲劳、抗蠕变、抗氧化、耐腐蚀性能。因此，GH4169合金广泛应用于制造各种形状复杂、性能要求特别高的航空、航天零部件。

采用锻造等热变形工艺生产GH4169合金锻件的一种重要目标是细化其初始粗大晶粒组织。在锻造等热变形过程中，动态再结晶机制是晶粒组织细化的最重要的途径。然而，研究表明GH4169合金发生完全的动态再结晶需要足够大的变形量。而当变形量较小时，不完全的动态再结晶会导致出现混晶现象，其严重地影响了材料的力学性能。并且，由于模锻过程中摩擦等不确定因素导致材料变形不均匀，难以保证各部位的应变均超过动态再结晶完全发生所需的最小应变，小变形区将存在混晶现象。因此，急需发明一种新方法，利用该方法能以相对较小的变形达到细化GH4169合金晶粒组织的目的。

2007年8月22日公开的中国发明专利说明书CN101020949A(申请号：200710077668.6)公开了一种GH4169合金等温锻造用细晶的制坯方法，所述的GH4169合金等温锻造用细晶的制坯方法与本发明方法不同，CN101020949A公开的方法需要进行两次镦粗和拔长，最终再进行一次辗轧变形达到细化晶粒的目的，其原理是采用反复大变形细化晶粒。该工艺相当复杂，工序较多，加工成本较高。因此，有必要提出一种能以较低成本就能达到细化GH4169合金锻件晶粒组织目的的方法。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种采用两段阶梯应变速率工艺细化GH4169合金锻件晶粒组织的方法，该方法可以有效地以相对较小变形量细化GH4169合金锻件晶粒组织，解决了现有细化GH4169合金锻件晶粒组织的方法需要大变形的难题。

本发明解决上述难题的方案是：

步骤1：将固溶态GH4169合金锻坯进行预处理，预处理工艺为：将锻坯加热至900℃～940℃保温，保温时间为20小时～25小时，然后淬火；

步骤2：将经过预处理后的GH4169合金锻坯加热至变形温度970℃～1010℃，保温至锻坯温度均匀后，采用两段阶梯应变速率对锻坯施加变形：第一阶段锻坯的应变速率为0.01s^-1～0.1s^-1，第一阶段锻坯的变形量为20％～35％，第二阶段锻坯的应变速率为0.005s^-1～0.001s^-1，锻坯两阶段的总变形量为50％～70％；

步骤3：变形结束后，立即对锻件淬火。

本发明的有益效果为：该方法充分利用了变形—位错—δ相—动态再结晶的相互作用机制，采用应变速率先高后低的两阶段变形，加速了动态再结晶发生速率。其原理为：第一阶段高应变速率变形在锻件内部产生大量的位错，然后突然降低应变速率，使动态再结晶形核部位增加，在相对较小变形量下实现GH4169合金完全动态再结晶，达到晶粒细化的目的。

附图说明：

图1 GH4169合金锻坯的晶粒组织：(a)预处理之前的晶粒组织；(b)经过预处理之后的组织；

图2实施例1的应变速率—应变曲线；

图3实施例1采用两段阶梯应变速率工艺获得的GH4169合金锻件的晶粒组织；

图4实施例1对比实验获得的GH4169合金锻件的晶粒组织：(a)恒应变速率为0.1s^-1；(b)恒应变速率为0.001s^-1；

图5实施例2的应变速率—应变曲线；

图6实施例2采用两段阶梯应变速率工艺获得的GH4169合金锻件的晶粒组织；

图7实施例2对比实验获得的GH4169合金锻件的晶粒组织：(a)恒应变速率为0.01s^-1；(b)恒应变速率为0.001s^-1。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种采用两段阶梯应变速率工艺细化GH4169合金锻件晶粒组织的方法，下面所有实施例中选用的GH4169合金成分如表1，该合金的原始组织为固溶态，其固溶工艺为在固溶温度1040℃，保温45分钟，然后立即淬火，原始晶粒组织如图1(a)所示，初始晶粒尺寸为75μm，需要在锻造变形过程中细化晶粒。

表1本发明实例中所用材料的GH4169合金成分(wt.％)

实施例1

步骤1：将GH4169合金锻坯进行预处理，预处理工艺为：将锻坯加热至900℃保温，保温时间为24小时，然后淬火。GH4169合金锻坯经步骤1的预处理之后的组织如图1(b)所示，通过24小时的预处理，在晶粒内部析出了大量的δ相。

步骤2：将经过预处理后的GH4169合金锻坯加热至变形温度980℃，保温至锻坯温度均匀后，采用两段阶梯应变速率工艺对坯料施加变形：第一阶段锻坯的应变速率为0.1s^-1，第一阶段锻坯的变形量为30％(真应变0.35)；第二阶段锻坯的应变速率为0.001s^-1；锻坯经历两阶段变形后的总变形量为60％(真应变0.92)。实施例1的应变速率与应变的关系如图2所示。

步骤3：变形结束后，立即对锻坯淬火。

对GH4169合金锻件进行金相观察，结果如图3所示。对比图3和图1可知，本发明的方法可以在锻坯的总变形量为60％时实现细化晶粒的目的。为了证明本发明方法的优越性，进行了对比实验，对比实验所选用的变形温度和锻坯的总变形量与本发明实施例1相同，区别在于对比实验以恒应变速率变形。图4(a)所示为以恒应变速率0.1s^-1变形至总变形量60％(真应变0.92)时获得金相组织；图4(b)所示为以恒应变速率0.001s^-1变形至总变形量60％(真应变0.92)时获得金相组织。由图4(a)可知，以恒应变速率0.1s^-1变形至60％的变形量，动态再结晶尚未发生，晶粒未细化。由图4(b)可知，以恒应变速率0.001s^-1变形至60％的变形量，只发生了部分的动态再结晶，金相组织为混晶，未达到晶粒细化效果。因此，对比实验证明了本发明提出的方法具有优越性。

实施例2

步骤1：将GH4169合金锻坯进行预处理，预处理工艺为：将锻坯加热至900℃保温，保温时间为24小时，然后淬火。GH4169合金锻坯经步骤1的预处理之后的组织如图1(b)所示，通过24小时的预处理，在晶粒内部析出了大量的δ相。

步骤2：将经过预处理后的GH4169合金锻坯加热至变形温度980℃，保温至锻坯温度均匀后，采用两段阶梯应变速率工艺对坯料施加变形：第一阶段锻坯的应变速率为0.01s^-1，第一阶段锻坯的变形量为20％(真应变0.22)；第二阶段锻坯的应变速率为0.001s^-1，锻坯经历两阶段变形后的总变形量为50％(真应变0.7)；实施例2的应变速率与应变的关系如图5所示。

步骤3：变形结束后，立即对锻件淬火。

对GH4169合金锻件进行金相观察，结果如图6所示。对比图6和图1可知，本发明的方法可以在锻坯的总变形量为50％时实现细化晶粒的目的。为了证明本发明方法的优越性，进行了对比实验，对比实验所选用的变形温度和锻坯的总变形量与本发明实施例2相同，区别在于对比实验以恒应变速率变形。图7(a)所示为以恒应变速率0.01s^-1变形至总变形量50％(真应变0.7)时获得金相组织；图7(b)所示为以恒应变速率0.001s^-1变形至总变形量50％(真应变0.7)时获得金相组织。由图7(a)可知，以恒应变速率0.01s^-1变形至相同变形量，动态再结晶尚未发生，原始晶粒未细化。由图7(b)可知，以恒应变速率0.001s^-1变形至相同变形量，只发生了部分的动态再结晶，金相组织为混晶，未达到晶粒细化效果。因此，对比实验证明了本发明提出的方法具有优越性。