镍基高温合金LTES700R材料锻造工艺研究

龙正建　刘明松　蒋峥嵘　时冬清(东方汽轮机有限公司，四川618000)



镍基高温合金LTES700R材料锻造工艺研究

龙正建刘明松蒋峥嵘时冬清
(东方汽轮机有限公司，四川618000)

摘要:通过对LTES700R材料锻造加热规范、锻造工艺参数及锻造工艺性能进行试验研究，确定工艺参数为始锻温度1 150℃、终锻温度≥900℃、锻后空冷。试生产检验结果满足规范要求。

关键词:LTES700R;镍基高温合金;锻造工艺;力学性能

镍基高温合金LTES700R是转子备选材料之一。公司以前未锻造过此种高温合金的零件，无现成锻造工艺参数可选用，所以有必要对这种材料进行厂内锻造试验。研究该材料的锻造加热规范、锻造工艺参数及锻造工艺性能，确定该材料的锻造工艺参数。

1　试验研究内容和目的

1．1研究主要内容

(1)以Ø150 mm规格的LTES700R圆钢为锻造对象，研究该材料合适的锻前加热规范和锻造温度。

( 2)研究该材料锻造变形过程、锻后内部组织和锻件力学性能。

( 3)记录试验数据，并对所有原始数据进行分析、总结，确定出锻造工艺参数。1．2试验研究的目的

通过对LTES700R材料进行锻造工艺试验研究，掌握该材料的锻造工艺参数和工艺性能，锻造出合格的试验试板，供后续材料研究使用。

2　试验方案及试验过程

2．1试验方案

由于LTES700R是一种固溶强化的镍基高温合金，在1 000℃以上具有出色的高温强度和氧化能力。公司内没有类似镍基高温合金的锻造经验可借鉴，通过查阅相关规范、资料，初步确定锻造工艺试验方案及试验步骤如下:

( 1)根据规范，LTES700R热加工温度范围为1 205～1 010℃，小变形量锻造可以到900℃。考虑合金元素对始锻温度降低的影响，初步确定该材料始锻温度、终锻温度范围。始锻温度为1 120℃和1 150℃两个温度，终锻温度≥900℃。重点观察不同始锻温度条件下坯料的变形情况，锻后对试样分别进行解剖取样，检测锻件内部组织及晶粒度等，并记录锻造过程中相应操作参数。

( 2)因LTES700R高温下的导热系数比不锈钢低，为保证圆钢心部均热，加热采用三段式加热。延长圆钢在低温段的保温时间，同时为减少

图1　Ø150 mm圆钢加热温度曲线Figure 1　 Heating temperature curve of Ø150 mm round steel

图2　试样尺寸图Figure 2　 Diagram of sample size

金属元素烧损及减少过热危险，缩短圆钢在始锻温度下的停留时间。加热温度曲线见图1。

( 3)锻造试样图见图2。锻造比3．9。因LTES700R高温强度较高，变形抗力大，在实际试验研究中锻造设备选用功率大的30 kN自由锻锤。

( 4)试样锻后冷却方式采用空冷。

( 5)对试样毛坯进行锻后固溶热处理，检测该材料热处理后力学性能及内部组织是否满足相应规范要求。

( 6)通过对LTES700R材料工艺试验的原始数据进行分析、研究，制定出合适的加热规范和锻造工艺参数，掌握该材料的锻造工艺性能，指导LTES700R材料的锻造生产。

2．2试验过程

2．2．1原材料复验

根据材料采购情况，选取Ø150 mm圆钢作为锻造工艺试验对象。LTES700R合金的化学成分(熔炼分析)要求见表1。原材料化学成分、力学性能及晶粒度复验结果分别见表2、表3。低倍照片和金相组织见图3、图4、图5。从中可以看出，原材料中Ti含量偏高，抗拉强度偏低，组织中有混晶现象。

2．2．2锻造试验

根据上述确定的试验方案，为了验证材料始锻温度，分别在1 120℃、1 150℃两个温度下保温进行锻造，每个始锻温度下锻造两件试样。试验过程记录见表4。

2．2．3试样热处理试验

表1　LTES700R合金的化学成分要求(质量分数，%)Table 1　Chemical composition requirements of LTES700R alloy ( mass fraction，%)

表2　原材料化学成分复验结果(质量分数，%)Table 2　Reinspection results of chemical composition of raw materials ( mass fraction，%)

表3　原材料力学性能及晶粒度复验结果( ASME B166)Table 3　Reinspection results of mechanical properties and grain size of raw materials ( ASME B166)

图3　LTES700R原材料的低倍组织Figure 3　Macrostructure of LTES700R raw alloy

图4　原材料未热处理金相组织(×100)Figure 4　 Metallographic structure of raw material without heat treatment(×100)

对锻造后的试样进行热处理，参数见表5。

3　试验结果分析

3．1试样表面质量检测

锻造后的试样实物照片见图6。试样表面平整无缺陷，棱边无裂纹，锻件尺寸均满足工艺尺寸

图5　原材料二次时效后金相组织(×100)Figure 5　 Metallographic structure of raw material after secondary aging(×100)

表4　试验过程记录Table 4　Records during the test

表5　试样热处理工艺参数Table 5　Process parameters of heat treatment for specimens

图6　试样实物照片Figure 6　 Photos of specimen

表6　锻造后锻件的晶粒度Table 6　Grain size after forging

要求。

3．2锻后试样金相及晶粒度检测与分析

图7　改锻后金相组织照片Figure 7　Metallographic photos after changing forging

表7　试样固溶后的力学性能检测结果( ASME B166)Table 7　Test results of mechanical properties after the sample solution ( ASME B166)

通过锻后解剖取样进行试样内部金相组织和晶粒度等级检测与分析，试样晶粒度检测结果见表6，金相组织照片见图7。可以看出，试样锻后金相组织和晶粒度皆能满足规范要求，混晶现象得到有效改善。改锻后，LTES700R合金不容易腐蚀，晶粒内有γ'相析出。

LTES700R改锻后，晶粒度不均匀性得到改善，晶粒内部γ'相析出量增多。

3．3试样热处理后力学性能检测与分析

为了验证锻造试样最终力学性能及组织能否满足相应规范要求，我们对固溶的试样取样进行力学性能检测并进行分析，其结果见表7。固溶后的试样抗拉强度、屈服强度和冲击值均高于理论要求。其原因主要是LTES700R的高温强度比一般金属高得多，采用30 kN自由锻锤锻造时截面充分锻透，对性能参数均有一定改善作用。

3．4材料加热规范及锻造工艺参数的选取

参照LTES700R合金钢棒料加热规范要求，并通过截面尺寸来计算加热时间及保温时间，无过热与过烧现象，证明试验可行。

通过试验分析可以看出，始锻温度1 120℃、

1 150℃下LTES700R合金最终性能及组织皆能满足要求。为了满足该材料锻件规范要求并兼顾生产效率，增大锻造温度区间，我们确定了始锻温度1 150℃、终锻温度≥900℃、锻后空冷的工艺参数。

4　实际试生产

根据以上确定的LTES700R材料的加热规范及相应锻造工艺参数，试制了两件焊接用试板。实际锻造中采用反复镦拔的方法来增加坯料锻造比，从而达到细化晶粒的目的。两件毛坯经检验各项性能及组织皆满足相关规范要求，可以用于焊接工艺评定及其它相关试验。

5　结论

通过工艺试验，研究了影响LTES700R镍基高温合金最终性能及组织的主要因素，并确定了三段式锻前加热规范以及始锻温度1 150℃、终锻温度≥900℃、锻后空冷的工艺参数。

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编辑杜青泉

Research on Forging Process for
Nickel-based Superalloy LTES700R Material

Long Zhengjian，Liu Mingsong，Jiang Zhengrong，Shi Dongqing

Abstract:The heating specification，process parameters and process performance is researched for forging LTES700R material by tests and the process parameters are confirmed that initial forging temperature is 1 150℃and final forging temperature is not less than 900℃and air cooling is adopted after forging．The inspection results of trial production meet the requirements of specification．

Key words:LTES700R; nickel-based superalloy; forging process; mechanical properties

作者简介:龙正建( 1981—)，男，材料加工工程专业硕士，工程师，主要从事锻压技术研究及技术服务。

收稿日期:2014—10—17

文献标志码:B

中图分类号:TG316