重型燃机GH4706合金超大型涡轮盘制备工艺的优化与实施

摘 要：地面重型燃机用高温合金涡轮盘重量达到6t，直径超过2000mm，是规格最大的高温合金锻件。采用三联工艺熔炼了10t的GH4706合金自耗锭，通过引入镦拔工艺和先进温度控制技术，在快锻机上实现了铸态组织破碎与细晶棒坯制备。应用数值模拟技术对涡轮盘模锻成型工艺进行优化，从而最大限度地利用设备载荷提升锻件组织性能，在8万吨油压机上成功实现了模锻成型，盘上组织性能全面达到技术指标的要求。

关键词：GH4706合金；涡轮盘；三联冶炼；反复镦拔开坯；模锻成型

引言

重型燃机是21世纪乃至更长时期内能源高效转换与洁净利用系统的核心动力装备。20世纪以来，我国“以市场换技术”引进当代E/F级燃机技术，以期消化吸收再创新，取得了一定成效。但是，外方坚持不转让燃机设计、关键部件制备等技术，制约了我国燃机工业的进一步发展。

GH4706（美IN706）合金超大型涡轮盘是当代E/F级燃机的核心热端转动部件，锻件直径超过2000mm、质量达6t，是亟待解决国产化的最关键部件之一。GH4706合金是一种γ’相与γ”相强化的Fe-Ni基变形高温合金，具有力学性能优异、可锻性良好、变形强度适中、可制备大锭型、成本相对低廉等优点，因而适合于制备超大型涡轮盘锻件。

近年来，我国在燃机涡轮盘制造领域取得了一定的进展，实现了某型号舰用燃机直径1200mm的大型GH4698涡轮盘锻件国产化生产，还采用我国特色的分区锻造工艺制备出了R0110重型燃机直径2100mm的GH2674涡轮盘。无疑，上述成就推动了我国大型变形高温合金涡轮盘领域跨越式的发展，达到了世界先进的水平。但是，如何立足国内采用国际主流工艺制备直径2000mm以上的变形高温合金涡轮盘锻件仍是一项严峻的考验。

1 大锭型的三联冶炼

高温合金大锭型制备是限制超大型GH4706合金涡轮盘锻件国产化的最关键瓶颈问题之一。考虑到材料损耗与铸锭高径比限制，为了制备超大型GH4706合金涡轮盘锻件，所需铸锭的投料量超过10t，直径超过900mm。高牌号高温合金的锭型受限，究其根本原因是传统真空感应(VIM)+自耗重熔(VAR)双真空冶炼工艺中，VIM制备自耗电极存在一个临界尺寸，当超过这个尺寸后电极质量大幅降低，直接影响自耗锭质量。

为了突破这一临界尺寸，美国发展出了VIM+（电渣重熔）ESR+VAR三联冶炼工艺，通过增加ESR环节以改善大规格VAR电极质量：一方面ESR可以消除VIM锭型扩大后因热传导受限形成的微裂纹、缩孔等冶金缺陷；另一方面ESR通过熔渣滤洗功能起到洁净化的作用，进而改善合金性能。然而，传统的VIM+ ESR双联冶炼工艺易发生Al、Ti 元素的烧损问题，故仅适合于制备不含Al、Ti的高温合金。对于GH4706、GH4619等含Al、Ti的合金，国内尚未完全掌握其ESR技术，仅在试制GH4169合金航空盘的Φ660mm锭型时开展过初步探索。此外，ESR需要衔接VIM与VAR环节实现三联冶炼，还存在着锭型匹配的关键问题。

针对上述问题，项目组采取了以下工艺优化措施：

(1)利用数值模拟技术调整熔速、局部凝固时间等关键工艺参数。一般认为，金属熔池的存在是电渣重熔过程中冶金反应进行的必要条件，其深度和形状直接影响重熔锭的结晶状态，从而影响钢锭的冶金质量。熔池深度或局部凝固时间的减小能够显著降低铸锭的偏析倾向，进而改善冶金质量。

(2)优化渣系配比、精确控制重熔工艺参数，并适量添加含既的渣料，避免元素烧损，对GH4706合金Φ1100mm全尺寸ESR锭进行头尾五点取样成分分析发现Al、Ti元素几乎无宏观偏析。

(3)采用高温退火处理来改善ESR锭的热塑性，结合数值模拟制定合理的升降温制度，并尽量减小锻造过程的每道次压下量，锻造完成后及时退火以降低热应力，成功将Φ1100mm电渣锭改锻为Φ810mm自耗电极。基于上述工艺优化，项目组打通了国内三联冶炼工艺制备大型高温合金铸锭的工艺路线，成功实现Φ920mm超大型GH4706合金三联铸锭的国产化。

2 大锭型的反复镦拨开坯

超大型高温合金铸锭需要经过开坯实现由铸态组织向变形态组织的转变。为了保证开坯后大规格棒坯的组织性能可控，超大型铸锭通常采用大型快锻机反复镦拔进行开坯。然而，我国用于生产高温合金的专用快锻机吨位普遍不足，最新型的不超过4500t，甚至无法实现直径900mm以上大锭型的镦粗环节，组织性能控制更是无从谈起。

虽然目前国内装备的快锻机吨位最大超过万吨，但是不适合于高温合金的生产，最关键的原因在于工艺不适用性。这是因为高温合金的热加工窗口很窄，最高不超过200℃（当对锻件组织性能要求严格时不超过100℃），对变形温度十分敏感，因而对转移时间、压下速率等工艺参数要求极为严格；钢的热加工窗口通常超过400℃，转移和加载时间普遍很长，故生产传统钢的快锻机在设备配套上不能满足高温合金的生产需求。

鉴于此，项目组采取特殊的工艺措施，通过升级温度控制技术和调整锻前加热制度等方法，来降低对设备配套等硬件设施的要求。为了保证镦粗过程坯料变形的稳定性，制定了“预拔长-打钳把-拔长矫直-第一次镦粗-第一次拔长-第二次镦粗-第二次拔长”的工艺方案。如图1所示，项目组在东北特钢8000t快锻机上成功制备了GH4706合金Φ750mm大规格细晶棒坯，晶粒度为3.0-6.0级。

3 超大型涡轮盘锻件的整体模锻成型

涡轮盘的热加工成型与组织性能控制是其关键的控制因素，二者均很重要、缺一不可，同时二者又互相影响、互相制约，这一特点随着涡轮盘锻件直径的增大而体现的更为突出。为了实现超大型涡轮盘锻件的热加工成型，对现有热加工设备的潜能已挖掘至极限，工艺参数的妥协降低了组织性能的可控性。换言之，涡轮盘锻件的组织性能随着其尺寸的增大而表现出衰减的趋势，原因在于受设备能力的约束热加工工艺参数制定的往往无法兼顾组织性能的最优化控制。

研制直径大于2000mm的高温合金涡轮盘锻件的另一技术关键在于模锻成型过程中的载荷控制，即能否在国内现有最大吨位的锻压机上获得几何尺寸满足要求的模锻件。目前，国内采用一火整体模锻成型、生产成熟度最高的大型高温合金涡轮盘为直径1200mm的GH4698合金锻件，利用的是国内装备最早的3万吨水压机。值得指出，此前国内研制的直径2200mm的GH2674合金涡轮盘锻件利用4000吨快锻机采用局部成型工艺碾压锻制而成，这一方法在组织性能均匀性控制上存在一定问题，不适合于制备涡轮盘等在长期复杂应力环境下工作的转动件。2013年，我国自主设计研制的世界最大的8万吨模锻液压机投入试生产，并试制成功了直径1500mm的GH4738合金涡轮锻件，这为超大型GH4706合金涡轮盘锻件的制备提供了一定的参考经验。但是，实现高温合金涡轮盘锻件的直径由1500mm向2000mm的跨越仍是一项很大的挑战。

项目组的前期研究表明，提高锻前加热温度温度可以降低设备载荷，降低压下速度也能够降低合金的变形抗力，但会延长总的锻压时间加速坯料热量的散失。因此，要获得最低的锻造载荷，最佳的压下制度是变形初期采用较高的压下速度以缩短总锻压时间，当设备载荷饱和后转入恒压变形状态，以最大的发挥设备潜力。鉴于此，项目组构建了GH4706合金的本构关系与显微组织演化规律模型，应用数值模拟技术进行热加工工艺优化，在解决超大型GH4706合金涡轮盘锻件的载荷控制基础上，最大限度的优化锻件组织性能。最终利用高精度的数值模拟技术，充分挖掘我国8万吨油压机的设备潜力，如图2所示实现了直径2000mm以上超大型GH4706合金涡轮盘锻件的国产化，盘件性能达到了美国GE-B50A651标准的要求。

4 结束语

依托国家863项目支持，“大尺寸高温合金结构件材料研制及热加工技术”项目组系统整合国内资源，开展了深入的GH4706合金的基础研究工作，打通了我国高温合金的三联冶炼工艺，制备出直径超过900mm的低偏析、高质量三联铸锭，掌握了大尺寸铸锭反复镦拔开坯与细晶棒大规格材制备工艺，具备了8万吨压力机设备的载荷控制与精确预测技术，实现了直径2000mm以上GH4706合金涡轮盘锻件的锻造成型。