高温合金塑性加工(metalforming of high temperature alloys)高温合金在外力作用下发生塑性变形而成为所需形状、尺寸和性能的加工材的 金属塑性加工过程。

        大多数高温合金都采用热加工成 形。固溶强化型或弱沉淀强化型的高温合金，其成形过 程的前部工序，如合金锭的开坯和各种坯料的制备，也 都是用热加工来完成的，而后部工序则用冷加工成形。

      高温合金的热加工高温合金中加入的大量多种 合金化元素，在使合金强化的同时也带来了下列特征: (l)塑性较低;(2)热加工温度的范围较窄，合金锭一 般为2。。℃左右，但有的只有70一80℃;(3)高温下变 形抗力较大，比普通结构钢大到3一5倍;(4)再结晶 速度低，变形过程中抗力增加，加工硬化较大，塑性降 低，因而不利于高速变形。 高温合金的热加工性可以通过调整化学成分、改 善冶炼和热处理工艺得到改善。

         (l)采用特殊冶炼方法如真空冶炼和真空重熔等， 可降低有害元素如Pb、Bi等的含量，或去除这些元素， 以提高合金的热塑性;

　　(2)加人微量元素如Mg、ca或La等，以提高合 金的热塑性;

　　(3)尽可能地降低合金中的S含量，或加人微量 的稀土元素，与S形成高熔点的化合物，提高晶界的 熔化温度，从而提高合金的热加工温度，扩大热加工温 度的范围;

　　(4)采用电渣重熔或真空重熔的工艺，以减轻合金 锭中某些元素的偏析，改善其热塑性;

　　 (5)对合金化程度较高的合金锭，采用高温和长时 间的扩散退火处理，以减轻其合金化元素的偏析，改善 其热塑性。

　　 高温合金热加工的工艺要求是：

　　(1)变形量不能太 大;

　　(2)变形速率要低;

　　(3)为避免粗大而不均匀的晶 粒组织的出现，变形温度应高于再结晶温度，变形量应 大于临界变形量;

　　(4)为防止合金表面温度的迅速下降 而导致塑性的降低，所使用的工具要预热。高温合金的 热加工工艺有锻锤自由锻、压力机自由锻、挤压、热轧、 模锻、等温超塑性模锻和形变热处理等。 锻锤自由锻自由锻的打击速度较快，不宜于锻 造合金化程度较高的高温合金，而多用于固溶强化型 合金和铝、钦含量低(铝和钦的总量约小于4.5%)的 合金锭的开坯或这些合金的圆形、方形锻件产品的锻 造。此外，也可以在锻锤上通过徽粗、冲孔和在芯棒上 扩孔等工序，锻造高温合金环件。由于锻锤的冲击力常 不能使断面尺寸较大的加工件的变形深透至中心，合 金锭的直径一般不宜超过38omm。锻锤的能力，根据 合金锭的尺寸大小而在3一skN之间选择。 压力机自由银自由锻所用的压力机多为水压 机。由于水压机的吨位大，它所施加的压力能深入锻件 的中心，可用于较大尺寸的高温合金锭的开坯，锻压成 圆形、方形或矩形断面的坯料。水压机的能力大小，可 根据经常加工件的尺寸和重量而选择，如锻压直径为 63omm、重为Zsookg的合金锭，需15一3okN的水压 机。但水压机由于操作速度较慢，锻压变形量较大，不 适用于热加工温度较窄、塑性较低的高合金化的合金 锭，如GH188、GH220等高温合金的开坯。水压机还 多用来徽粗较大的圆饼，以供模 锻大型涡轮盘用，水压机的能力通常需要60~100kN。 挤压难以用锻锤开坯的，铝、钦含量较高的合金 锭可用挤压机来开坯，因挤压变形的三向压应力的应 力状态可提高合金的塑性。为避免合金与挤压工具直 接接触而降低附加摩擦力，防止合金表面裂纹的产生， 挤压时须用玻璃润滑剂润滑。此外，合金化更高的合金 锭，如GHll8、GH22o高温合金等，由于它们的塑性 更低和热加工温度更窄，须用低碳钢或不锈钢的套子 包封起来，再进行挤压〔见包套挤压)。这一方面可减 低合金表面的温降速度，另一方面起到润滑作用。挤压 比的范围一般为7:1到50:1。挤压机除用来开坯 外，还可用来生产矩形或较复杂断面的型材，以供加工 涡轮叶片和其他部件。 热轧大多数高温合金的棒材和板材是用锻压或 挤压的坯料在型钢轧机和薄板轧机上轧制而成的。低 牌号的固溶强化型合金，可用电渣重熔制成扁锭，再在 钢板轧机上轧成板材。对于合金化程度较高的合金锭 (铝、铁总含量大于4.5%而小于6%)，由于其塑性较 差，难以用锻压进行变形，则可用型钢轧机以低的轧制 速度(孔型为椭国一立椭圈孔型 系统;以期每道能达到均匀而小量的变形。待铸态组织 xx消失后，再采用菱一菱孔型系统。此外，为减缓轧 件在轧制过程中的温降，轧辊应预热。对于合金化程度 更高的合金锭(铝、钦总含量大于6%)，由于其热加 工温度更窄，塑性更差，则需采用包套轧制。这一方面 可减慢轧件在轧制过程中的温降，另一方面还可避免 由于轧件表面与辊面相接触而形成的附加摩擦力，导 致轧件表面裂纹的产生。轧制的工艺程序和参数，同前 一种合金化程度较高的(铝、钦总含量大于4.5%而小 于6%)合金锭，只是由于轧件的表面包有钢套，每火 轧制道次可增加到4一8道。某些高温合金的环件可由 轧环机来轧成，所用坯料为已经傲粗、冲孔和扩孔的锻 坯。 模锻对高温合金来说，模锻主要用来锻制涡轮 叶片和涡轮盘。

　　模锻的工艺要求是:

　　(1)锻压温度应高 于再结晶温度，以达到xx动态再结晶;

　　(2)变形量应 大于临界变形量，以避免晶粒粗大和不均匀组织的出 现;

　　(3)选用合适的润滑剂，以防止模锻件与模具的粘 结;

　　(4)模具设计合理，以使合金的流变合适，避免变 形死区的出现。 叶片的模锻一般先用平锻机对棒材的一端进行傲 粗，然后在曲轴压力机或螺旋压力机上进行预锻和精 锻。模锻温度的范围很窄，只有20~50℃之多。涡轧 盘所用坯料为由锻锤或压力机锻造的饼坯。为满足祸 轮盘这种航空发动机关键部件的性能要求，应尽可能 地减轻合金化元素的宏观和微观的偏析程度。为此，合 金锭多由电渣重熔或真空自耗重熔而成。对合金化程 度较高的合金，还要经过高温、长时间的扩散热处理， 以进一步降低合金化元素的偏析。饼坯加热后，可用模 锻锤、水压机或机械压力机中的任一种设备预锻和终 锻成盘件。也可用高速锤进行终锻。若欲获得均匀细晶 的盘件，则需严格地控制变形温度和变形量，而且{zh0} 能达到xx的动态再结晶。 某些涡轮盘要求其材料(如GH901、GH169等镍 基高温合金)在500一650℃温度下具有良好的拉伸性 能和疲劳性能。因而，这些材料应具有细晶组织，其晶 粒度以10一13级为宜。为此，应采取的措施是:

　　(D使 合金析出合适的第二相，以阻止晶粒长大，控制晶粒尺 寸;

　　(2)使这些第二相的溶解温度应高于合金的再结晶 温度;

　　(3)使这些合金的锻造温度范围处于第二相溶解 温度和合金再结晶温度之间。 等温超塑性模锻高温强度很高的涡轮盘材料 (例如In一100等)，由于高温下变形抗力极大，塑性也 很低，用通常的锻压方法很难成形为盘件，尤其是xx 尺寸的盘件。20世纪70年代初研究发现超细晶粒的 材料在低应变速率下具有高温超塑性(见金属的超塑 性)。因此，利用等温超塑性锻造工艺将盘坯锻至接近 于成品形状和尺寸的涡轮盘，可使变形抗力大为降低。

　　其工艺要点为:

　　(1)先将坯料进行超塑性处理，或用粉 末冶金方法得到直径为。.5~5拌m左右的晶粒;

　　(2)以 低的应变速率((0.5/min)在约低于合金再结晶温度 200℃的温度下，和惰性气体的保护下，进行等温模银。 变形温度范围{zh0}控制在110℃之内，压缩率一般不 小于75%。模具用感应圈加热;

　　(3)然后在规定的温 度下进行固溶处理，使晶粒长大，以适应高温强度的要 求。 形变热处理工艺(热机械处理工艺)对使用温度 不超过700℃的高温合金，若根据要求需进一步提高 其强度和低周疲劳性能，则可用形变熟处理工艺来成 形，以得到合适的稳定的位错亚结构，进一步强化合 金。

　　工艺过程大体为:

　　(1)固溶处理，使第二相溶入基 体;

　　(2)中间时效处理，使碳化物或刀相或6相析出， 以阻止晶粒在下步工序中的长大;

　　(3)在低于合金再结 晶温度的温度下进行模锻，变形率不小于50%，以获 得具有稳定位错亚结构的均匀而细小的晶粒。为避免 变形量过大产生绝热升温，而引起再结晶晶粒长大，则 可将整个工艺分为若干次的反复变形和加热;

　　(4)按合 金所规定的时效处理制度进行热处理。 高温合金的冷加工由于高温合金含有大量的作 为固溶强化剂的溶质元素和作为沉淀强化剂的第二 相，它们在合金的冷变形过程中与位错交互作用，产生 高密度的位错缠结，因而其变形硬化指数(n值)较一 般合金为高，变形抗力增大，塑性下降，变形所需的外 力也较大，所需的动力也就较大。再者，含有较多量的 沉淀强化相的合金，其屈服强度与抗拉强度相差不大， 冷变形时不但变形抗力大而且易出现裂纹。因此，这类 高温合金不宜进行冷塑性加工，而只有固溶强化型高 温合金和少数几种弱沉淀强化型高温合金才可进行冷 塑性加工。高温合金的冷加工工艺有薄板冷轧、管材冷 轧和冷拔、棒材冷拔、丝材冷拔、冲压和拉延等。 薄板冷轧一般是将热轧的薄板坯在普通的四辊 冷轧机上进行多道次的单张冷轧。由于其加工硬化速 率较大，两次软化退火间的总冷轧压下率通常不超过 2。%一30%。变形速率不能太快，以免产生裂边。 管材冷轧和冷拔高温合金管材就其材料而言， 多数是属于固溶强化型合金。制管所用的空心管坯，只 有低牌号的固溶强化型合金是由穿孔机制备的，较高 牌号的固溶强化型合金则需用热挤压来开坯。空心管 坯经多次冷轧和反复冷拔后成为所需的管材。由于高 温合金的冷加工硬化速率较大，一般冷轧或冷拔一道 后就得进行软化退火处理。对高牌号的固溶强化型合 金的管材而言，由于它难以穿轧得到空心管坯，可用焊 接和冷轧(拔)的工艺来生产管材:先将薄板弯卷成管 筒，用无填料的氢弧焊将对缝焊好，然后用冷轧和冷拔 进行管壁的减薄和管径的减小。在此过程中，重要的是 以足够的变形量和合适的热处理温度使其焊缝的铸态 组织xx消失而转变为变形的组织，以达到无缝管质 量的要求。 棒材冷拔为得到尺寸较xx、表面质量较好的 棒材，可将热加工的棒材再进行冷拔。冷拔棒材经xx 热处理后，其表面氧化皮{zh0}采用无心磨削来xx。一 些高温合金螺母和螺栓可用冷拔的六角形棒材来加 工。 丝材冷拨主要加工焊接高温合金所需的焊条和 焊丝。这些焊条和焊丝所用的材料为固、溶强化型合金 和一些弱沉淀强化型合金。冷拔工艺是，先将必一 12mm的盘条在单模拔丝机上拉拔，然后再在多模拔 丝机上拉拔。 冲压和拉延涡轮发动机的燃烧室是由高温合金 薄板的冲压件经焊接组装而成的，由于高温合金的变 形硬化指数(n值)较高，一般为0.35~0.45，所以拉 延件的厚度较均匀，表面质量也较好，但带来的问题 是，需要较大吨位的冷成型设备。高温合金板材的极限 拉延比一般可达2，与不锈钢板材相仿。