CN103820621A - 一种铁基沉淀强化型高温合金的热处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明创造要解决的问题是提供一种铁基沉淀强化型高温合金的热处理工艺，将进行过正常固溶处理的高温合金进行多段时效处理，增加了基体中第二相的数量，且每段时效处理的温度逐步降低，可防止第二相的过度长大。本发明的热处理工艺，在不对合金材料的晶粒度、高温蠕变性能以及疲劳性能产生明显影响的情况下，显著提高了合金的强度和硬度。
Description
技术领域
本发明创造涉及热处理技术领域，具体来说涉及一种铁基沉淀型高温合金的热处理工艺。
背景技术
高温合金又称为热强合金、耐热合金或超合金，是随着航空工业发展起来的一种新型耐高温金属材料，这种材料可在600～1100℃的高温环境中长期稳定工作。
高温合金按成分大体可分为铁基高温合金、镍基高温合金和钴基高温合金，按强化方式可分为固溶强化型、沉淀强化型、氧化物弥散强化型和纤维强化型等。高温合金的热处理工艺主要有固溶处理和时效处理两种，固溶处理是使合金元素溶入基体，然后快速冷却使合金元素来不及析出或发生相变，形成过饱和固溶体，随后通过时效处理在基体中析出第二相以强化合金。
高温合金主要用于制造航空、舰艇和工业用燃气轮机的涡轮叶片、导向叶片、涡轮盘、高压压气机盘和燃烧室等高温部件，还用于制造航天飞行器、火箭发动机、核反应堆、石油化工设备以及煤的转化等能源转换装置。对高温合金的强度和硬度有着很高的要求，因此，在不对合金其他性能指标（晶粒度、高温蠕变性能或疲劳性能）产生不利影响的前提下，提高合金的强度和硬度极为重要。
发明内容
本发明创造要解决的问题是提供一种铁基沉淀强化型高温合金的热处理工艺，在不对合金材料的晶粒度、高温蠕变性能以及疲劳性能产生明显影响的情况下，显著提高合金的强度和硬度。
为解决上述技术问题，本发明创造采用的技术方案是：提供一种铁基沉淀强化型高温合金的热处理工艺，其特征在于：将铁基沉淀强化型高温合金经过正常的固溶热处理后再进行以下步骤：
（1）将高温合金加热至710～730℃，保温15～17小时，保温期间应保证炉内真空度在0.13～1.3Pa范围内，保温结束后充入氩气进行冷却；
（2）将高温合金加热至670～690℃，保温15～17小时，保温期间应保证炉内真空度在0.13～1.3Pa范围内，保温结束后充入氩气进行冷却；
（3）将高温合金加热至640～660℃，保温15～17小时，加热期间高温合金用石英砂进行保护，加热结束后零件随炉冷却；
（4）将高温合金加热至620～640℃，保温15～17小时，加热期间高温合金用石英砂进行保护，加热结束后零件随炉冷却。
进一步地，所述固溶热处理温度为980℃。
进一步地，所述铁基沉淀强化型高温合金选用规格为MJ4的螺钉。
进一步地，所述螺钉的化学组成成分包括：C≤0.08wt%，Si≤1wt%，Mn≤2wt%，S≤0.025wt%，P≤0.025wt%，Ni24～27wt%，Cr13.5～16wt%，Mo1～1.5wt%，Ti1.9～2.35wt%，B0.003～0.01wt%，V0.1～0.5wt%，Co≤1wt%，Al≤0.35wt%，Cu≤0.5wt%。
本发明创造具有的优点和积极效果是：本发明在进行常规固溶后采用多段低温时效，增加了基体中强化相即第二相的数量，同时本发明的多段时效温度逐步降低，有效防止了第二相的过度长大，而第二相颗粒数量越多，颗粒数量越细，则沉淀强化效果越好，本发明的热处理工艺提高了材料的强度和硬度。本发明提供的热处理工艺在不对合金材料的晶粒度、高温蠕变性能以及疲劳性能产生明显影响的条件下，能够显著提高合金的强度和硬度，可用于生产高强度、硬度的铁基高温合金产品，也可作为弥补该类产品强度、硬度不足的补充热处理工艺。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明创造作进一步说明。
本发明创造涉及一种铁基沉淀强化型高温合金的热处理工艺，相关固溶工艺按材料牌号对应的标准或技术文件执行，经过正常的固溶处理后对合金进行如下步骤：
（1）将铁基沉淀强化高温合金加热至710～730℃，保温15～17小时，保温期间保证炉内真空度在0.13～1.3Pa范围内，保温结束后充入氩气进行冷却；
（2）将高温合金加热至670～690℃，保温15～17小时，保温期间保证炉内真空度在0.13～1.3Pa范围内，保温结束后充入氩气进行冷却；
（3）将高温合金加热至640～660℃，保温15～17小时，加热过程中高温合金用石英砂进行保护，加热结束后合金随炉冷却；
（4）将高温合金加热至620～640℃，保温15～17小时，加热过程中高温合金用石英砂进行保护，加热结束后合金随炉冷却。
其中，步骤（1）和步骤（2）由于时效温度较高，在真空炉中进行热处理，可以有效防止表面产生过多的氧化，而步骤（3）和步骤（4）时效温度较低，材料本身具有较好的耐蚀抗氧化性能，使用石英砂保护在空气环境中加热即可。
铁基沉淀强化型高温合金通过时效处理，从过饱和固溶提中析出第二相γ’相，以强化合金。而在合金成分和热处理工艺得当的情况下，相的形态和数量对合金性能的影响是最大的。
时效过程中，γ’相是连续析出的，其析出开始温度在600℃左右，因此固溶后的合金只要加热到600℃以上时效，基体中就有γ’相析出，而γ’相的析出量在700～730℃最多，且多段时效会增加γ’相的析出量。同时，随着时效温度的提高，γ’相会呈长大趋势，γ’相的长大在500～650℃区间内较为缓慢，到700℃以后长大速度明显增加。
沉淀强化型高温合金时效后强度普遍在1100MPa以上，根据合金沉淀强化机理，第二相颗粒数量越多，颗粒尺寸越细，则沉淀强化效果越好。本发明创造采用多段低温时效，增加了基体中第二相γ’相析出的数量，同时，本发明创造每段时效温度逐步降低，有效防止了第二相γ’相的过度长大，提高了合金的强度和硬度。
本发明创造的实施例采用同样成分和规格的一种铁基沉淀强化型高温合金零件进行说明。所采用的高温合金零件成分和规格如表1所示。
表1实施例中所采用的高温合金零件成分和规格
实施例1
将零件在980℃固溶后，加热至710～730℃，保温15～17小时，保温期间应保证炉内真空度在0.13～1.3Pa范围内，保温结束后充入氩气进行冷却；然后将零件加热至670～690℃，保温15～17小时，保温期间应保证炉内真空度在0.13～1.3Pa范围内，保温结束后充入氩气进行冷却；然后将零件加热至640～660℃，保温15～17小时，该步骤加热可在空气炉中进行，不需要控制真空度，但零件需要用石英砂进行保护，加热结束后零件随炉冷却；然后将零件加热至620～640℃，保温15～17小时，该步骤加热可在空气炉中进行，不需要控制真空度，但零件需要用石英砂进行保护，加热结束后零件随炉冷却。
实施例2
将零件在980℃固溶后，加热至710～730℃，保温15～17小时，保温期间应保证炉内真空度在0.13～1.3Pa范围内，保温结束后充入氩气进行冷却。
实施例3
将零件在980℃固溶后，加热至710～730℃，保温15～17小时，保温期间应保证炉内真空度在0.13～1.3Pa范围内，保温结束后充入氩气进行冷却。然后将零件加热至670～690℃，保温15～17小时，保温期间应保证炉内真空度在0.13～1.3Pa范围内，保温结束后充入氩气进行冷却。
实施例4
将零件在980℃固溶后，加热至710～730℃，保温15～17小时，保温期间应保证炉内真空度在0.13～1.3Pa范围内，保温结束后充入氩气进行冷却；然后将零件加热至640～660℃，保温15～17小时，该步骤加热可在空气炉中进行，不需要控制真空度，但零件需要用石英砂进行保护，加热结束后零件随炉冷却。
实施例5
将零件在980℃固溶后，加热至710～730℃，保温15～17小时，保温期间应保证炉内真空度在0.13～1.3Pa范围内，保温结束后充入氩气进行冷却；然后将零件加热至670～690℃，保温15～17小时，保温期间应保证炉内真空度在0.13～1.3Pa范围内，保温结束后充入氩气进行冷却；然后将零件加热至640～660℃，保温15～17小时，该步骤加热可在空气炉中进行，不需要控制真空度，但零件需要用石英砂进行保护，加热结束后零件随炉冷却。
实施例6
将零件在980℃固溶后，加热至710～730℃，保温15～17小时，保温期间应保证炉内真空度在0.13～1.3Pa范围内，保温结束后充入氩气进行冷却；然后将零件加热至640～660℃，保温15～17小时，该步骤加热可在空气炉中进行，不需要控制真空度，但零件需要用石英砂进行保护，加热结束后零件随炉冷却；然后将零件加热至620～640℃，保温15～17小时，该步骤加热可在空气炉中进行，不需要控制真空度，但零件需要用石英砂进行保护，加热结束后零件随炉冷却。
为验证本发明的效果，对本发明上述实施例1～6进行了5次热处理工艺验证，每次验证每项性能指标取3～5个零件进行检验，结果如表2所示，表中数据都是每次试验数据的平均值。
表2实施例1～6高温合金零件热处理后性能参数
注：
①疲劳性能按高载3.5kN，低载0.35kN进行拉-拉试验，技术文件规定单件循环次数应超过45000次，平均次数应超过65000次，超过130000次按130000次计算。
②持久性能加载4.28kN，即450MPa强度，在650℃下保持载荷，23小时未断则合格。
实施例1采用本发明的热处理工艺，可看出硬度和强度都达到最高；实施例2仅采用一段时效，强度硬度都最低；对比实施例1、实施例2、实施例3、实施例5，可发现随着时效段数增加，强度硬度呈不断提高的趋势，对比实施例3、实施例4，可发现后续时效温度较低时，材料可获得高的强度和硬度；对比实施例5、实施例6，同样有这个趋势；对比各实施例的晶粒度、疲劳性能、高温持久性能，可发现各实施例均合格。
通过上述分析可看出，与典型时效工艺如实施例2与实施例4相比，本发明可以显著提高合金的强度与硬度，同时不会对产品的主要性能技术指标造成不利影响，本发明比现有技术相比有突出的优势。
以上对本发明创造的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明创造的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明创造范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。
Claims (4)
1.一种铁基沉淀强化型高温合金的热处理工艺，其特征在于：将铁基沉淀强化型高温合金经过正常的固溶热处理后再进行以下步骤：
（1）将高温合金加热至710～730℃，保温15～17小时，保温期间应保证炉内真空度在0.13～1.3Pa范围内，保温结束后充入氩气进行冷却；
（2）将高温合金加热至670～690℃，保温15～17小时，保温期间应保证炉内真空度在0.13～1.3Pa范围内，保温结束后充入氩气进行冷却；
（3）将高温合金加热至640～660℃，保温15～17小时，加热期间高温合金用石英砂进行保护，加热结束后零件随炉冷却；
（4）将高温合金加热至620～640℃，保温15～17小时，加热期间高温合金用石英砂进行保护，加热结束后零件随炉冷却。
2.根据权利要求1所述的铁基沉淀强化型高温合金的热处理工艺，其特征在于：所述固溶热处理温度为980℃。
3.根据权利要求1所述的铁基沉淀强化型高温合金的热处理工艺，其特征在于：所述铁基沉淀强化型高温合金选用规格为MJ4的螺钉。
4.根据权利要求3所述的铁基沉淀强化型高温合金的热处理工艺，其特征在于：所述螺钉的化学组成成分包括：C≤0.08wt%，Si≤1wt%，Mn≤2wt%，S≤0.025wt%，P≤0.025wt%，Ni24～27wt%，Cr13.5～16wt%，Mo1～1.5wt%，Ti1.9～2.35wt%，B0.003～0.01wt%，V0.1～0.5wt%，Co≤1wt%，Al≤0.35wt%，Cu≤0.5wt%。
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