CN105821359B - 一种高塑性镍基合金的热处理工艺 - Google Patents
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Abstract
一种高塑性镍基合金的热处理工艺，包括以下步骤：先将合金升温，之后进行低温固溶处理，保温一段时间后空冷；之后进行两级低温时效；解决了该合金塑性较差、热处理时长过长的技术问题，经过本发明制备的合金，强度略微上升，塑性明显提高，上升幅度可达30%~35%，并且热处理时长只有原来的一半，大大缩短了热处理时间。
Description
技术领域
本发明涉及一种高塑性镍基合金的热处理工艺。
背景技术
镍基合金具有高使用温度、高蠕变性能、高持久性能、高抗高温氧化性能等一系列优点，广泛应用于航空发动机、燃气轮机等领域。镍基粉末合金是一种新型的合金，相比于传统的铸锻合金，其具有无宏观偏析、晶粒细小、组织均匀、成本低等一系列优点，并且可以制造一些热加工性差的合金，目前已经成为航空航天发动机关键热端部件的必选材料，包括NASA、GE、P&W、Rolls-Royce等在内的知名机构和企业都在进行先进粉末高温合金的研制。目前世界上最先进的军机和民机，如A320、A330、B777、B787、F35等，无一例外在关键热端部件上选用了镍基粉末合金。因此，如何能制备出性能优良的镍基粉末合金非常重要。
虽然镍基粉末合金具有很多优势，但是一直以来都有三个主要的问题困扰着合金的开发者：热诱导孔洞、粉末原始颗粒边界以及非金属夹杂。这三种缺陷的存在，往往在宏观力学性能中表现出来，具有这三种缺陷的合金是致命的。国内外科研工作者经过了数十年的探索，仍未能很好地解决这一难题。其中重要的一个环节就是热处理工艺的改善。
镍基粉末合金传统的热处理工艺为固溶处理+时效处理。其中固溶温度的选择一般以γ′相固溶温度为基准，一般热处理温度范围在γ′相固溶温度之下30℃到γ′相固溶温度之上30℃范围内。而碳化物的析出温度作为时效温度的选择依据。对于本发明涉及的Ni-Co-Cr型高温合金，采用的传统的工艺是：固溶温度为1210℃（γ′相固溶温度以上25℃），时效温度为870℃（M6C碳化物的析出温度）。但是采用这种制度制备的合金，强度往往可以达到要求，但是塑性偏低，仅仅是略高于最低标准。这种情况限制了合金在部分关键场合的使用。目前国内外研究人员开展的相关改进研究中，获得材料的塑性大都集中在20%左右，这是不能满足合金的高需求的。并且传统的工艺热处理时间很长，完成一个热处理制度往往需要40~45小时，不利于工业生产。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种高塑性镍基合金的热处理工艺，解决了Ni-Co-Cr型镍基粉末合金塑性差的缺点，与现有的数据相比，可以使该合金延伸率上升35~40%，断面收缩率上升30~35%；本发明不影响合金的强度；与传统工艺相比，改进后的热处理制度时常由43小时缩短至25小时，降低了成本，更加适合工业化生产。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种高塑性镍基合金的热处理工艺，包括以下步骤：
1）按照以下质量百分比配制镍基粉末合金：Co：15~16.5%，Cr：8~10%，Al：4.8~5.3%，Ti：1.6~2%，W：5.2~5.9%，Mo：3.5~4.2%，Nb：2.4~2.8，C：0.02~0.06%，Hf：0.1~0.4%，B<0.015%，Ni为余量；
2）上述镍基粉末合金采用固溶和时效工艺处理，镍基粉末合金经真空感应熔炼和电渣重熔，得到合金棒材，采用PREP制粉设备加工为金属粉末，之后将其装入包套，进行热等静压成形；
3）将步骤2）得到的热等静压件进行固溶和时效热处理：
在1040~1080℃的马弗炉中保温1~5小时，之后取出空冷至室温，在750~850℃内进行时效，时效时长6~12小时；以0.3~1℃/min的速率降温至600~700℃，保温6~12小时，整个热处理时长<30小时。
本发明的有益效果是：
通过本发明制备的镍基粉末合金，抗拉强度可以达到1465~1500MPa，屈服强度达到965~1000MPa，延伸率达到25.5~29%，断面收缩率达到26~30%。与传统固溶时效处理工艺相比，抗拉强度下降2%，断后伸长率提高约40%，断面收缩率提高约35%。
经过本发明的镍基粉末合金，强度略微提升，塑性则得到了很大的提高，可以满足很多场合的要求。同时，可以在一定范围内调整热处理参数，经过调整的热处理工艺时间减少18~23小时，有效提高了生产效率，降低了企业的生产成本，适合工业化生产，在航空航天、石油化工领域都有实用价值。
附图说明
图1为本发明该合金的组织（×100）图。
图2为本发明该合金的组织（×200）图。
图3为常规工艺下合金的组织（×200）图。
图4为本发明的工艺曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
1）按照以下质量百分比配制镍基粉末合金：
表1为本发明合金化学成分（wt%）
熔炼，得到热等静压态合金，按照下述方法进行热处理：
2）采用VIM+ESR制备镍基合金棒，采用制粉机进行制粉，制备粉末装包套后进行热等静压；
3）步骤2）得到的热等静压件进行低温固溶+时效热处理：
在1080℃下保温5小时，之后取出空冷至室温，之后在850℃内进行时效，时效时长12小时；之后以1℃/min的速率降温至700℃，保温12小时，整个热处理时长23小时。
表2为本发明下该合金与常规工艺力学性能对比。可以发现，本发明在总体热处理时长减少的情况下，合金析出相更加细小弥散，晶界析出相减少，减小了晶界析出相作为弱连接区域的可能。同时，晶内析出相γ’相数量更多，尺寸也更为细小，都为合金具备高塑性创造了有利的条件。表中数据可见，合金的强度下降了约2~3%，但是延伸率上升了38%。
实施例1
本例实施中，1）按照以下质量百分比配制镍基粉末合金：Co：15.3%，Cr：9.4%，Al：4.7%，Ti：1.8%，W：5.2%，Mo：4.1%，C：0.43%，Nb：2.6，Hf：0.23%，B：0.010，Ni余量；
2）上述镍基粉末合金采用固溶和时效工艺处理，经真空感应熔炼和电渣重熔，得到800*Ф80的棒材，表面粗糙度Ra<1.6，采用PREP制粉设备加工为金属粉末，将其装入包套，进行热等静压成形；
3）将步骤2）得到的热等静压后的合金带包套进行热处理，在1040℃下进行固溶处理，在马弗炉中保温2小时，之后取出空冷至室温，之后在780℃下进行时效，时效时长8小时；之后以0.6℃/min的速率降温至680℃，保温8小时，整个热处理时长22小时。表3为本发明下该合金的力学性能。
实施例2
本例实施中，1）按照以下质量百分比配制镍基粉末合金：Co：15.4%，Cr：9.6%，Al：4.8%，Ti：1.7%，W：5.5%，Mo：3.8%，C：0.36%，Nb：2.5，Hf：0.26%，B：0.008，Ni余量；
2）上述镍基粉末合金按照经真空感应熔炼和电渣重熔，得到700*Ф70的棒材，表面粗糙度Ra<1.6，采用PREP制粉设备加工为金属粉末，之后将其装入包套，进行热等静压成形；
3）将步骤2）的镍基粉末合金热等静压后的合金带包套进行热处理，在1060℃下进行固溶处理，在马弗炉中保温5小时，之后取出空冷至室温，之后在，750℃下进行时效，时效时长7小时；之后以0.3℃/min的速率降温至610℃，保温7小时，整个热处理时长25小时。表3为本发明下该合金的力学性能。
实施例3
本例实施中，1）按照以下质量百分比配制镍基粉末合金：Co：15.6%，Cr：9.1%，Al：4.9%，Ti：1.8%，W：5.3%，Mo：3.8%，C：0.35%，Nb：2.5，Hf：0.22%，B：0.011，Ni余量；
2）上述镍基粉末合金采用固溶和时效工艺处理，经真空感应熔炼和电渣重熔，得到800*Ф80的棒材，表面粗糙度Ra<1.6，采用PREP制粉设备加工为金属粉末，之后将其装入包套，进行热等静压成形；
3）将步骤2）得到的热等静压后的合金带包套进行热处理，在1070℃下进行固溶处理，在马弗炉中保温1小时，之后取出空冷至室温，之后在800℃下进行时效，时效时长8小时；之后以1℃/min的速率降温至680℃，保温8小时，整个热处理时长21小时。
表3为本发明下该合金的力学性能。
。
Claims (1)
1.一种高塑性镍基合金的热处理工艺，其特征在于，包括以下步骤：
1）按照该合金成分配比，经真空感应熔炼和电渣重熔得到合金棒材，采用PREP制粉设备加工为金属粉末；
2）之后将其装入不锈钢包套，进行热等静压成形；
3）将步骤2）得到的热等静压件进行固溶和时效热处理：
在1040~1080℃的马弗炉中保温1~5小时，之后取出空冷至室温，在750~850℃内进行时效，时效时长6~12小时；以0.3~1℃/min的速率降温至600~700℃，保温6~12小时，整个热处理时长<30小时；
所述的步骤3）中固溶温度低于γ′相固溶温度100~150℃；
所述的步骤3）中时效热处理采用了两级时效热处理制度，并且最终时效温度低于合金的使用温度；
所述的步骤1）的合金成分配比为，镍基粉末合金：Co：15~16.5%，Cr：8~10%，Al：4.8~5.3%，Ti：1.6~2%，W：5.2~5.9%，Mo：3.5~4.2%，Nb：2.4~2.8，C：0.02~0.06%，Hf：0.1~0.4%，B<0.015%，Ni为余量。
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Heat-treatment technology of high-plasticity nickel base alloy Effective date of registration: 20190522 Granted publication date: 20180309 Pledgee: Xi'an investment and financing Company limited by guarantee Pledgor: XI'AN SINO-EURO MATERIALS TECHNOLOGIES Co.,Ltd. Registration number: 2019610000100 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20200716 Granted publication date: 20180309 Pledgee: Xi'an investment and financing Company limited by guarantee Pledgor: XI'AN SINO-EURO MATERIALS TECHNOLOGIES Co.,Ltd. Registration number: 2019610000100 |
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| CP03 | Change of name, title or address | ||
| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: 710018 No. 45, Fengcheng Second Road, Xi'an Economic and Technological Development Zone, Xi'an City, Shaanxi Province Patentee after: Xi'an Ouzhong Materials Technology Co.,Ltd. Country or region after: China Address before: No.45, Fengcheng 2nd Road, economic and Technological Development Zone, Xi'an, Shaanxi 710018 Patentee before: XI'AN SINO-EURO MATERIALS TECHNOLOGIES Co.,Ltd. Country or region before: China |