CN104611656A - 一种提高[011]取向镍基单晶高温合金持久寿命的预处理工艺 - Google Patents

Abstract

本发明属于高温合金领域，特别是涉及一种能明显提高[011]取向镍基单晶高温合金在不同条件持久寿命的预先压应力处理工艺。其特征在于：在1020-1080℃高温条件下，对[011]取向合金沿[100]方向施加应力为150-180MPa，并持续38小时，使其合金中的γ′相转变成与应力轴垂直的筏形组织，通过改变组织结构，来提高合金的蠕变性能，从而提高其持久寿命。通过本发明的实施，经过预先压应力处理的单晶合金比没有经过预先压应力处理的单晶合金持久寿命提高0.48～15倍。

Description

一种提高[011]取向镍基单晶高温合金持久寿命的预处理工艺

技术领域：本发明属于高温合金领域，特别是涉及一种能明显提高[011]取向镍基单晶高温合金在不同条件持久寿命的预先压应力处理工艺。

背景技术：单晶镍基高温合金具有优良的高温性能，是目前制造先进航空发动机和燃气轮机叶片部件的主要使用材料。在离心力作用下，蠕变损伤是单晶镍基合金主要的失效方式。

单晶高温合金的组织结构由立方γ′相以共格方式崁镶在γ基体所组成，其两相均为面心立方结构，晶体取向一致，因此，单晶高温合金固有的晶体学特性决定了其力学行为的各向异性，即：沿不同的结晶学取向[001]、[011]和[111]具有不同的力学性能，[001]、[011]和[111]均指晶体生长方向，其中[001]取向指的是按照立方体边长方向生长，[011]指的是按照立方体面对角线方向生长，而[111]取向指的是按照体对角线方向生长。虽然目前商用镍基单晶合金均为[001]取向合金，但在实际工程应用中，制备的[001]取向单晶叶片不可避免会出现取向偏差，特别是叶片部件本身具有复杂的结构，致使叶片部件在服役期间承受的离心力偏离[001]取向。服役期间，当制备叶片部件的取向偏差和实际承受离心力的偏差之和接近[011]取向时，激活的位错可在[011]取向合金的roof和gable通道中滑移，其中，roof基体通道与施加的应力轴呈45°角，承受离心力的最大剪切应力，易于激活位错在该通道中滑移。因此，致使合金不论在中、高温服役条件下均具有极低的抗力，并使叶片部件过早发生突发性失效。

在服役或高温蠕变期间，单晶高温合金中的γ′相会发生沿某一取向的择优生长，即发生“筏形化”转变，且不同形貌和取向的筏状组织对合金的蠕变性能有重要影响。采用高温预应力处理，使合金中的γ′相转变成筏状结构，可消除roof和gable通道，以提高合金在蠕变期间位错滑移的阻力，降低合金蠕变期间的应变速率，从而提高合金的蠕变强度，改善合金的蠕变性能。

一些研究表明，对单晶合金进行预先压应力处理，使合金中γ′相沿某一取向形成筏状组织后，对合金蠕变性能的影响表现出不同的结果。既可以提高单晶合金的持久寿命，也可以降低单晶合金的持久寿命。对同一合金,当可以提高合金在高温/低应力条件下的持久寿命时，却降低了合金在中温/高应力条件下的持久寿命。尽管众多学者对预压缩工艺已经进行了大量的研究，但仅局限在对[001]取向单晶合金沿[001]取向进行预压应力处理及性能评价。对[011]取向单晶合金沿[100]取向进行预先压应力处理未见报道，而本发明中提到的该种预先压应力处理技术可以提高[011]取向合金在各种条件下的持久寿命。

发明内容：

发明目的：本发明涉及一种提高[011]取向镍基单晶高温合金持久寿命的预处理工艺，其目的在于提高[011]取向镍基单晶高温合金在不同条件下的持久寿命。

技术方案：本发明是通过以下技术方案实施的：

一种提高[011]取向镍基单晶高温合金持久寿命的预处理工艺，其特征在于：在1020-1080℃高温条件下，对[011]取向合金沿[100]方向施加应力为150–180MPa，并持续38小时，使其合金中的γ′相转变成与应力轴垂直的筏形组织，通过改变组织结构，来提高合金的蠕变性能，从而提高其持久寿命。

所述的镍基单晶高温合金以质量百分数为Ni-6.0Cr-5.0W-5.5Al-4.5Co-7.0Ta的母合金。

首先将单晶合金进行热处理，热处理工艺为：箱式电阻炉中将单晶合金加热1280℃保温2小时，再加热至1300℃持续4小时，空冷，然后在1080℃保温4小时，空冷，在870℃保温24小时，空冷。

优点及效果：本发明将采用标准热处理的[011]取向镍基单晶高温合金沿[100]方向在1020--1080℃/150--180MPa条件下预先压应力处理，并持续一定时间，压应力处理的受力面为(100)晶面。对预先压应力处理的单晶合金沿[011]取向进行不同条件下的拉伸蠕变性能测试，以检测预先压应力处理的效果，实验表明，经过预先压应力处理的单晶合金比没有经过预先压应力处理的单晶合金持久寿命提高0.48～15倍。

附图说明：

图1用于预先压应力处理的[011]取向单晶合金示意图；

图2预先压应力处理[011]取向单晶合金的拉伸蠕变样品示意图。

具体实施方式：

下面结合具体实施例对本发明进行说明：

附图1为用于预先压应力处理的[011]取向合金示意图。图中的Q为压应力。其中预先压应力处理合金的受力面为(100)晶面，预先压应力的方向与[100]取向平行，在1020--1080℃/180—150MPa条件下进行预先压应力处理，经预压缩处理后，合金中的γ′相将通过元素的定向扩散，转变成与应力轴平行的筏形组织，从而使合金在后续沿[011]方向拉伸蠕变过程中γ′相的形筏方向与拉应力轴垂直。预先压应力处理的单晶合金加工成图2所示的形状，进行不同条件下的拉伸蠕变性能测试，以验证预先压应力处理对合金蠕变性能的影响。

验证实例如下：

采用籽晶法在高温度梯度真空定向凝固炉中，将成分为Ni-6.0Cr-5.0W-5.5Al-4.5Co-7.0Ta(质量分数，%)的母合金，制备成[011]取向的镍基单晶试棒，在箱式电阻炉中将试棒进行热处理，选用的热处理工艺为：箱式电阻炉中将单晶合金加热1280℃保温2小时，再加热至1300℃持续4小时，空冷，然后在1080℃保温4小时，空冷，在870℃保温24小时，空冷。其目的是箱式电阻炉中将单晶合金加热1280℃保温2小时，对合金进行均匀化处理,以提高合金的初熔温度；再加热至1300℃持续4小时，空冷，使合金在更高的温度下固溶,以消除共晶组织；然后在1080℃保温4小时，空冷，以使γ′相充分析出；在870℃保温24小时，空冷，以使γ′相立方度增加，提高合金的蠕变强度。

将经完全热处理后的单晶合金试棒分成两段，其中一段直接加工成附图2所示的工字型蠕变试样，另一部分首先加工成附图1所示的预先压应力处理试棒，并按实施方式中的预先压应力处理工艺进行预应力处理，持续时间为38小时，然后将试样加工成工字型。将其和未经过预先压应力处理的合金进行不同条件的拉伸蠕变性能测试，测试结果如下：

(1)未经预先压应力处理的[011]取向合金在850℃/400MPa条件下的持久寿命为11小时，而经过预先压应力处理的合金在此条件下的持久寿命延长至172小时，提高近15倍。

(2)未经预先压应力处理的[011]取向合金在1040℃/137MPa条件下的持久寿命为72小时，而经过预先压应力处理的合金在此条件下的持久寿命延长至163小时，提高了126.4%。

（3）未经预先压应力处理的[011]取向合金在1040℃/160MPa条件下的持久寿命为29小时，而经过预先压应力处理的合金在此条件下的持久寿命延长至43小时，提高了48.3%。

本方法也同样适用其它镍基单晶合金，如：Ni-Al-Ta-Cr-Co-W-Mo-Co-Re系列合金等。

Claims (3)

1.一种提高[011]取向镍基单晶高温合金持久寿命的预处理工艺，其特征在于：在1020-1080℃高温条件下，对[011]取向合金沿[100]方向施加应力为150-180MPa，并持续38小时，使其合金中的γ′相转变成与应力轴垂直的筏形组织，通过改变组织结构，来提高合金的蠕变性能，从而提高其持久寿命。

2.根据权利要求1所述的一种提高[011]取向镍基单晶高温合金持久寿命的预处理工艺，其特征在于：所述的镍基单晶高温合金以质量百分数为Ni-6.0Cr-5.0W-5.5Al-4.5Co-7.0Ta的母合金。

3.根据权利要求1或2所述的一种提高[011]取向镍基单晶高温合金持久寿命的预处理工艺，其特征在于：首先将单晶合金进行热处理，热处理工艺为：箱式电阻炉中将单晶合金加热1280℃保温2小时，再加热至1300℃持续4小时，空冷，然后在1080℃保温4小时，空冷，在870℃保温24小时，空冷。