VIM+PESR+VAR三联工艺GH4720Li合金的冶金质量
摘 要：介绍了宝钢VIM+PESR+VAR三联工艺GH4720Li合金Φ508mm锭的冶金效果和实物质量。VIM+PESR工艺的电极无缩孔、纯净、组织致密；VAR的工艺稳定性良好。三联工艺 GH4720L1合金的S含量仅几个*10-6，对合金的锻造开坯非常有利。试验摸索合金的均匀化处理工艺。试验结果表明，合金锭经均匀化处理后，热加工塑性明显提高。三联工艺GH4720Li合金棒材具有良好的综合力学性能。
关键词：GH4720Li合金；组织；拉伸性能；持久性能
1 前言
GH4720 Li合金是Ni-Cr-Co基沉淀硬化型变形高温合金，使用温度在750℃以下。合金具有较高的高温强度、抗疲劳和抗蠕变性能，以及长期的组织稳定性。
GH4720Li的合金化程度非常高，尤其是析出强化元素Al、Ti含量之和高达7.5%，γ’强化相的体积分数超过40%。由于合金铸锭热塑性差，变形时易产生裂纹，因而它也是最典型的难变形高温合金。国际上通常采用VIM+ESR+VAR三联工艺冶炼GH4720Li合金。
高温合金通常采用VIM+ESR或VIM+VAR工艺冶炼。采用VIM+PESR工艺冶炼时，选择具有良好的脱S效果的渣系，可以提高合金的纯净度。若采用VIM+VAR工艺冶炼，则可以降低合金的气体含量；避免渣皮对散热的不利影响，加之He气辅助冷却，可形成较浅的熔池，冶金质量也比较好，但是双真空工艺的脱S效果不好。
因此，采用VIM+PESR+VAR三联工艺冶炼GH4720Li合金，可综合利用PESR和VAR重熔的优点。宝钢采用VIM+PESR+VAR三联工艺冶炼的GH4720Li合金铸锭，低倍组织无宏观偏析；采用均匀化扩散退火的方法降低并控制合金的微观偏析，以提高铸锭的热塑性，从而改善合金的热加工性能。本文简要介绍宝钢特钢有限公司采用。VIM+PESR+VAR三联工艺冶炼GH4720Li合金的实物质量和冶金效果，以及试验锻制Φ150mm棒材的组织与性能。
2 试验材料及方法
GH4720Li合金的VIM冶炼在宝钢特钢有限公司的6.0t炉进行，PESR在5.0t氩气保护电渣炉进行，VAR重熔在具有熔滴控制、He气辅助冷却和计算机自动控制功能的8.0t炉完成，锭型为Φ508mm。
在自耗锭头部切取300mm试验料，分析研究铸态组织特征，并试验摸索均匀化处理工艺。
VIM+PESR+VAR三联工艺GH4720Li合金锭在2000t快锻机上进行锻造工艺试验，锻制成Φ150mm棒材；并在棒材的上取样进行相关组织和力学性能的检验和测试。
棒材固溶处理工艺：(1110±5)℃保温4h，油冷。
棒材时效处理工艺：(650±5)℃*24h空冷，(760+5)℃*16h空冷。
3 试验结果及分析
3.1 三联工艺冶炼效果
表1为三联冶炼工艺GH4720Li合金的主要化学成分。GH4720Li合金的VAR工艺曲线和自耗锭表面照片见图1。
表1 GH4720Li合金Φ508mm铸锭化学成分
元素 | C | Mn | Si | Cr | Mo | Al | Ti |
含量 | 0.020 | 0.004 | 0.034 | 16.04 | 2.89 | 2.60 | 4.80 |
标准 | 0.01-0.02 | ≤0.15 | ≤0.2 | 15.5-16.5 | 2.75-3.25 | 2.25-2.75 | 4.75-5.25 |
元素 | Co | W | B | S | P | Fe | Ni |
含量 | 14.42 | 1.27 | 0.015 | 0.0005 | ﹤0.005 | 0.20 | 57.49 |
标准 | 14.0-15.5 | 1.00-1.50 | 0.01-0.02 | ≤0.002 | ≤0.015 | ≤0.5 | 基 |
图1给出的VIM+PESR+VAR三联工艺GH4720Li合金稳态冶炼曲线。VAR过程中，熔化电流、电压、熔速和熔滴以及电极驱动等参数波动极小，过程控制相当稳定。
由于VIM+PESR工艺制作的电极无缩孔、组织致密，加之经过熔渣的对氧化物的有效吸附和碱性渣料的脱硫作用，提高了电极的纯净度，从而有效提高VIM+PESR +VAR三联工艺冶炼过程的稳定性。同时，自耗锭表面整体较洁净，只有少量的渣状挥发物等痕迹附着。
3.2 铸态组织分析
在自耗锭头部切取25*508*300mm试验料，加工制备纵低倍组织试片。VIM+PESR+VAR三联冶炼的GH4720Li合金Φ508锭头部纵低倍组织如图2所示，由图可以看出，铸锭头部低倍组织致密、无宏观偏析；为典型的柱状晶组织。
在铸锭低倍试片的1/2R处切取试样，进行高倍组织分析。图3给出了GH4720Li合金铸锭均匀化扩散退火处理前后的典型高倍组织形貌。
3.3 锻棒组织
铸锭经均匀化处理后，在2000t快锻机进行锻造开坯并锻制成Φ150mm锻棒。锻棒低倍组织比较均匀。
GH4720Li合金经标准热处理后的组织主要有γ基体、γ’相、MC和M23C6碳化物和M，B2硼化物等。VIM+PESR+VAR三联工艺冶炼的GH4720Li合金Φ150mm棒材中心、1/2R、近边缘处固溶态的显微组织和固溶+时效态的显微组织如图4和图5所示。综合图4和图5可以看出，除近边缘处存在部分拉长未再结晶组织，基本为再结晶组织。
3.4 拉伸性能
VIM+PESR+VAR三联工艺GH4720Li合金棒材固溶+时效态的室温拉伸性能和650℃拉伸性能如表2所示，抗拉强度σb、屈服强度σ0.2、伸长率δ5，和断面收缩率吟均能满足标准要求。
表2 GH4720Li合金锻棒的拉伸性能
规格/mm | 试验温度/℃ | Rm/MPa | σ0.2/MPa | A/% | Z/% |
Φ150 | 20 | 1585 | 1220 | 18.5 | 19.0 |
Φ150 | 20 | 1610 | 1238 | 18.0 | 17.0 |
标准 | 20 | ≥1530 | ≥1100 | ≥9.0 | ≥10.0 |
Φ150 | 650 | 1450 | 1150 | 24.0 | 33.5 |
Φ150 | 650 | 1460 | 1150 | 30.5 | 35.5 |
标准 | 650 | ≥1350 | ≥1025 | ≥10.0 | ≥10.0 |
3.5 持久性能
VIM+PESR+VAR三联工艺GH4720Li合金棒材固溶+时效态的680℃、830MPa和730℃、530MPa持久性能检测数据见表3。检测结果表明，持久断裂时间和伸长率均满足标准要求。
表3 GH4720Li合金锻棒高温持久性能
规格/mm | 试验温度/℃ | 加载应力σ/Mpa | τ/h | A/% | Z/% |
Φ150 | 680 | 830 | 209:41 | 11.0 | 21.0 |
Φ150 | 680 | 830 | 261:32 | 11.0 | 32.0 |
标准 | 680 | 830 | ≥30 | ≥4 | - |
Φ150 | 730 | 530 | 166:28 | 32.0 | 52.0 |
Φ150 | 730 | 530 | 167:11 | 28.0 | 52.0 |
标准 | 730 | 530 | ≥;30 | ≥4 | - |
4 结论
(1)采用VIM+PESR+VAR三联工艺冶炼的GH4720Li合金锭，工艺稳定；可有效降低S含量，有利于铸锭热塑性的提高。
(2)试制棒材的横向低倍组织比较均匀，边缘部位存在部分拉长的未再结晶组织。
(3)VIM+PESR+VAR三联工艺GH4720合金棒材力学性能满足试制标准要求。
