经济优质高温合金均匀化开坯方法及其组织性能关联性和控制模型

With the demand increasing of large superalloy forge piece, high energy consumption homogenization process and low yield cogging are captured due to cost and energy saving. Compared to melting and forge, homogenization and breakdown are few to research even no complete theory. How to find a measure of both high quality and economy as well setting theory model is a good selected topic. By abundant experiment accumulations and pioneered works, A partial-homogenization approach is pointed out and invistigated by means of synthetical experimental design, data processing and corelation of microstruction and mechanical property wih multiple parameters for these two processes. Based on these experiment results and theory calculation, it is obtained the homogenization and cogging criterion and control model.

随着高温合金大锻件需求迅猛增加，均匀化过程的高耗能和开坯低成材率对成本及节能减排带来的压力非常凸显。与上游冶炼和下游锻造研究力度和较多积累相比，起承上启下的均匀化开坯研究反而非常薄弱，国内甚至没有完整理论指导体系和合理判据。如何找到一种既经济又高质量的均匀化开坯工艺，进而建立理论模型和判据就成为一项艰巨和重要的选题。申请人在积累了大量高温合金均匀化开坯实验数据及初步开展其间的多因素关联性研究基础上，提出基于欠均匀化处理的思路，综合协调和利用由此带来的加工和组织性能上的“红利”，梳理均匀化开坯的材料学关联性进而建立实验和理论判据并提出控制原则，解决高质量与经济性的矛盾。然后借鉴等轴晶锻态热变形过程再结晶建模方法和模型，通过对比分析铸态/均匀化态与锻态再结晶机制和建模过程实验数据和计算结果异同性，修正和建立开坯再结晶模型，解决工艺优化预测问题。完善我国高温合金均匀化开坯理论依据并提供生产指导。

首先系统研究了不同合金、铸锭尺寸、偏析元素与熔炼浇注工艺对偏析行为的影响。提出了元素偏析度概念K^'=K|∆C|，当K^'较大时，组织偏析严重，且偏析相多，可考虑二段式均匀化制度；当K^'较小时，组织偏析较轻，无偏析相，可考虑一段式均匀化制度。. 进而研究不同合金在均匀化不同阶段偏析与组织的演变规律，依此提出了均匀化控制原则：平稳区前阶段应为均匀化优选范围，均匀化时间不宜过短，下限为保证组织偏析消除，上限为应避免晶粒尺寸与氧化层快速增长，均匀化时间不可过长。同时系统阐述了均匀化程度对动态再结晶及变形抗力的影响规律，关联分析均匀化过程组织演变与热变形行为的互影响关系，提出均匀化开坯控制原则：平稳区前阶段为同时兼顾均匀化偏析与组织、热变形组织与性能的最优选范围，此时高温塑性高，变形抗力低，再结晶程度高。. 进一步通过建立开坯过程中开裂预测模型和再结晶模型并经双锥实验验证其准确性，引入开裂系数P，耦合有限元计算，定量预测不同热加工参数对开裂倾向、开裂位置、再结晶体积分数及再结晶晶粒尺寸的影响规律。可提供更为合理的开坯工艺制定依据，进而提高开坯可靠性。.基于对提高再结晶形核控制晶粒尺寸和缩短枝晶间距加快元素扩散的系统研究。提出了经济型均匀化开坯工艺，将优选范围前移至慢速下降区末段与平稳区前段，可显著缩短均匀化时间。同时提出了预变形均匀化开坯工艺，小变形量预变形缩短枝晶间距促进元素扩散和动态再结晶，可大幅度缩短均匀化时间。从而为建立经济可靠的均匀化开坯工艺提供理论和实验依据。. 通过大量实验，分析了合金铸锭偏析行为、均匀化过程中材料特征演变规律以及均匀化程度对热变形行为的影响。在讨论分析工艺间关联性基础上，建立了开坯开裂预测模型和再结晶模型，提出了均匀化开坯的优化控制原则，为完善高温合金铸锭的均匀化开坯评价体系提供了实验和理论依据。