高温镍基合金的特点及锻造工艺

高温镍基合金的特点及锻造工艺

茅新阶

上海新闵重型锻造有限公司

摘要：高温镍基合金材料具有较高的室温强度和高温强度、良好的抗氧化性、抗热腐蚀性、优异的蠕变与抗疲劳抗力以及良好的组织稳定性和使用的可靠性，然而高温镍基合金又具有变形抗力大锻造变形困难、锻造温度窄的特点，通过制定合适的锻造工艺圆满地解决锻造难点，充分发挥材料特点。

关键词：强度、抗氧化性、抗腐蚀性、组织温定性、可靠性、变形抗力、锻造

我国目前正处于由制造大国向制造强国转变的关键时期，各设备制造企业对材料的要求越来越高。由于高温镍基材料具有高温强度高、抗氧化性抗热腐蚀性优越及抗蠕变与抗疲劳抗力强等优点而广泛地应用于航空发动机、燃气轮机的热锻部件和核电机组的蒸汽发生器等使用温度高、载荷受力大、抗腐蚀要求强等关键部位，但是高温镍基材料具有变形抗力大、锻造变形困难、锻造温度区间狭窄等难题。

本文通过对高温镍基合金的特点并结合蒸汽发生器用限制限流器镍基材料（NC30Fe）的制造经验从锻造温度的控制、锻造变形量的控制等方面出发为解决镍-铬-铁合金薄壁管锻件锻造时出现的表面裂纹、裂缝、粗晶、混晶的缺陷提供解决方案。

目前使用的高温镍基合金的原材料大多采用电炉冶炼+炉外精炼+电渣重熔工艺。一次熔炼是为了获得所要的合金成分，但是合金锭在凝固过程中容易产生各种缺陷，大气熔炼和浇注的主要缺点是合金成分由于烧损而不易控制，且合金的气体和夹杂物含量较高，在浇注过程中还会发生二次氧化，因而合金的质量和稳定性较差且不稳定；大气熔炼的合金经过真空精炼后可以显著降低合金中气体和夹杂物的含量，提高性能稳定性；重熔的主要目的是一方面对合金进行进一步精炼，降低气体和夹杂物的含量，另一方面通过重熔的特殊结晶过程获得成分均匀、组织致密、无冶金缺陷的合金锭。

由于镍基材料的组织特点决定了该材料有以下制造特性：

1.锻造温度窄，一般情况下的锻造温度范围仅约150℃（1050℃-900℃），且容易产生表面裂纹，严重时会使产品报废。

2.易产生粗晶、混晶现象。钢锭中的原始铸态组织，经过高温大变形以后，内部疏松、孔隙已被压合、粗大晶粒被打碎、偏析组织被打碎、夹杂物被分散。但是，如果终锻温度太高，晶粒会长大、合并，造成粗晶、混晶。

现就限制限流器（NC30Fe）的锻造工艺做如下分析。

1.锻件尺寸（见下图），锻件重量245Kg，工艺重量270Kg

2.选用的合金锭规格：φ500电渣锭，约3200Kg

3.锻造设备：8t电液锤、3t电液锤

4.锻造工艺

第一火次钢锭出炉后在8t电液锤，轻拍钢锭，切忌重锤击打，始锻温度≥1050℃，终锻温度≥950℃。

第二火次；继续轻拍钢锭，锤击力较第一火略微加大，锻成约

□400*L，始锻温度≥1080℃，终锻温度≥950℃。

第三、四火次；拔长锻成280*350*L（约3760），始锻温度≥1080℃，终锻温度≥950℃，锻后水冷。

锯料：水冷后锯头6%，锯尾9%，打磨锻件表面后锯料280*350*330

第五火次锻坯出炉后在3t电液锤，倒小园角，轻拍锻坯，始锻温度≥1050℃，终锻温度≥950℃

第六火次；轻击锻坯，拔长至≥600。始锻温度≥1080℃，终锻温度≥950℃

第七火次；镦粗高至≤300，拔长至≥600，镦粗、滚圆、冲孔、扩孔成：φ360±10*φ110±10*320±10，始锻温度≥1100℃，终锻温度≥900℃

第8火次；芯棒拔长至：φ260±10*φ110±10*680±10，放入胎模插入冲头成形，出模，镦平端面，修正尺寸，始锻温度≥1120℃，终锻温度≥850℃，锻后水冷。

工艺总结

1.锻造出坯阶段由于合金锭的原始晶粒粗大、不均匀，抗变形能力特别弱，所以必须做到多火次、小变形量，而且注意控制锻造温度的区间，一般保持在1050℃-950℃件，切忌高温、大变形量。

2.在锻造成型前必须做足锻造比，经过两次以上的镦粗-拔长过程，将锻件原始组织中的气体和夹杂物等缺陷打碎或消除，使锻件的晶粒得到彻底细化和均匀。

3.锻件成型阶段由于需关注锻件的晶粒度和机械性能，而且锻件已经过前面多火次的变形而使晶粒得到了一定细化并均匀性也有较大提高，所以最后一火的变形量必须充分，以进一步打碎、细化晶粒。

4.为了保证成型火次锻件得到足够大的锻造变形量，采用胎模锻的方式能使锻件多面受力，变形效果更明显，因而能更好地达到这一目的。

5.锻后冷却的控制，锻造结束时锻件的表面温度虽已下降至850℃左右，但锻件的中心温度仍较高，还会存在晶粒长粗的倾向，因此锻造结束后应迅速地进行浸水冷却，防止因温度较高而造成的晶粒长大，以保证锻件的原始晶粒度＞5级。

理化结果

结语

制定好合理有效的锻造工艺完全可以解决高温镍基合金锻造变形困难、锻件表面易开裂、易产生粗晶、混晶缺陷的问题，充分发挥高温镍基合金室温强度和高温强度、良好的抗氧化性、抗热腐蚀性、优异的蠕变与抗疲劳抗力以及良好的组织稳定性和使用的可靠性的优点，从而制造出优良的产品设备。

参考文献：

［1］谢锡善，董建新，胡尧和等铁镍基高温耐蚀合金的研究与发展世界钢铁

［2］任大年金属属性成型原理北京：机械工业出版社