CN105274459A - 真空热处理恢复镍基高温合金组织和性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种真空热处理恢复镍基高温合金组织和性能的方法，旨在提供一种修复速度快，成本较低，能够延长镍基高温合金热端部件使用寿命的方法。本发明通过下述技术方案予以实现：镍基高温合金热端部件在炉温≤150℃时入炉，炉内真空抽至10^-2Pa以上时，开始送电加热；在初始的30min±10min时间段内逐渐升温至400℃±50℃，保温30min～40min，保温结束后随炉升温进入第二热处理阶段；再以40min±10min时间段，采用逐级分段升温加热进行热处理随炉升温进入第四热处理阶段；保温时间以工作热电偶达到1220℃时开始计算，保温结束后，以40℃/min±15℃/min的冷却速度冷至1000℃±10℃，然后充入0.2MPa～0.3MPa惰性气体，冷至80℃以下出炉。

Description

真空热处理恢复镍基高温合金组织和性能的方法

技术领域

本发明涉及一种镍基高温合金热端部件组织和性能的恢复方法。

技术背景

镍基高温合金是现代航空发动机、航天器和火箭发动机以及舰艇和工业燃气轮机的关键热端部件材料(如涡轮叶片、涡轮盘、燃烧室和机匣等，尤其是发动机叶片)，是各种高温零部件中使用最广泛，牌号最多，使用量最大，地位最重要的一种高温合金。镍基高温合金是以含量一般大于50％的镍为基体、在650℃以上温度具有较高的强度和良好的抗氧化、抗燃气腐蚀能力的高温合金。镍基合金含有十多种元素，其中Cr主要起抗氧化和抗腐蚀作用，其它元素主要起强化作用。它具有较高的高温强度、蠕变强度和持久性能以及良好的抗疲劳性能、良好的组织稳定性和使用可靠性。使用最广的镍基高温合金的微观组织特征为沉淀强化相γ'相数量多，最高可达65％以上；γ/γ'相晶格常数相差不大，保持共格关系；γ'相中的Al含量高，γ'相较稳定；镍元素的第三电子壳层接近被填满，其在合金化时可以容纳更多的合金元素而不改变其稳定性，从而可添加大量合金元素进行合金化，来改善镍基高温合金的性能。镍基合金关键的强化作用来自于有序面心立方金属间化合物γ'-Ni₃(Al、Ti)相和少量弥散分布的碳化物。

长期工作在高温、环境恶劣、复杂应力条件下的发动机和燃气轮机的热端部件，特别是高压涡轮工作叶片在服役过程中承受高温、复杂应力及燃气腐蚀等苛刻条件。热端部件的服役寿命往往受限于材料的机械性能，如蠕变、热冲击、疲劳、氧化和腐蚀等，服役期间这些部件所产生的性能衰退会严重影响整套装备的使用寿命和安全性能。由于叶片受摩擦、冲击、高温燃气和冷热疲劳等作用，产生裂纹、腐蚀和磨损等损伤，致使大量叶片报废。而且叶片服役到一定寿命后将不可避免地出现材料的组织和性能衰退，当其损伤累积到一定程度时，需要更换新品。众所周知，涡轮叶片的生产工艺复杂，价格昂贵。材料的性能取决于其组织状态，因此，恢复涡轮叶片退化的组织和性能，延长叶片的使用寿命，降低整机的维修成本是提高航空发动机工作可靠性和经济性行之有效的方法，具有重要的现实意义。采用先进的修复技术对存在缺陷和损伤的叶片进行修复，延长其使用寿命，减少更换叶片，也日益受到发动机用户和修理单位的重视，并获得了广泛的应用。迄今为止，现有报道的热等静压技术只能部分恢复退化的镍基高温合金零件组织，而对于只是产生组织退化而没有产生蠕变空洞的镍基合金，如何恢复其零件组织和性能的研究还鲜见报道。

1991年出版的《JournalofMaterialsScience》第26卷第13期第3409-3421页指出采用热处理和热等静压方法恢复镍基合金的蠕变性能要在合适的阶段进行，即在接近蠕变曲线第三阶段之前，这种方法不能无限制的延长蠕变寿命，因为合金部件在服役中产生的某些损伤是不能恢复的。

2003年出版的《MaterialsScienceandEngineeringA》第340卷第1-2期第225-231页报道了锻造718合金由于多次焊接修理和焊后热处理引起合金的组织退化，通过热处理将有害相溶解，恢复了合金的可焊性，同时还细化了晶粒及提高了特殊晶界所占的分数。

2012年出版的《MaterialsScienceandTechnology》第28卷第8期第1018-1021页研究了热等静压参数对镍基合金蠕变空洞愈合行为的影响，较佳的热等静压工艺能够很好的愈合蠕变空洞和铸造疏松，但是不能将退化的组织完全恢复。

2013年出版的《JournalofMaterialsEngineeringandPerformance》第22卷第1期第215-222页介绍了采用热等静压+恢复热处理方法恢复产生蠕变空洞的镍基合金，发现热等静压处理后的恢复热处理能够很好的恢复退化的γ'相，恢复后的镍基合金硬度和持久寿命都高于没有使用过的原始合金。

热等静压处理不但成本高，设备也比较昂贵，一台热等静压设备的价格是一台真空热处理炉的几倍甚至十几倍。目前，国内只有几家单位有热等静压设备，而且有些在参数控制方面存在很大的局限，达不到工程化应用的要求。另外，热等静压+恢复热处理方法，用于恢复退化的组织，大材小用，这种技术用于合金蠕变损伤累积到一定程度，出现蠕变空洞的时候运用效果较好。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是产生组织与性能退化而没有形成蠕变空洞的镍基高温合金组织和性能的恢复。本发明的目的是提供一种工艺简单，效率高，修复速度快，成本较低，能够延长镍基高温合金热端部件使用寿命的方法。

本发明的上述目的可以通过以下技术方案予以实现，一种真空热处理恢复镍基高温合金组织和性能的方法，其特征在于包括如下步骤：将镍基高温合金热端部件保护涂层去除，洗净污物；把待修复的镍基高温合金热端部件置入真空热处理炉中，采用分段升温加热进行进行高温合金的固溶热处理；镍基高温合金热端部件在炉温≤150℃时入炉，炉内真空抽至10^-2Pa以上时，开始送电加热；在初始的30min±10min时间段内，热处理温度逐渐升温至400℃±50℃，保温30min～40min，保温结束后随炉升温进入第二热处理阶段；在40min±10min时间段内逐渐升温至675℃±20℃，保温≥60min，保温结束后随炉升温进入第三热处理阶段；在40min±10min时间段内逐渐升温至1190℃±10℃，保温2h±10min，保温结束后随炉升温进入第四热处理阶段；在30min±10min内升温至1230℃±10℃，保温6h±10min，保温时间以工作热电偶达到1220℃时开始计算，保温结束后，以40℃/min±15℃/min的冷却速度冷至1000℃±10℃，然后充入0.2MPa～0.3MPa惰性气体，冷却至80℃以下出炉。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

本发明在真空热处理炉中，采用分段升温加热处理待修复的镍基高温合金热端部件，通过向合金中输入适当热能使退化的γ'相和碳化物溶解，并重新析出尺寸细小、均匀和形状规则的γ'相来改善合金组织，有效恢复了产生组织退化而未形成蠕变空洞的镍基高温合金组织和性能。热处理修复服役后高温合金的组织损伤，修复过程速度快，成本较低。

本发明愈合合金中较小的铸造疏松和蠕变空洞效果较好。恢复后的高压涡轮叶片，可延长叶片的使用寿命，减少备件需求，能明显地降低发动机和地面燃机等整机的维修成本。

本发明对于由镍基合金铸造的涡轮叶片，进行组织和性能恢复后可延长使用寿命，减少对备件的需求，降低整机的维修成本。不仅可以用于镍基合金的组织和性能恢复，还可以用于改善镍基合金在制造时出现的不合格组织，以及合金经过多次处理出现的退化组织。

本发明只需一台能够到达一定真空度、加热温度和冷却速度的真空热处理炉，以及少量的惰性气体。所以，真空热处理方法工艺简单、成本低、效率高，是恢复镍基合金组织和性能的一种有效、高效且低能耗的好方法。

原则上来说，本发明可以运用于所有镍基合金，但是当运用到定向凝固镍基合金和镍基单晶合金时，要注意合金再结晶的控制。

附图说明

图1是发动机涡轮叶片使用500h的金相组织图。

图2是空发动机涡轮叶片使用500h恢复热处理后的金相组织图。

具体实施方式

材料的性能往往取决于其组织，镍基合金的主要强化相是γ'相，如果将退化的γ'相溶解，通过调整工艺重新析出尺寸、形状和数量比较理想的γ'相，则镍基合金的机械性能也将有所恢复。此处理类似于高温合金的固溶处理，由于其以恢复高温合金组织和性能为目的，所以又称为恢复热处理。经实验表明,确定恢复工作一段时间的镍基高温合金部件的真空热处理制度一般有以下几个原则：

1.热处理温度一般比镍基合金材料的固溶温度高20℃左右，太高会出现初溶组织，这是无法恢复的；温度偏低，γ'相只能部分溶解，没有溶解的γ'相在热处理过程中会进一步长大，而在热处理冷却过程中有细小的γ'相析出，从而使组织更加不均匀。

2.γ'相析出温度范围的冷却速度控制非常重要，是调节γ'相尺寸、分布和含量的重要参数，也是能否获得锯齿状晶界结构的重要影响因素。通常为了抑制γ'相的长大，获得尺寸合适的γ'相，冷却速度越快越好。

3.合适的保温时间就是要在一定的热处理温度下能够保证γ'相的充分回溶，而不导致像在晶界上的一些粗大、难以回溶的γ'相粗化明显。热处理温度高，保温时间要相应的短一些；如果热处理温度偏低，保温时间就应长些，根据具体材料来定时间。

4.并不是所有的镍基高温合金都可以采用真空热处理的方法恢复其组织和性能。一般来说，高温合金的蠕变断裂时间t_f与蠕变第三阶段开始时间t_t通常有线性关系。根据高温合金在接近服役条件下的蠕变曲线得出t_f/t_t，如果比值约等于1.5，说明蠕变过程中高温合金组织是稳定的，而晶界形成空洞或微裂纹是蠕变第三阶段蠕变速率增加的主要原因；如果比值大于1.5，说明第三阶段蠕变过程伴随着组织变化。这一规律在相当宽的范围内成立，与蠕变试验温度和应力无关。热处理恢复组织与性能只适应于t_f/t_t之值大于1.5，组织变化是造成第三阶段蠕变速率增加的高温合金。由于晶界产生孔洞或微裂纹而引起蠕变进入第三阶段的合金，不能通过热处理有效恢复其组织和性能，而必须与其它方法如热等静压方法相结合来达到目的。

5.选择合适的恢复热处理时机很重要。恢复过早，真空热处理起的作用不大；过晚，形成蠕变空洞或蠕变空洞聚集形成微裂纹，这是通过热处理不能够消除的，而且在真空热处理后，位错聚集，可能会形成裂纹，导致蠕变第三阶段缩短甚至消失，使用非常危险。研究表明，在蠕变第二阶段的中后期进行恢复热处理效果是最明显且是安全的。

6.在真空热处理时，炉内的真空度不能太高。炉内压力要高于在热处理温度下镍基合金主要元素的蒸气压，防止合金表面元素的挥发而改变合金的表面元素分布以及污染炉膛。

7.恢复热处理前后的处理也很重要。由于恢复热处理的温度较高，对于涡轮叶片来说，热处理对其表面的保护涂层有破坏作用，所以，恢复热处理前应将保护涂层去除，去除涂层时要注意去除程度的控制。在恢复热处理后重新制备保护涂层时，还要注意保护叶片的内腔，不能堵塞冷却通道和气膜孔。在整个恢复过程中，要配合无损检测，避免出现裂纹、腐蚀和内腔异物等缺陷。恢复热处理会使碳或碳化物形成元素较多的溶入到基体，从而加快恢复后叶片在使用过程中的组织和性能退化，可通过缩短两次恢复处理之间的时间间隔，来使这种不利影响降到最低。

在真空热处理恢复镍基高温合金组织和性能的方法实施例中，真空热处理的主要参数有温度、时间和冷却速度。另外，镍基高温合金的热处理温度较高，在加热时注意选择合适的升温速度，最好采用分段加热，来减小零部件的变形和保证零部件内部的温度均匀性。

比如由俄制ЖС6У合金精密铸造而成的发动机高压涡轮叶片，是具有高热强性的镍基铸造等轴高温合金，其特点是W，Mo，Nb等难熔元素含量较高，具有良好的综合性能，适用于1050℃以下工作的涡轮发动机工作叶片和导向叶片。该叶片使用到400h～600h进行一次恢复热处理处理，可将其使用寿命延长500h，其恢复热处理工艺如下：

1.在恢复热处理之前，要保证叶片表面的涂层已去除干净，且叶片和装叶片的夹具表面清洗干净、无污物。

2.叶片在炉温≤150℃时入炉，炉内真空抽至10^-2Pa以上时，开始送电加热。真空加热炉的炉温均匀性等应不低于HB5354中关于Ⅲ类炉的有关要求。

3.在30min±10min内升温至400℃±50℃，保温30min～40min，保温结束后随炉升温；

4.在40min±10min内升温至675℃±20℃，保温≥60min，保温结束后随炉升温；

5.在40min±10min内升温至1190℃±10℃，保温2h±10min，保温结束后随炉升温；

6.在30min±10min内升温至1230℃±10℃，保温6h±10min(保温时间以工作热电偶达到1220℃时开始计算)，保温结束后，以40℃/min±15℃/min的冷却速度冷至1000℃±10℃，然后充入0.2MPa～0.3MPa氩气冷至80℃以下出炉。

注意当炉温在800℃以上时，应向炉内回充少量高纯惰性气体，使炉内压力保持1Pa～100Pa的分压，以防止叶片表面元素挥发。

使用500h后的高涡叶片高温区组织如图1所示，γ'相基本为立方形状，相邻γ'相发生连接，尺寸有所长大；碳化物的数量较多，但基本上为颗粒状，没有发现蠕变空洞和铸造缺陷。此叶片按上述工艺恢复处理后的组织见图2，γ'相具有较好的正方度，尺寸变小，且更加均匀；碳化物在恢复前后变化不大，晶界上存在较多的粒状碳化物。可见，适当的恢复热处理工艺能够明显恢复退化的镍基合金组织。

Claims (8)

1.一种真空热处理恢复镍基高温合金组织和性能的方法，其特征在于包括如下步骤：把待修复的镍基高温合金热端部件置入真空热处理炉中，采用分段升温加热进行进行高温合金的固溶热处理；热处理前将镍基高温合金热端部件保护涂层去除，洗净污物；镍基高温合金热端部件在炉温≤150℃时入炉，炉内真空抽至10^-2Pa以上时，开始送电加热；在初始的30min±10min时间段内，热处理温度采用逐渐升温至400℃±50℃，保温30min～40min，保温结束后随炉升温进入第二热处理阶段；在40min±10min时间段内逐渐升温至675℃±20℃，保温≥60min，保温结束后随炉升温进入第三热处理阶段；在40min±10min时间段内逐渐升温至1190℃±10℃，保温2h±10min，保温结束后随炉升温进入第四热处理阶段；在30min±10min内升温至1230℃±10℃，保温6h±10min，保温时间以工作热电偶达到1220℃时开始计算，保温结束后，以40℃/min±15℃/min的冷却速度冷至1000℃±10℃，然后充入0.2MPa～0.3MPa惰性气体，冷至80℃以下出炉。

2.如权利要求1所述的真空热处理恢复镍基高温合金组织和性能的方法，其特征在于：热处理温度比镍基合金材料的固溶温度高15℃-25℃。

3.如权利要求1所述的真空热处理恢复镍基高温合金组织和性能的方法，其特征在于：在真空热处理时，根据镍基高温合金中易挥发的主要强化元素的蒸气压和平衡温度的关系，确定真空热处理的真空度和温度。

4.如权利要求3所述的真空热处理恢复镍基高温合金组织和性能的方法，其特征在于：镍基高温合金中Ti元素达到1.33×10^-2Pa蒸气压时的平衡温度为1249℃，为避免Ti元素挥发，真空热处理时在1.33×10^-2Pa真空度下加热温度不超过1249℃。

5.如权利要求1所述的真空热处理恢复镍基高温合金组织和性能的方法，其特征在于：当炉温在800℃以上时，向炉内回充少量高纯惰性气体，使炉内压力保持1Pa～100Pa的分压。

6.如权利要求1所述的真空热处理恢复镍基高温合金组织和性能的方法，其特征在于：真空热处理结束后，根据需获得的微观组织要求，以20℃/min～60℃/min的速度随炉冷却至1000℃，再充氩气冷却至80℃以下出炉。

7.如权利要求1所述的真空热处理恢复镍基高温合金组织和性能的方法，其特征在于：高温合金的固溶处理中，对于蠕变断裂时间t_f与蠕变第三阶段开始时间t_t的比值大于1.5的镍基高温合金热端部件，采用真空热处理方法恢复其组织和性能。

8.如权利要求1所述的真空热处理恢复镍基高温合金组织和性能的方法，其特征在于：恢复镍基高温合金热端部件组织和性能的最佳时机为合金蠕变第二阶段的中后期。