CN100432245C - 单晶高温合金直流电流固溶处理方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及金属材料热处理领域，具体为单晶高温合金的直流电流固溶处理方法与装置。先将通过定向凝固技术制备的铸态单晶高温合金两端连接到直流电源两极上，放入卧式电阻炉内加热到固溶处理温度，然后使连接单晶高温合金的电源开启，使直流电流通过单晶高温合金，在电流作用下进行固溶处理。电流密度为0.1-100A/cm2，固溶处理加热温度在γ′相溶解温度和合金熔点之间选择，保温时间为0.25-46小时。该装置包括直流稳压电源、加热保温系统、样品和导线，直流稳压电源通过导线与样品形成串联回路，样品置于加热保温系统中。本发明可应用在单晶高温合金的固溶处理中，降低固溶处理温度，缩短固溶处理时间，改善组织。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料热处理领域，具体为单晶高温合金的直流电流固溶处理方法与装置。
背景技术
高温合金于20世纪40年代问世，由于其在高温条件下表现出的优异性能，被广泛应用到航空、航天、核工程、能源交通、石油化工、冶金等领域。特别是单晶高温合金力学性能优越，单晶高温合金涡轮叶片为先进航空发动机所采用。单晶高温合金采用定向凝固技术制备，然后进行固溶处理和时效处理才能使用。高温合金固溶处理的目的是将单晶高温合金凝固过程中析出的第二相(γ′相)尽量溶入基体中，以得到单相组织，给以后的时效沉淀析出均匀细小的强化相做准备；另外是消除溶质原子偏析，达到均匀化。所以，固溶处理过程是原子扩散以及相溶解的过程，固溶处理效果与溶质原子扩散系数、偏析程度、枝晶间距以及固溶温度和处理时间有关，提高固溶温度使溶质原子扩散系数扩大可以加速均匀化过程，在通常工艺条件下，需要在很高的温度下长时间处理才能实现。
随着单晶高温合金的发展，合金中W、Mo、Re等难熔合金元素含量不断增加，使得溶质原子均匀化更加困难，其结果是在固溶处理时需要更高的处理温度和更长的处理时间，不仅增加了固溶处理的成本，也容易使合金在固溶处理过程中受到氧化。最近，国外对固溶处理的温度和时间参数进行了研究，如G.E.Fuchs在对镍基单晶高温合金CMSX-10的固溶处理做了研究(Materials Science andEngineering A，2001年第300期52页)，他发现在单晶凝固过程中造成的化学元素偏析必须在1340℃以上温度才能被消除，特别是W和Re在枝晶干的偏析必须在1360℃以上才能被消除。因此，改进固溶处理方法以降低固溶处理温度或缩短处理时间，成为单晶高温合金制备需要解决的问题。但是，直到现在，还没有一种有效的方法来加速单晶高温合金固溶处理的溶质原子均匀化过程。
发明内容
本发明的目的针对现有单晶高温合金固溶处理工艺存在的不足，提供一种解决单晶高温合金直溶处理温度高、时间长的单晶高温合金直流电流固溶处理方法与装置。
为达到上述目的，本发明是采用以下技术方案来实现的：
一种单晶高温合金直流电流固溶处理方法，先将通过定向凝固技术制备的铸态单晶高温合金两端连接到直流电源两极上，放入卧式电阻炉内加热到固溶处理温度，然后使连接单晶高温合金的电源开启，使直流电流通过单晶高温合金，在电流作用下进行固溶处理。电流密度为0.1-100A/cm2(较佳范围为5-30A/cm2)，固溶处理加热温度在γ′相溶解温度和合金熔点之间选择，保温时间为0.25-46小时(较佳范围为2-32小时)。
一种单晶高温合金直流电流固溶处理装置，该装置包括直流稳压电源、加热保温系统、样品和导线，直流稳压电源通过导线与样品形成串联回路，样品置于加热保温系统中。
所述加热保温系统包括炉体、加热元件和热电偶，样品置于加热保温系统的炉体内，通过加热元件供热，通过热电偶测温。
在直流电流作用下，通过运动电子和合金原子间的相互作用，促进了原子的扩散，缩短γ′相的溶解时间，降低γ′相溶解温度，从而促进组织均匀化，减小元素的偏析。因此，在直流电流作用下，可以在较低温度或较短时间下对单晶高温合金进行固溶处理。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、可以降低固溶处理温度。如一种镍基单晶高温合金固溶处理温度可以降低20℃，在1230℃下经直流电流固溶处理后，其均匀化程度与在1250℃常规处理后的效果相当。
2、可以缩短固溶处理时间。如一种镍基单晶高温合金在1250℃进行直流电流固溶处理时γ′相的溶解时间，与常规处理相比可缩短三分之二。
附图说明
图1为直流电流下单晶高温合金的固溶处理装置图。图中，1直流稳压电源；2炉体；3加热元件；4热电偶；5样品；6导线。
图2为本发明和常规固溶处理(未施加直流电流)后W元素的分布对比图。
图3为本发明和常规固溶处理(未施加直流电流)后显微组织的对比图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做详细说明。
图1为本发明直流电流下单晶高温合金的固溶处理装置图。从图1可以看出，本发明采用的直流电流固溶处理装置由三部分组成：第一部分是直流稳压电源1，目的是产生大的直流电流。第二部分为加热保温系统，由炉体2、加热元件3和热电偶4组成。这部分的作用是加热并保温样品。温度范围为800-1400℃，保温时间为0.25-46小时。温度由可控硅调节，控温精度为±2℃。第三部分为电场作用装置，由样品5和导线6组成，它的作用是使样品处在电流作用下，电流密度为0.1-100A/cm2。
实施例1
把一种镍基单晶高温合金(DD3)棒连接到稳压电源两极上，放入卧式电阻炉内加热到固溶处理温度，然后使连接单晶高温合金的电源开启，使直流电流通过单晶高温合金，在电流作用下进行固溶处理。电流密度为5A/cm2，保温温度为1220℃，保温时间为4小时。
图2提供了镍基单晶高温合金DD3采用本发明和常规固溶处理后W元素的分布对比图。图2a为未施加直流电流固溶处理的W元素面分布图，图2b为施加直流电流固溶处理的W元素面分布图。对比可见，图2b中的W元素分布更加均匀。所以，直流电流固溶处理促进了元素分布均匀化。
实施例2
把DD3镍基单晶高温合金棒连接到稳压电源两极上，放入卧式电阻炉内加热到固溶处理温度，然后使连接单晶高温合金的电源开启，使直流电流通过单晶高温合金，在电流作用下进行固溶处理。电流密度为5A/cm2，保温温度为1250℃，保温时间为0.5小时。
图3提供了镍基单晶高温合金DD3采用本发明和常规固溶处理后显微组织的对比图。图3a为常规固溶处理(未施加直流电流)后显微组织的扫描电镜照片，图3b为施加直流电流固溶处理的扫描电镜照片。图3a中有大量的未溶解的大的γ′相颗粒，而图3b中则没有，可见直流电流固溶处理加速了γ′相的溶解。
实施例3
与实施例1不同之处在于：
镍基单晶高温合金为DD8，电流密度为100A/cm2，保温温度为1230℃，保温时间为2小时。
实施例4
与实施例1不同之处在于：
镍基单晶高温合金为CMSX-10，电流密度为50A/cm2，保温温度为1315℃，保温时间为46小时。
实施例5
与实施例1不同之处在于：
镍基单晶高温合金为CMSX-10，电流密度为30A/cm2，保温温度为1360℃，保温时间为24小时。
Claims (7)
1、一种单晶高温合金直流电流固溶处理方法，其特征在于：先将通过定向凝固技术制备的铸态单晶高温合金两端连接到直流电源两极上，放入卧式电阻炉内加热到固溶处理温度，然后使连接单晶高温合金的电源开启，使直流电流通过单晶高温合金，在电流作用下进行固溶处理。
2、根据权利要求1所述的单晶高温合金直流电流固溶处理方法，其特征在于：直流电流作用下的高温合金固溶处理，电流密度为0.1-100A/cm2。
3、根据权利要求2所述的单晶高温合金直流电流固溶处理方法，其特征在于：所述电流密度为5-30A/cm2。
4、根据权利要求1所述的单晶高温合金直流电流固溶处理方法，其特征在于：直流电流作用下的高温合金固溶处理，固溶处理温度在γ′相溶解温度和合金熔点之间，保温时间为0.25-46小时。
5、根据权利要求4所述的单晶高温合金直流电流固溶处理方法，其特征在于：所述保温时间为2-32小时。
6、一种权利要求1所述单晶高温合金直流电流固溶处理方法使用的固溶处理装置，其特征在于：该装置包括直流稳压电源(1)、加热保温系统、样品(5)和导线(6)，直流稳压电源(1)通过导线(6)与样品(5)形成串联回路，样品(5)置于加热保温系统中。
7、根据权利要求6所述的单晶高温合金直流电流固溶处理装置，其特征在于：所述加热保温系统包括炉体(2)、加热元件(3)和热电偶(4)，样品(5)置于加热保温系统的炉体(2)内，通过加热元件(3)供热，通过热电偶(4)测温。
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