CN104404418B - 一种镍基高温合金的热处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种镍基高温合金的热处理方法，其方法的步骤包括：(1)进行固溶处理，将镍基高温合金在1030～1050℃温度范围内固溶处理40～50分钟；(2)进行冷却，以3～5℃/min的冷却速率冷却至室温；(3)进行时效处理，时效温度为890～910℃，时效时间为10～14小时；(4)最后进行水淬。利用本发明方法处理镍基高温合金，不仅可以有效提高镍基高温合金在时效过程中δ相的析出量，缩短时效处理时间，降低生产成本，而且可以提高镍基高温合金的热加工性能。

Description

一种镍基高温合金的热处理方法
技术领域
本发明涉及一种镍基高温合金的热处理方法，属于有色金属材料热处理技术领域。
背景技术
镍基高温合金具有较高的强度、良好的耐腐蚀性和抗氧化性、以及良好的疲劳性能和断裂韧性，是目前航空航天领域中应用最为广泛的金属材料之一。等温模锻技术属于整体零件制造技术的一种，与传统的锻压技术相比，具有成形精度和质量以及成形效率极大提高的优点。由于镍基高温合金的热加工性能对热加工工艺的变化十分敏感，属于可加工区域窄的难变形材料，等温模锻技术特别适合于镍基高温合金的成形，主要用于高品质复杂航空发动机用零件的成形制造。研究表明，镍基高温合金中的析出相非常复杂，主要包含起主要强化作用的γ″相(Ni3Nb)、次强化作用的γ′相(Ni3AlTi)和γ″相的平衡相δ相(Ni3Nb)。由于δ相的溶解温度处于镍基高温合金的热加工范围之内，所以δ相的大小、形貌和含量对镍基高温合金的热加工性能有显著影响。在热加工过程中，δ相有促进动态再结晶和抑制晶粒长大的作用，且可以拓宽镍基高温合金的可加工工艺参数范围。当镍基高温合金中无δ相或δ相含量较少时，镍基高温合金在热加工过程中动态再结晶分数较小，可加工的工艺参数范围窄，对设备的负载及运行精度要求高。此外，镍基高温合金在热加工过程中容易发生损伤开裂，从而导致零件报废。尽管δ相能有效提高镍基高温合金的热加工性能，但是δ相的析出需要一定的孕育期，时效时间较长，对能源的消耗较大。因此，需要一种适合于镍基高温合金的热处理方法，以期达到缩短时效时间和提高镍基高温合金的热加工性能的目的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种镍基高温合金的热处理方法，以提高δ相在时效处理过程中的析出量，从而缩短时效处理时间，并且提高镍基高温合金的热加工性能。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种固溶处理和时效处理相结合的镍基高温合金热处理方法。该方法的具体步骤为：
步骤1：对镍基高温合金在1030～1050℃温度范围内进行40～50分钟的固溶处理；
步骤2：对经过步骤1处理的镍基高温合金进行冷却，冷却速率为3～5℃/min；
步骤3：对经过步骤2处理后的镍基高温合金进行时效处理，其中时效处理温度为890～910℃，时效处理时间为10～14小时；
步骤4：对经过步骤3处理的镍基高温合金进行水淬。
本发明在时效处理中有以下考虑：固溶处理的镍基高温合金在不同的冷却速度条件下δ相的含量和形貌各不相同。在以5℃/min及以下的冷却速率冷却时，在晶界及晶内均有δ相形核析出；在以5℃/min以上的冷却速率冷却时，组织中包含孪晶和位错，但无δ相的形核；在后续的时效处理中，预析出的δ相形核不需孕育期可以直接长大，可以提高镍基高温合金在时效过程中δ相的析出量，缩短时效热处理时间。这种热处理方式能够有效地调控镍基高温合金中δ相的析出行为，提高镍基高温合金的热加工性能。
本发明采用以上方案，具有以下优点：该发明对镍基高温合金进行了固溶处理，冷却速率越小，合金中的δ相形核数目越多；在后续的时效处理过程中，预析出的δ相形核不需要孕育期可直接长大，并且可以通过改变外加温度场调控δ相的析出行为，从而提高了镍基高温合金中δ相的析出量，减少了时效处理时间，并且提高了合金的热加工性能。该方法操作简单，有利于提高时效处理过程中δ相的含量，从而可以提高镍基高温合金的热加工性能，经济效果显著，有较大的应用价值。
本发明所指的δ相体积分数是用Image-Pro Plus 6.0软件进行统计的。热模拟实验是在Gleeble-3500热模拟试验机上进行的。
附图说明
图1本发明热处理方法的流程图
图2固溶处理冷却后镍基高温合金的SEM图片：(a)为未经本发明方法处理的晶界形貌图；(b)为经本发明方法处理的晶界形貌图
图3固溶处理冷却后镍基高温合金的TEM明场图片：(a)为未经本发明方法处理的组织形貌图；(b)为经本发明方法处理的组织形貌图
图4时效处理冷却后镍基高温合金的金相图片：(a)为未经本发明方法处理的析出相形貌图；(b)经本发明方法处理的析出相形貌图
图5镍基高温合金的热加工图：(a)为未经本发明方法处理的热加工图；(b)经本发明方法处理的热加工图
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明是一种镍基高温合金热处理方法，以表1所示合金成分的镍基高温合金为例，详细介绍本发明涉及的热处理方法。
表1本发明实例中所用材料的合金成分(wt％)
实施例1
采用1040℃固溶处理镍基高温合金，固溶处理时间为45分钟，然后以4℃/min的冷却速度冷却至室温，随后进行时效处理，时效温度为900℃，时效时间为12小时，最后进行水淬。
实施例2
采用1040℃固溶处理镍基高温合金，固溶处理时间为45分钟，然后空冷(约30℃/min)至室温，随后进行时效处理，时效温度为900℃，时效时间为12小时，最后进行水淬。
实施例3
采用1040℃固溶处理镍基高温合金，固溶处理时间为45分钟，然后水冷(约300℃/min)至室温，随后进行时效处理，时效温度为900℃，时效时间为12小时，最后进行水淬。
表2给出了实施例镍基高温合金中δ相的体积分数和可加工工艺参数范围。实施例1为本发明的实施例，实施例2和实施例3为常规热处理方法，是本发明的对照实施例。由表2可知，本发明实施例与对照实施例2相比较，δ相的体积分数提高了0.98％，加工温度范围扩大了30℃，应变速率范围扩大了，且上限提高到了0.100s-1；本发明实施例与对照实施例3相比较，δ相的体积分数提高了1.79％，加工温度范围扩大了50℃，应变速率范围扩大了，且应变速率下限可达0.001s-1。因此，本发明的热处理方法有效提高了δ相的体积分数，拓宽了镍基高温合金的热加工工艺参数范围，降低了对设备负载和运行精度的要求，减小了因工艺参数波动导致零件报废的机率，提高了镍基高温合金的热加工性能。
图1所示为常规热处理方法和本发明热处理方法的流程图。图2(a)和(b)所示为用常规方法和本发明方法固溶处理镍基高温合金的SEM图片，图3(a)和(b)所示为用常规方法和本发明方法固溶处理镍基高温合金的TEM图片。由图2和图3可知，用常规方法固溶处理镍基高温合金的晶界和晶内均无δ相形核的析出，而用本发明方法固溶处理镍基高温合金的晶界和晶内均有δ相形核的析出。图4(a)和(b)所示为用常规方法和本发明方法时效处理镍基高温合金的金相图片。由图4可知，用本发明方法时效处理的镍基高温合金中δ相的析出量要大于用常规方法时效处理后的镍基高温合金中δ相的析出量。图5(a)和(b)所示为用常规热处理方法和本发明热处理方法处理镍基高温合金的热加工图，图中阴影部分为加工失稳参数的分布区域。由图5可知，本发明热处理方法可以减小镍基高温合金的加工失稳参数范围，拓宽可加工工艺参数范围，从而提高了镍基高温合金的热加工性能。由图1～5可知，本发明热处理方法可以通过控制镍基高温合金固溶处理冷却速率的方式调控时效处理过程中δ相的析出量，从而达到调控时效处理时间和镍基高温合金的热加工性能的目的。采用本发明方法固溶处理的镍基高温合金有δ相形核的析出，在后续的时效处理过程中预析出的δ相形核无需孕育期可以直接长大，从而可以提高镍基高温合金中δ相的析出量，缩短了时效处理时间，同时提高了镍基高温合的热加工性能。而采用常规方法固溶处理的镍基高温合金中无δ相形核的析出，在后续的时效处理过程中δ相须先形核再长大，增长了时效处理时间，也不利于镍基高温合热加工性能的提高。因此，相对于常规热处理方法而言，本发明热处理方法提高了镍基高温合金中δ相的析出量，缩短了时效热处理时间，同时提高了镍基高温合金的热加工性能，降低了生产成本，有较大的应用价值。
表2使用实施例中合金的δ相体积分数和可加工工艺参数范围

Claims (3)

1.一种镍基高温合金的热处理方法，其特征在于：利用镍基高温合金在固溶处理和时效处理过程中复杂相的溶解与析出规律，制定了镍基高温合金的固溶处理和时效处理相结合的热处理方法，其方法包括以下步骤：
步骤1：对镍基高温合金进行固溶处理，固溶处理温度为1030～1050℃，固溶处理时间为40～50分钟；
步骤2：对经过步骤1处理后的镍基高温合金以一定的冷却速率进行冷却，冷却速率范围为3～5℃/min；
步骤3：对经过步骤2处理后的镍基高温合金进行时效处理，时效处理温度为890～910℃，时效处理时间为10～14小时；
步骤4：最后进行水淬。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：最终得到的镍基高温合金中δ相体积分数范围为6.56～7.54％，可加工温度范围为930～1010℃，可加工应变速率范围为0.001～0.100s-1。
3.如权利要求1所述的方法，镍基高温合金的成分为(wt％)：Ni 52.82，Cu 18.19，Nb5.23，Mo 3.01，Ti 1.00，Al 0.59，C 0.03，Co 0.03，Fe余量。
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