CN104745992B - 发动机涡轮用高温合金的热处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种发动机涡轮用高温合金的热处理方法，热处理为分阶段热处理：(1)固溶：将热轧坯料加热到1100‑1200℃保温9‑12小时，然后进行空冷；(2)第一阶段时效处理：将坯料放入热处理加热装置中，由室温升温至900‑1000℃进行保温处理，保温时间为12‑28h；(3)第二阶段时效处理：以5‑60℃/min冷却到720‑800℃进行第二阶段时效处理：在720‑800℃保温时间24‑36h；(4)第三阶段时效处理：以5‑40℃/min冷却到650‑700℃进行第三阶段时效处理：在650‑700℃保温10‑12h，最后将坯料空冷至室温。坯料成分设计合理，配合合理的热加工工艺、生产组织方便、现场可操作性强、装备通用性强的特点，生产的高温合金大型涡轮盘产品质量高，组织性能符合标准要求，生产效率高，经济效益和社会效益显著。
Description
技术领域
本发明属于高温合金热处理领域，具体为一种发动机涡轮用高温合金的热处理方法。
背景技术
高温合金是指以铁、钻、镍为基，能在600℃以上高温下服役而研制的一类金属材料。高温合金为单一的奥氏体基体组织，拥有较高的高温强度、抗氧化和抗腐蚀性能，具有良好的组织稳定性和使用可靠性，又称热强合金和热稳定性高温合金，国外常称之为超合金(Superalloy)。
高温合金按照合金成分、组织和成型工艺不同可以有不同的分类方法。按基体元素分类，主要有镍基高温合金、钻基高温合金和铁基高温合金，此外还另有一个分支镍一铁基高温合金。按制备工艺分，可以分为变形高温合金、铸造高温合金和粉末高温合金。按强化方式分类可以分为固溶强化合金和时效沉淀强化型合金，不同强化型合金有不同的热处理制度。
高温合金的发展动力来源于高温燃气轮机的需要，燃气轮机发动机，尤其是航空发动机推力及效率的日益增长，发动机工作温度的不断提高，这就要求材料必须具备更高的耐一温能力。在发动机的运行过程中，部件往往要遭受氧化及各种腐蚀，因此，要求使用的材料要具有优异的抗氧化及抗热腐蚀能力。随着冶炼、加工、防护等工艺技术的进步，高温合金的研究与应用步入了蓬勃的发展和应用时期。利用高温合金高强度性能、高温耐磨和耐腐蚀性能，目前高温合金除在航空、航天领域应用外，还广泛的应用于原子能、能源动力、交通运输、石油化工、矿山冶金、玻璃建材、造纸制浆和海水作业等领域，己成为衡量一个国家金属材料发展水平的主要标志之一。
高温合金的发展与航空发动机的进步密切相关。从20世纪30年代后期起，英、德、美等国家就开始研究高温合金。航空发动机的发展与高温合金发展是齐头并进、密不可分的，前者是后者的主要动力，后者是前者的重要保证。占据着航空发动机中温度最高，应力最复杂的位置的铸造涡轮叶片合金发展尤其是这样。40年代初，在英国由于当时Whittle喷气发动机的出现，要求比奥氏体不锈钢蠕变性能更好的板材和棒材。英国Mond公司(现称国际镍公司 )1941年生产了加入少了C和Ti的Nimonic75合金，用作短时使用的叶片材料，后来加入Al并增加Ti含量，不久发展了Nimonic80合金，并在 1942年成功地用作涡轮喷气发动机的叶片材料，这是最早发展的以Ni:(Al，Ti)强化的涡轮叶片材料。此后该公司又在合金中加入B，并调整Al、Ti含量，开发成功Nimonic80A合金，为进一步改善蠕变和持久性能，以C。替代基体中的部分Ni，发展了Nimonic90合金，又加入Mo得到Nimoniel00等合金，形成Nimonie系统。
我国从1956年成功地熔炼出第一炉GH4030合金开始，上个世纪60年代相继研制了GH4037、K406等。通过近60年的发展，抗氧化高温合金的研制和开发目前主要集中在镍基或铁基高温合金上。其发展的历程与国际接轨，即遵从变形合金、铸造合金和定向单晶合金的发展道路，使中国成为继美、苏、英之后第四个在世界上形成独立高温合金体系的国家。
作为固定叶片和连接叶片与涡轮轴的核心部件，涡轮盘的可靠性和使用性能至关重要，这就对涡轮盘的生产，尤其是热加工提出了极高的要求。为提高合金的承温能力，目前采用降低Cr、提高难熔元素总量(W，Nb，Ta，Re，Mo等)和沉淀强化相γ′含量的合金设计方法。随着涡轮盘的合金化程度不断提高，严重的偏析使热加工性能恶化，低周疲劳性能降低，疲劳裂纹容易扩展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种发动机涡轮用高温合金的热处理方法，坯料成分设计合理，配合合理的热加工工艺、生产组织方便、现场可操作性强、装备通用性强的特点，生产的高温合金大型涡轮盘产品质量高，组织性能 符合标准要求，生产效率高，经济效益和社会效益显著。具有优异的可加工性能和高的承温能力，能满足航空发动机对涡轮盘材料的需要。
本发明的技术方案完整一体，每个参数均是经过严格控制，使得产品质量得到保证。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种发动机涡轮用高温合金的热处理方法，所述高温合金材料的成分按重量百分比计包括：C：0.21-0.35%，Mn：2.0-2.5%，Si：0.40-0.61%，Cr：18.1-19.2%，Mo：8.0-11.0%，W：3.0-3.80%，Al：0.05-0.40%，Cu：0.15-0.30%，Fe：5.0-9.5%，B:1.0-3.0%，Ti:3.0-3.5%，Co：6.0-8.2%，Zr：0.12-0.25%，Nb：1.0-1.5%，余量为Ni及不可避免的杂质，将上述合金进行熔炼，铸造，锻造和/或轧制后，接着对其进行热处理，所述热处理为分阶段热处理：(1)固溶：将热轧坯料加热到1100-1200℃保温9-12小时，然后进行空冷；(2) 第一阶段时效处理：将坯料放入热处理加热装置中，由室温升温至900-1000℃进行保温处理，保温时间为12-28h；(3) 第二阶段时效处理：以5-60℃/min冷却到720-800℃进行第二阶段时效处理：在720-800℃保温时间24-36h；(4) 第三阶段时效处理：以5-40℃/min冷却到650-700℃进行第三阶段时效处理：在650-700℃保温10-12h，最后将坯料空冷至室温。
更进一步地， 包括以下步骤：
(1)原料准备：按高温合金材料的成分进行配料;
(2)熔炼电极棒,将原料进行熔炼 控制真空度0.05-0.2Pa，原料全部熔化后保持熔炼功率不变35-40分钟；提高真空度至0.001-0.01Pa，在1620℃-1640℃精炼10-15分钟，调整成分使其符合要求, 然后调整至1530-1580℃浇注成自耗电极棒；
(3)电渣重熔：电渣重熔的渣料配比按重量份为：CaF2：45-55%，Al2O3：18-23%；CaO：15.5-18%；SiO2：16.5-19.2%，将上述渣料加热至熔融状态，倒入结晶器中，结晶器和底板均用水冷却，将步骤2中制备的自耗电极棒缓慢下降到熔融的电渣重熔的渣料中，通电起弧后，调整重熔电压至35-65V、电流3000-8000A；自耗电极棒受电阻热缓慢熔化，熔化后的自耗电极棒液滴穿过熔融的渣料层与渣料发生反应而得到提纯，并在结晶器的底部重新结晶，得到组织致密、均匀、纯净，表面光洁的电渣锭；
(4)锻制：将电渣锭放入初始温度450-480℃的加热炉内进行加热，升温至1100-1230℃，保温3-4h后再在1000-1050℃，保温10-20h，然后进行锻造，锻造成合金坯，冷却至常温；
(5)热轧：加热至1000℃-1035℃进行热轧，热轧后在空气中冷却至常温；
(6)热处理：进行所述的分阶段热处理。
更进一步地，C：0.22-0.28%，Mn：2.1-2.2%，Si：0.45-0.61%，Cr：18.3-19.2%，Mo：8.25-10.4%，W：3.50-3.80%，Al：0.05-0.35%，Cu：0.18-0.27%，Fe：5.0-9.2%，B:1.0-1.1%，Ti:3.15-3.45%，Co：6.7-8.2%，Zr：0.12-0.18%，Nb：1.12-1.38%，余量为Ni及不可避免的杂质。
更进一步地，C：0.24-0.256%，Mn：2.15-2.18%，Si：0.48-0.59%，Cr：18.45-19.15%，Mo：9.15-10.05%，W：3.65-3.78%，Al：0.18-0.32%，Cu：0.21-0.245%，Fe：5.8-8.2%，B:1.05-1.08%，Ti:3.22-3.43%，Co：6.93-7.98%，Zr：0.14-0.16%，Nb：1.18-1.31%，余量为Ni及不可避免的杂质。
更进一步地，C：0.245%，Mn：2.18%，Si：0.56%，Cr：18.8%，Mo：9.3%，W：3.66%，Al：0.12%，Cu：0.21%，Fe：0.64%，B:1.05%，Ti:3.26%，Co：6.88%，Zr：0.16%，Nb：1.23%，余量为Ni及不可避免的杂质。
更进一步地，所述分阶段热处理：(1)固溶：将热轧坯料加热到1150-1185℃保温10-11小时，然后进行空冷；(2) 第一阶段时效处理：将坯料放入热处理加热装置中，由室温升温至950-980℃进行保温处理，保温时间为12-19h；(3) 第二阶段时效处理：以30℃/min冷却到735-785℃进行第二阶段时效处理：在735-785℃保温时间25-34h；(4) 第三阶段时效处理：以20℃/min冷却到665-685℃进行第三阶段时效处理：在665-685℃保温10-12h，最后将坯料空冷至室温。
更进一步地，包括以下步骤：
(1)原料准备：按高温合金材料的成分进行配料;
(2)熔炼电极棒,将原料进行熔炼 控制真空度0.07Pa，原料全部熔化后保持熔炼功率不变38分钟；提高真空度至0.008Pa，在1630℃精炼12分钟，调整成分使其符合要求, 然后调整至1550℃浇注成自耗电极棒；
(3)电渣重熔：电渣重熔的渣料配比按重量份为：CaF2：46.6%，Al2O3：20.2%；CaO：15.8%；SiO2：17.4%，将上述渣料加热至熔融状态，倒入结晶器中，结晶器和底板均用水冷却，将步骤2中制备的自耗电极棒缓慢下降到熔融的电渣重熔的渣料中，通电起弧后，调整重熔电压至40V、电流4500A；自耗电极棒受电阻热缓慢熔化，熔化后的自耗电极棒液滴穿过熔融的渣料层与渣料发生反应而得到提纯，并在结晶器的底部重新结晶，得到组织致密、均匀、纯净，表面光洁的电渣锭；
(4)锻制：将电渣锭放入初始温度465℃的加热炉内进行加热，升温至1175℃，保温3.5h后再在1025℃，保温12h，然后进行锻造，锻造成合金坯，冷却至常温；
(5)热轧：加热至1020℃进行热轧，热轧后在空气中冷却至常温；
(6)热处理：接着对其进行热处理，所述热处理为分阶段热处理：(1)固溶：将热轧坯料加热到1155℃保温10小时，然后进行空冷；(2) 第一阶段时效处理：将坯料放入热处理加热装置中，由室温升温至950℃进行保温处理，保温时间为12-28h；(3) 第二阶段时效处理：以30℃/min冷却到760℃进行第二阶段时效处理：在760℃保温时间30h；(4) 第三阶段时效处理：以20℃/min冷却到670℃进行第三阶段时效处理：在670℃保温11h，最后将坯料空冷至室温。
通过上述方法制得的坯料在1000℃的抗拉强度为800MPa以上，屈服强度为650MPa以上，延伸率为20%以上。
本发明的效果在于：
本发明的高温合金材料配合特定的热处理工艺，具有优良的可加工性能和优异的高温性能，尤其具有优异的室温至高温拉伸强度，组织稳定性好，持久性能与高性能铸锻高温合金TMW相当。同时通过特定的参数优化，工艺配合，提供了可靠的制备方法，制造出符合要求的产品，同时，极大的提高了产品质量及成品率，降低生产成本，创造了极大的经济效益。后续的稍有复杂的热处理工艺，使得铸件的质量和性能得到更有力的保证。
通过上述方法制得的坯料在1000℃的抗拉强度为800MPa以上，屈服强度为650MPa以上，延伸率为20%以上。
具体实施方式
实施例
1
一种发动机涡轮用高温合金的热处理方法，所述高温合金材料的成分按重量百分比计包括：C：0.22%，Mn：2.25%，Si：0.52%，Cr：18.7%，Mo：9.15%，W：3.66%，Al：0.15%，Cu：0.21%，Fe：7.60%，B:2.3%，Ti:4.15%，Co：7.45%，Zr：0.19%，Nb：1.33%，余量为Ni及不可避免的杂质，将上述合金进行熔炼，铸造，锻造并轧制后，接着对其进行热处理，所述热处理为分阶段热处理：(1)固溶：将热轧坯料加热到1185℃保温11小时，然后进行空冷；(2) 第一阶段时效处理：将坯料放入热处理加热装置中，由室温升温至980℃进行保温处理，保温时间为14h；(3) 第二阶段时效处理：以45℃/min冷却到790℃进行第二阶段时效处理：在790℃保温时间28h；(4) 第三阶段时效处理：以30℃/min冷却到680℃进行第三阶段时效处理：在680℃保温12h，最后将坯料空冷至室温。
通过上述方法制得的坯料在1000℃的抗拉强度为803MPa，屈服强度为653MPa，延伸率为27%。
实施例
2
一种发动机涡轮用高温合金的热处理方法，所述高温合金材料的成分按重量百分比计包括：C：0.265%，Mn：2.18%，Si：0.54%，Cr：18.7%，Mo：9.3%，W：3.68%，Al：0.28%，Cu：0.21%，Fe：6.5%，B:1.05%，Ti:3.33%，Co：6.81%，Zr：0.16%，Nb：1.21%，余量为Ni及不可避免的杂质，所述发动机涡轮用高温合金材料的制造方法， 包括以下步骤：
(1)原料准备：按上述合金成分进行配料;
(2)熔炼电极棒,将原料进行熔炼 控制真空度0.1Pa，原料全部熔化后保持熔炼功率不变37分钟；提高真空度至0.008Pa，在1635℃精炼12分钟，调整成分使其符合要求, 然后调整至1555℃浇注成自耗电极棒；
(3)电渣重熔：电渣重熔的渣料配比按重量份为：CaF2：47.1%，Al2O3：20.0%；CaO：16.2%；SiO2：16.7%，将上述渣料加热至熔融状态，倒入结晶器中，结晶器和底板均用水冷却，将步骤2中制备的自耗电极棒缓慢下降到熔融的电渣重熔的渣料中，通电起弧后，调整重熔电压至40V、电流4000A；自耗电极棒受电阻热缓慢熔化，熔化后的自耗电极棒液滴穿过熔融的渣料层与渣料发生反应而得到提纯，并在结晶器的底部重新结晶，得到组织致密、均匀、纯净，表面光洁的电渣锭；
(4)锻制：将电渣锭放入初始温度465℃的加热炉内进行加热，升温至1200℃，保温3.5h后再在1025℃，保温15h，然后进行锻造，锻造成合金坯，冷却至常温；
(5)热轧：加热至1020℃进行热轧，热轧后在空气中冷却至常温；
(6)热处理：接着对其进行热处理，所述热处理为分阶段热处理：(1)固溶：将热轧坯料加热到1150℃保温11小时，然后进行空冷；(2) 第一阶段时效处理：将坯料放入热处理加热装置中，由室温升温至950℃进行保温处理，保温时间为15h；(3) 第二阶段时效处理：以30℃/min冷却到730℃进行第二阶段时效处理：在730℃保温时间15h；(4) 第三阶段时效处理：以20℃/min冷却到660℃进行第三阶段时效处理：在660℃保温11h，最后将坯料空冷至室温。
通过上述方法制得的坯料在1000℃的抗拉强度为805MPa，屈服强度为665MPa，延伸率为23%。
本发明具有成分设计合理，配合合理的热处理工艺、生产组织方便、现场可操作性强、装备通用性 强的特点，生产的高温合金大型涡轮盘产品质量高，组织性能 符合标准要求，生产效率高，经济效益和社会效益显著。
Claims (6)
1.一种发动机涡轮用高温合金的热处理方法，其特征在于：所述高温合金材料的成分按重量百分比计包括：C：0.21-0.35%，Mn：2.0-2.5%，Si：0.40-0.61%，Cr：18.1-19.2%，Mo：8.0-11.0%，W：3.0-3.80%，Al：0.05-0.40%，Cu：0.15-0.30%，Fe：5.0-9.5%，B:1.0-3.0%，Ti:3.0-3.5%，Co：6.0-8.2%，Zr：0.12-0.25%，Nb：1.0-1.5%，余量为Ni及不可避免的杂质，将上述合金进行熔炼，铸造，锻造，轧制后，接着对其进行热处理，所述热处理为分阶段热处理：(1)固溶：将热轧坯料加热到1100-1200℃保温9-12小时，然后进行空冷；(2) 第一阶段时效处理：将坯料放入热处理加热装置中，由室温升温至900-1000℃进行保温处理，保温时间为12-28h；(3) 第二阶段时效处理：以5-60℃/min冷却到720-800℃进行第二阶段时效处理：在720-800℃保温时间24-36h；(4) 第三阶段时效处理：以5-40℃/min冷却到650-700℃进行第三阶段时效处理：在650-700℃保温10-12h，最后将坯料空冷至室温。
2.根据权利要求1所述的发动机涡轮用高温合金的热处理方法，其特征在于， 包括以下步骤：
(1)原料准备：按高温合金材料的成分进行配料;
(2)熔炼电极棒,将原料进行熔炼 控制真空度0.05-0.2Pa，原料全部熔化后保持熔炼功率不变35-40分钟；提高真空度至0.001-0.01Pa，在1620℃-1640℃精炼10-15分钟，调整成分使其符合要求, 然后调整至1530-1580℃浇注成自耗电极棒；
(3)电渣重熔：电渣重熔的渣料配比按重量百分比为：CaF2：45-55%，Al2O3：18-23%；CaO：15.5-18%；SiO2：16.5-19.2%，所述渣料中各组分重量百分比之和为100%，将上述渣料加热至熔融状态，倒入结晶器中，结晶器和底板均用水冷却，将步骤(2)中制备的自耗电极棒缓慢下降到熔融的电渣重熔的渣料中，通电起弧后，调整重熔电压至35-65V、电流3000-8000A；自耗电极棒受电阻热缓慢熔化，熔化后的自耗电极棒液滴穿过熔融的渣料层与渣料发生反应而得到提纯，并在结晶器的底部重新结晶，得到组织致密、均匀、纯净、表面光洁的电渣锭；
(4)锻造：将电渣锭放入初始温度450-480℃的加热炉内进行加热，升温至1100-1230℃，保温3-4h后再在1000-1050℃，保温10-20h，然后进行锻造，锻造成合金坯，冷却至常温；
(5)热轧：加热至1000℃-1035℃进行热轧，热轧后在空气中冷却至常温；
(6)热处理：进行如权利要求1所述的分阶段热处理。
3.如权利要求1或2所述的发动机涡轮用高温合金的热处理方法，其特征在于：C：0.22-0.28%，Mn：2.1-2.2%，Si：0.45-0.61%，Cr：18.3-19.2%，Mo：8.25-10.4%，W：3.50-3.80%，Al：0.05-0.35%，Cu：0.18-0.27%，Fe：5.0-9.2%，B:1.0-1.1%，Ti:3.15-3.45%，Co：6.7-8.2%，Zr：0.12-0.18%，Nb：1.12-1.38%，余量为Ni及不可避免的杂质。
4.如权利要求1或2所述的发动机涡轮用高温合金的热处理方法，其特征在于：C：0.24-0.256%，Mn：2.15-2.18%，Si：0.48-0.59%，Cr：18.45-19.15%，Mo：9.15-10.05%，W：3.65-3.78%，Al：0.18-0.32%，Cu：0.21-0.245%，Fe：5.8-8.2%，B:1.05-1.08%，Ti:3.22-3.43%，Co：6.93-7.98%，Zr：0.14-0.16%，Nb：1.18-1.31%，余量为Ni及不可避免的杂质。
5.如权利要求1或2所述的发动机涡轮用高温合金的热处理方法，其特征在于：所述分阶段热处理：(1)固溶：将热轧坯料加热到1150-1185℃保温10-11小时，然后进行空冷；(2) 第一阶段时效处理：将坯料放入热处理加热装置中，由室温升温至950-980℃进行保温处理，保温时间为12-19h；(3) 第二阶段时效处理：以30℃/min冷却到735-785℃进行第二阶段时效处理：在735-785℃保温时间25-34h；(4) 第三阶段时效处理：以20℃/min冷却到665-685℃进行第三阶段时效处理：在665-685℃保温10-12h，最后将坯料空冷至室温。
6.根据权利要求4所述的发动机涡轮用高温合金的热处理方法，其特征在于， 包括以下步骤：
(1)原料准备：按高温合金材料的成分进行配料;
(2)熔炼电极棒,将原料进行熔炼 控制真空度0.07Pa，原料全部熔化后保持熔炼功率不变38分钟；提高真空度至0.008Pa，在1630℃精炼12分钟，调整成分使其符合要求, 然后调整至1550℃浇注成自耗电极棒；
(3)电渣重熔：电渣重熔的渣料配比按重量份为：CaF2：46.6%，Al2O3：20.2%；CaO：15.8%；SiO2：17.4%，将上述渣料加热至熔融状态，倒入结晶器中，结晶器和底板均用水冷却，将步骤(2)中制备的自耗电极棒缓慢下降到熔融的电渣重熔的渣料中，通电起弧后，调整重熔电压至40V、电流4500A；自耗电极棒受电阻热缓慢熔化，熔化后的自耗电极棒液滴穿过熔融的渣料层与渣料发生反应而得到提纯，并在结晶器的底部重新结晶，得到组织致密、均匀、纯净，表面光洁的电渣锭；
(4)锻造：将电渣锭放入初始温度465℃的加热炉内进行加热，升温至1175℃，保温3.5h后再在1025℃，保温12h，然后进行锻造，锻造成合金坯，冷却至常温；
(5)热轧：加热至1020℃进行热轧，热轧后在空气中冷却至常温；
(6)热处理：接着对其进行热处理，所述热处理为分阶段热处理：(1)固溶：将热轧坯料加热到1155℃保温10小时，然后进行空冷；(2) 第一阶段时效处理：将坯料放入热处理加热装置中，由室温升温至950℃进行保温处理，保温时间为12-28h；(3) 第二阶段时效处理：以30℃/min冷却到760℃进行第二阶段时效处理：在760℃保温时间30h；(4) 第三阶段时效处理：以20℃/min冷却到670℃进行第三阶段时效处理：在670℃保温11h，最后将坯料空冷至室温。
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