一種高溫合金鋼的熱處理方法與流程
2023-06-03 08:34:41 1
本發明屬於合金鋼技術領域，具體涉及一種高溫合金鋼的熱處理方法。
背景技術：
GH4169合金的年產量佔變形高溫合金總產量的45％，是目前產量最大的高溫合金之一。GH4169合金是一種鈮強化的沉澱硬化型鐵鎳基高溫合金，該合金在高溫下具有高強度、高疲勞性能和良好的塑性，因此被廣泛應用於航空、航天、核能和石油等領域。國內一般是通過水壓機鍛造和錘擊鍛造兩種工藝生產這種材料的渦輪盤一類的零件。
高溫合金的強化機制主要有固溶強化和沉澱強化兩類，GH4169合金的熱處理方式也主要由固溶處理和時效處理兩部分組成。而不同的熱處理工藝可以對合金的晶粒度、強化相的沉澱或溶解、析出數量和顆粒尺寸甚至晶界狀態產生影響。由於該合金的價格相當昂貴，為了保證工件的組織和性能的穩定，熱處理工藝一般選擇真空熱處理。由於真空爐在真空狀態下的傳熱是單一的輻射傳熱,在真空氣氛中的加熱具有其它介質(大氣、可控氣氛、鹽浴)加熱不可能具備的特點,工藝參數的選取也具有特殊性。
很多學者已經研究過不同熱處理對GH4169合金熱變形行為的影響。結果表明，熱處理過程中析出的δ相含量隨熱處理工藝的不同而不同，並且合金的變形抗力隨δ相的增加而降低，存在於晶界的δ相有利於熱變形過程中的再結晶，晶界內的δ相則阻礙其形核過程。作為國產渦輪盤用材料，其實際服役條件一般是在650℃的工況下，在該溫度下對其疲勞性能進行研究具有更為實際的工程意義。與此同時，對於GH4169合金低周疲勞的研究，大多數學者都是研究溫度、頻率等對材料的力學性能的影響，關於相在高溫環境下對合金疲勞行為的影響鮮有報導。
公開號為「CN105695703A」，發明名稱為「一種模具鋼熱處理工藝」，公開了一種7Cr7Mo2V2Si高強韌性冷作模具鋼預備熱處理和淬火及回火的兩火直接熱處理工藝方法，從介紹的參數來看，僅對該模具鋼的硬度和耐磨性值提升有些效果，但很難達到高溫合金熱處理工藝基本無參考價值。
「GH4169合金件真空時效過程數值模擬」，金屬熱處理，第31卷第1期，公開了對GH4169合金件真空時效過程溫度場的模擬計算，開展簡單驗證，但是未提供合金固溶處理和時效處理的合適溫度等工藝參數。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是提供一種可改變合金中析出相的形態與分布，並改善合金中晶界的形態，進而達到改善合金力學性能的目的，提高合金鋼高溫使用壽命的熱處理方法。
本發明一種高溫合金鋼的熱處理方法，包括以下步驟：
a、高溫擴散退火工藝：將高溫合金鋼錠在1150±10℃加熱22～26h，再在1190±10℃下加熱70～74h後，空冷；
b、鍛後預處理：加熱溫度為950±10℃，保溫0.5～1.5h後，空冷；
c、高溫固溶處理：加熱溫度為910±10℃，保溫18～24h後，空冷；再加熱，加熱溫度為960±10℃，保溫1～2h，空冷；
d、低溫時效處理：加熱溫度為710±10℃，保溫7～10h後控制以50～60℃/h的速度隨爐冷卻至610±10℃，再保溫7～10h，再空冷，得到鍛件成品。
進一步的，上述一種高溫合金鋼的熱處理方法，其中a步驟中將高溫合金鋼錠在1150℃加熱24h，再在1190℃下加熱72h後，空冷。
進一步的，上述一種高溫合金鋼的熱處理方法，其中b步驟中加熱溫度為960℃，保溫1h後，空冷。
進一步的，上述一種高溫合金鋼的熱處理方法，其中c步驟中加熱溫度為900℃，保溫22h後空冷；再加熱，加熱溫度為950℃，保溫1.5h後空冷。
進一步的，上述一種高溫合金鋼的熱處理方法，其中d步驟中加熱溫度為720℃，保溫8h後以50℃/h的速度隨爐冷卻至620℃，再保溫8h，最後空冷。
上述一種高溫合金鋼的熱處理方法，其中得到鍛件的最終晶粒級別為8.0～8.6級。
上述一種高溫合金鋼的熱處理方法，得到的鍛件在650℃、720MPa的蠕變條件下，蠕變壽命為182h。
本發明的一種GH4169高溫合金鋼熱處理方法，鍛後加熱預處理、高溫固溶處理和低溫時效處理熱處理工藝制度，獲得較好的高溫塑性和抗蠕變壽命。
具體實施方式
本發明鍛件通過大型電加熱爐加熱，溫度由溫度控制器控制，通過熱電偶傳感器測得鍛件在爐壁兩側、上下兩面上各4個不同位置的溫度點合計24個，傳送到溫度變送器上實現反饋控制，保障爐內溫升的均勻性。鑄錠經開坯、鍛造成的合金鍛件，本發明GH4169高溫合金鋼鍛件熱處理工藝技術方案包括以下步驟：
a、高溫擴散退火工藝：將高溫合金鋼錠在1150±10℃加熱22～26h，再在1190±10℃下加熱70～74h後，空冷；
b、鍛後預處理：加熱溫度為950±10℃，保溫0.5～1.5h後，空冷；
c、高溫固溶處理：加熱溫度為910±10℃，保溫18～24h後，空冷；再加熱，加熱溫度為960±10℃，保溫1～2h，空冷；
d、低溫時效處理：加熱溫度為710±10℃，保溫7～10h後控制以50～60℃/h的速度隨爐一起冷卻至610±10℃，再保溫7～10h，空冷，得到鍛件。
對於高溫合金錠，在每次加熱後都會使一部分元素偏析或析出，相固溶後空冷的溫降速度較慢，利於後續均勻擴散，使組織趨於均勻、消除偏析，其他冷卻方式冷卻速度偏大，空冷至室溫或不燙手即可。
進一步的，上述一種高溫合金鋼的熱處理方法，其中a步驟中將高溫合金鋼錠在1150℃加熱24h，再在1190℃下加熱72h後，空冷。
進一步的，上述一種高溫合金鋼的熱處理方法，其中b步驟中加熱溫度為960℃，保溫1h後，空冷。
進一步的，上述一種高溫合金鋼的熱處理方法，其中c步驟中加熱溫度為900℃，保溫22h後空冷；再加熱，加熱溫度為950℃，保溫1.5h後空冷。
進一步的，上述一種高溫合金鋼的熱處理方法，其中d步驟中加熱溫度為720℃，保溫8h後以50℃/h的速度隨爐冷卻至620℃，再保溫8h，再空冷至室溫。
上述一種高溫合金鋼的熱處理方法，其中得到鍛件的最終晶粒級別為8.0～8.6級。
上述一種高溫合金鋼的熱處理方法，得到的鍛件在650℃、720MPa的蠕變條件下，蠕變壽命為182h。
本發明通過對高溫合金採取合適的鍛後加熱預處理、高溫固溶處理和低溫時效處理熱處理工藝制度，將鎳基合金中不均勻分布的γ′相全部或部分溶解，最大限度地減少γ/γ′兩相共晶的含量，使元素得到充分擴散，均化合金的化學成分，減少成分偏析，並調整合金中γ′析出相的數量、形態與分布，達到改善合金性能的目的。通過時效處理，使其從過飽和固溶體中充分析出細小的γ′和γ"相，以提高合金的室溫和高溫力學性能。同時再時效處理，使其從過飽和固溶體中充分析出細小的γ′和γ"相，以提高合金的室溫和高溫力學性能，使合金具有較長蠕變壽命，可以大幅提高產品兌現率及用戶滿意度，具有在攀長鋼其他高溫合金熱處理產品及國內同行業推廣應用的市場前景。
下面結合實施例對本發明的具體實施方式做進一步的描述，並不因此將本發明限制在所述的實施例範圍之中。
實施例1
一種尺寸的GH4169高溫合金鋼錠經高溫擴散退火工藝為：1150±10℃，保溫24h，再在1190±10℃下保溫72h後空冷，經過7道次墩粗和拔長熱加工工藝後，墩粗到圓餅，後續熱處理工藝包含以下步驟：
(1)鍛後預處理：加熱溫度為960℃，保溫1h，空冷；
(2)高溫固溶處理：加熱溫度為900℃，保溫22h，空冷；再加熱，加熱溫度為950℃，保溫1.5h，空冷；
(3)低溫時效處理：加熱溫度為720℃，保溫8h，以50℃/h速度隨爐冷至620℃，再保溫8h，空冷。
鍛件最終晶粒級別為8.5級；
鍛件在蠕變條件下650℃、720MPa下進行高溫低周蠕變-疲勞試驗測試，蠕變壽命182h。
實施例2
一種尺寸的GH4169高溫合金鋼錠經高溫擴散退火工藝為：1150±10℃下保溫24h後，再在1190±10℃保溫72h，空冷，經過7道次墩粗和拔長熱加工工藝後，墩粗到圓餅，後續熱處理工藝包含以下步驟：
(1)鍛後預處理：加熱溫度為950℃，保溫1h，空冷；
(2)高溫固溶處理：加熱溫度為910℃，保溫24h，空冷，再加熱，加熱溫度為960℃，保溫2h，空冷；
(3)低溫時效處理：加熱溫度為710℃，保溫9h，以60℃/h速度隨爐冷至610℃，再保溫9h，空冷。
鍛件最終晶粒級別為8.2級；
鍛件在蠕變條件下650℃、720MPa下進行高溫低周蠕變-疲勞試驗測試，蠕變壽命180h。
實施例3
一種尺寸的GH4169高溫合金鋼錠經高溫擴散退火工藝為：1150±10℃下保溫24h後，再在1190±10℃保溫72h，空冷，經過7道次墩粗和拔長熱加工工藝後，墩粗到圓餅，後續熱處理工藝包含以下步驟：
(1)鍛後預處理：加熱溫度為940℃，保溫1h，空冷；
(2)高溫固溶處理：加熱溫度為920℃，保溫18h，空冷，再加熱，加熱溫度為970℃，保溫1h，空冷；
(3)低溫時效處理：加熱溫度為700℃，保溫10h，以55℃/h速度隨爐冷至600℃，再保溫7h，空冷。
鍛件最終晶粒級別為8.4級；
鍛件在蠕變條件下650℃、720MPa下進行高溫低周蠕變-疲勞試驗測試，蠕變壽命181h。
對比例1
一種尺寸的GH4169高溫合金鋼錠經高溫擴散退火工藝為：1190±10℃下保溫48h後空冷，經過7道次墩粗和拔長熱加工工藝後，墩粗到圓餅，後續熱處理工藝包含以下步驟：
(1)鍛後預處理：加熱溫度為940℃，保溫1h，空冷；
(2)高溫固溶處理：加熱溫度為920℃，保溫12h，空冷，再加熱，加熱溫度為970℃，保溫1h，空冷；
(3)低溫時效處理：加熱溫度為700℃，保溫7h，以55℃/h速度隨爐冷至600℃，再保溫5h，空冷。
鍛件最終晶粒級別為7級，並仍有少數混晶存在；
鍛件產品在650℃、720MPa下進行高溫低周蠕變-疲勞試驗測試，蠕變壽命54h。對比實施例看，原工藝(對比例1工藝)表現出退火及後續熱處理過程不充分。