改善高鈮強化型單晶高溫合金使用性能的熱處理方法
2023-06-04 21:23:01 1
專利名稱：改善高鈮強化型單晶高溫合金使用性能的熱處理方法
技術領域：
本發明涉及一種改善高鈮強化型單晶高溫合金使用性能的熱處理方法。
背景技術：
高溫合金是製造航空、航天、艦船發動機，以及熱電廠燃氣輪機的關鍵材料。以航空發動機為例，提高進氣口溫度，增加推重比，減輕發動機重量，以及提高發動機使用的安全性和耐久性等，是改善和提高發動機性能水平的關鍵。而實現這些目的直接依賴於具有優良組織和性能的高溫合金的生產和使用。在種類繁多的高溫合金中，以鈮為主要強化元素的高溫合金佔有重要的地位。這類合金可以析出大量與基體共格應力較高的γ″(Ni3Nb)相，強化效果顯著，因而具有強度較高的特點(文獻1M.Khler，U.Heuber，The effect of final heat treatment and chemical composition onsensitization，strength and thermal stability of alloy 625.in『Superalloys 718，625，706 and Various Derivatives』，ed.by E.A.Loria，TMS，1997，p.795.；文獻2董建新，INCONEL718高溫合金的發展，兵器材料科學與工程，1996年3月，第19卷，第2期，P.46)。但由於鈮含量較高，合金的偏析傾向嚴重，易於析出Laves相，處理不當，將影響合金的使用性能。
作為高鈮強化型高溫合金的代表，IN718合金在鑄態和變形態下都可以使用。同變形態IN718合金相比，鑄造IN718合金的強度較低，但可以避免由於焊接或各種連接帶來的低強度點，對於難加工的異形件也具有難以替代的優勢。現已進行了各種嘗試以提高IN718合金鑄件的使用性能，如採用快速凝固的方法細化鑄造IN718合金的晶粒組織以提高合金的強度和韌性，但快速凝固導致合金鑄件中產生大量的空洞從而對合金的使用性能產生有害作用。為了消除這些在鑄造過程中產生的空洞缺陷，對合金鑄件採用了熱等靜壓技術進行處理，雖然熱等靜壓處理可以使空洞閉合，但鑄造多晶IN718合金一般需要保留一些Laves相作為晶界強化相，因此不能徹底消除枝晶幹和枝晶間的成分偏析。另外，Laves相的Nb含量較高，保留一部分Laves相必然減少γ″-Ni3Nb強化相的含量。因此鑄造IN718合金的強度潛力無法充分發揮。其它高鈮強化型合金，如Inconel 625和Inconel725合金的鈮含量都約3.5wt.％左右，偏析傾向也都很嚴重。因此，如何消除高鈮強化型合金的凝固偏析是充分發揮這種合金性能潛力的關鍵。
發明內容
為了克服上述不足，本發明的目的是提供一種能在保留鑄造合金連接點少和易於成型特點的同時，徹底消除其有害相和鈮偏析，最大限度地析出強化相，使其強化效果更優的改善高鈮強化型單晶高溫合金使用性能的熱處理方法。
為了實現上述目的，本發明的技術方案是針對單晶合金無晶界的特點以及高鈮強化型合金固有的組織結構特點，制定均勻化和時效熱處理工藝，可按如下步驟操作1)高溫均勻化處理將試樣置入1140～1170℃溫度環境下，保溫5～30小時，消除有害相及鈮偏析，冷卻；2)常規時效處理析出強化相，即得產品；另外，採用本發明可根據試件具體尺寸情況在所述時效處理前，加設高溫均勻化處理第二階段，即再次提高處理溫度，控制在1180～1240℃之間，保溫時間根據試件大小等具體情況，一般控制在5～50小時之間。
本發明將單晶技術用於高鈮強化型高溫合金，消除了合金的晶界，從而可以通過熱處理充分消除枝晶間的成分偏析，達到最大的強化效果，並保留鑄造合金減少連接點和易於成型等特點，在工藝上是一種創新。其優點具體在於1.使用性能更優。經本發明處理的單晶IN718合金，徹底消除其有害相和鈮偏析，其強度和塑性指標達與鑄造多晶合金相比，不僅強度大幅度提高，塑性也大幅度提高；與變形IN718合金相比，可以達到變形IN718合金水平。
2.簡單易行、周期短。本發明方法可省去鍛造或軋制等加工工序，縮短了生產周期。
3.兼有鑄造和變形合金的優點。本發明方法保留了鑄造合金不用過多連接、適於製造難加工的異形件的優點，並且其性能達到變形合金的水平，拓展了合金的使用範圍，提供了製造可在中溫極限條件下使用並具有良好綜合性能材料的途徑。
具體實施例方式
下面結合具體實施例詳述本發明。
實施例1 對單晶IN718合金的處理本發明針對高鈮強化型高溫合金的一種均勻化和時效熱處理制度為取單晶鑄態IN718合金為試樣1，在1160℃下保溫20小時，消除有害相Laves相及鈮偏析，合金熔點升至1240℃。然後再將合金升溫至1240℃，保溫20小時，空冷(均勻化處理)；720℃保溫8小時，50℃每小時冷速爐冷至620℃，620℃保溫8小時，空冷(時效處理)。
另取同樣材料和尺寸的試樣採用常規的熱處理制度(J.T.Guo，L.Z.Zhou，The effect of phosphorus，sulfur and silicon，on segregation，solidificationand mechanical properties in cast alloy 718.in『Superalloys 1996』，eds.By R.D.kissinger et al.，TMS，1996，p.451)處理1090℃保溫1小時，空冷(均勻化處理)；950℃保溫1小時，空冷(固溶處理)；720℃保溫8小時，50℃每小時冷速爐冷至620℃，620℃保溫8小時，空冷(時效處理)。
對單晶IN718合金分別採用上述兩種熱處理制度進行處理後，測定力學性能並加以比較。其室溫拉伸性能的測定結果如表1所示，同常用熱處理制度相比，採用本發明的特殊熱處理制度進行處理，單晶IN718合金的室溫拉伸強度獲得了大幅度的改善，屈服強度提高了178MPa，斷裂強度提高了411MPa，塑性也有一定的改善。
表1 熱處理制度對單晶IN718合金室溫拉伸性能的影響
持久性能測定結果如表2所示，同常用熱處理制度相比，採用本發明的特殊熱處理制度進行處理，單晶IN718合金的持久性能同樣獲得了改善，斷裂壽命略有增加，而斷裂塑性大幅度增加。
表2 熱處理制度對單晶IN718合金650℃，720MPa持久性能的影響
實施例2對IN718合金的處理取單晶鑄態IN718合金為試件2，先經高溫均勻化處理，即1145℃保溫25小時，消除有害相Laves相及鈮偏析，合金熔點升至1240℃。然後再將合金升溫至1200℃，保溫30小時，空冷；然後進行常規時效處理析出強化相，即720℃保溫8小時，以50℃每小時均速爐冷至620℃，620℃保溫8小時，空冷。
採用現有技術熱等靜壓熱處理對鑄態多晶IN718合金進行處理經熱等靜壓1121℃，102.9MPa壓力，保溫3小時。然後在1065℃保溫1小時，718℃保溫8小時，以50℃每小時均速爐冷至621℃，並在621℃保溫8小時(數據引自文獻Patty Siereveld，John F.Radavich，Tom Kelly，Gail Cole，Robert Widmer，Effect of HIP Parameters on Fine Grain Cast Alloy 718，in『Superalloys 1988』，eds.by S.Reichman，D.N.Duhl，G.Maurer，S.Antolovich，and C.Lund，The Metallurgical Society，1988.p.459)。採用本發明處理試件2與現有技術熱等靜壓熱處理的處理結果見表3。
表3 不同處理方法IN718合金的室溫拉伸性能及熱處理制度的影響
如表3所示，通過熱處理消除有害相，並使枝晶幹和枝晶間的成分均勻一致。然後通過時效處理最大程度地析出均勻分布的γ″強化相，達到最佳的強化效果。由於可以徹底地消除成分偏析，經本發明熱處理方法處理的單晶合金，同鑄態多晶合金相比，不僅強度大幅度提高(屈服強度提高了217Mpa，斷裂強度提高了74MPa)，塑性也大幅度提高。
實施例3 對K718合金的處理選用(單晶)K718合金為試件3，與實施例1不同之處在於均勻化處理為一個階段1.高溫均勻化處理將試樣置入1170℃溫度環境下，消除有害相併提高合金熔點，保溫50小時至試件的Laves相溶解，並且消除Nb偏析；2.常規時效處理析出強化相時效處理採用高鈮強化型合金的標準時效處理制度在720℃下保溫8小時，2小時勻速爐冷至620℃，620℃下保溫8小時，空冷。
另，採用多晶鑄造常規熱處理(趙京晨，王斌，孫家華，均勻化溫度對K718合金組織和性能的影響，第六屆全國高溫合金年會，p.273)分別採用1090℃，1170℃，1200℃保溫4小時預處理；然後970℃保溫1小時，空冷；720℃保溫8小時，50℃每小時冷速爐冷至620℃，620℃保溫8h，空冷(時效處理)。經常規熱處理後，其預處理雖然可以將Laves相基本消除乾淨，但可能是由於晶界缺少強化相，合金的強度仍然難以同經本發明處理的單晶IN718合金相比，其室溫拉伸性能如表4所示。
表4 多晶鑄造K718和單晶IN718合金室溫拉伸性能比較
可見，採用本發明的特殊熱處理制度進行處理，K718合金的室溫拉伸強度獲得了大幅度的改善，屈服強度提高了189.1MPa，斷裂強度提高了347MPa，塑性也有一定的改善。
另外，本發明亦可根據具體要求調解時效溫度和保溫時間。
權利要求
1.一種改善高鈮強化型單晶高溫合金使用性能的熱處理方法，其特徵在於針對單晶合金無晶界的特點以及高鈮強化型合金固有的組織結構特點，制定均勻化和時效熱處理工藝，可按如下步驟操作1)高溫均勻化處理將試樣置入1140～1170℃溫度環境下，保溫5～30小時，消除有害相及鈮偏析，冷卻；2)常規時效處理析出強化相，即得產品。
2.按照權利要求1所述的熱處理方法，其特徵在於在所述時效處理前，加設高溫均勻化處理第二階段，即再次提高處理溫度，控制在1180～1240℃之間，保溫5～50小時。
全文摘要
本發明公開一種改善高鈮強化型單晶高溫合金使用性能的熱處理方法。它針對單晶合金無晶界的特點以及高鈮強化型合金固有的組織結構特點，制定均勻化和時效熱處理工藝，可按如下步驟操作1)高溫均勻化處理將試樣置入1140～1170℃溫度環境下，保溫5～30小時，消除有害相及鈮偏析，冷卻；2)常規時效處理析出強化相，即得產品。本發明可大幅度地提高了高鈮強化型高溫合金鑄件的強度並一定程度地改善了其塑性，同時保留鑄造合金連接點少、易於成型和加工周期短的特點，因此合金的使用性能獲得明顯的改善。
文檔編號C30B29/52GK1502717SQ0214462
公開日2004年6月9日 申請日期2002年11月26日 優先權日2002年11月26日
發明者孫文儒, 郭守仁, 佟百運, 盧德忠, 李娜, 胡壯麒 申請人:中國科學院金屬研究所