CN110592505A

CN110592505A - GH720Li合金组织性能精确控制的固溶处理方法

Info

Publication number: CN110592505A
Application number: CN201910869380.5A
Authority: CN
Inventors: 于秋颖; 方爽; 兰博; 张敏聪; 林莺莺
Original assignee: AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials
Current assignee: AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials
Priority date: 2019-09-12
Filing date: 2019-09-12
Publication date: 2019-12-20
Anticipated expiration: 2039-09-12
Also published as: CN110592505B

Abstract

本发明是一种GH720Li合金组织性能精确控制的固溶处理方法，该方法通过在不同固溶条件下一次γ′相与晶粒组织之间的变化规律，获得二者的对应关系，并利用不同固溶温度T和保温时间t下一次γ′相回溶转变动力模型得到合金不同晶粒组织特征所对应的固溶处理工艺条件，即固溶温度和保温时间的优化。避免了传统固溶处理工艺所引起的人力与物力消耗，又可“智能地”避开不利于性能的混晶组织，实现GH720Li合金在不同应用需求条件下组织性能的精确控制。

Description

GH720Li合金组织性能精确控制的固溶处理方法

技术领域

本发明是一种GH720Li合金组织性能精确控制的固溶处理方法，属于镍基高温合金的热处理工艺领域。

背景技术

GH720Li合金具有较高的高温强度、抗疲劳和抗蠕变、耐硫腐蚀及抗氧化性能，可广泛应用于航空发动机涡轮盘、涡轮叶片和紧固件等，也可用于制作新一代战略导弹和大推力火箭发动机整体涡轮转子，以及地面燃气轮机涡轮盘等。根据不同的应用需求，对该合金部件组织性能的指标要求不同，所实施的热处理制度也不相同。由于固溶处理对合金的晶粒组织有显著影响，进而显著影响整个热处理后合金部件的性能，因此，需在固溶处理阶段对合金组织进行精确控制，避免出现不利于性能的混晶组织，以最终实现组织性能的精确控制。

GH720Li合金一次γ′相控制合金晶粒度，而晶粒度某些情况下很难清晰地腐蚀表征出来，因此，一次γ′相体积分数就成为表征合金晶粒度的重要指标。一次γ′相受固溶条件的影响非常显著，因此，需重点掌握一次γ′相的回溶规律，以实现固溶处理阶段对合金晶粒组织的精确控制，进而精确控制合金性能。目前虽然针对该合金热处理工艺的研究较多，但只针对固溶过程中组织性能的研究却较少。国外研究了合金在1085～1145℃保温不同时间条件下一次γ′相残余量和晶粒尺寸的变化规律[Jackson M P,Reed R C.Heattreatment of Udimet 720Li:the effect of microstructure on properties[J].Materials Science and Engineering A,1999,259:85-97]，然而，对于更加敏感的1145～1170℃温度区间并没有进行研究，也缺少深入报道。国内目前也还缺少针对该合金固溶处理过程中γ′相和晶粒组织的系统性报道。

此外，GH720Li合金固溶处理过程中针对γ′相回溶特征值的动态变化规律需要大量的实验来表征，且有些高温条件下γ′相回溶速度很快，实验或工艺手段不能很好地给出γ′相回溶随保温时间的变化规律，因而也就很难通过固溶工艺方法实现该合金组织性能的精确控制。

发明内容

本发明正是针对上述现有技术中存在的不足而设计提供了一种GH720Li合金组织性能精确控制的固溶处理方法，其目的是建立GH720Li合金不同晶粒度与固溶温度、保温时间的关系。

为了达到以上目的，本发明采用以下技术方案：

该种GH720Li合金组织性能精确控制的固溶处理方法的步骤如下：

步骤一、GH720Li合金经过均匀化、开坯锻造处理后，在不同温度下进行固溶处理，每一个固溶温度下设置不同的保温时间，然后测定每一个固溶温度下，一次γ′相残余体积分数随保温时间的变化曲线；

步骤二、基于JMAK转变动力学模型，对每一个固溶温度下的一次γ′相残余体积分数随保温时间的变化曲线进行模拟与验证，得到每一个固溶温度下的一次γ′相的回溶转变动力学模型，该一次γ′相的回溶转变动力学模型的数学表达式如下：

其中，X为一次γ′相回溶体积分数，T为固溶温度，t为保温时间；

步骤三、在扫描电镜下通过观察确定步骤一中每个试样的一次γ′相残余体积分数与晶粒度的对应关系；

步骤四、根据步骤二建立的一次γ′相的回溶体积分数与固溶温度、保温时间的关系，以及步骤三建立的一次γ′相残余体积分数与晶粒度的对应关系，得到GH720Li合金不同晶粒度与固溶温度、保温时间的关系。

在一种实施中，步骤一所述的固溶温度的选择范围为1070～1190℃，保温时间的选择范围为5～480min。

在一种实施中，步骤一所述的固溶温度为1155℃，保温时间分别为5、10、20、30、60、240和480min。

在一种实施中，步骤一所述的固溶温度为1170℃，保温时间分别为5、10、20和60min。

在一种实施中，步骤一所述的固溶温度为1145℃，保温时间分别为60、120、240和480min。

在一种实施中，步骤三中所述的γ′相残余体积分数大于4.5％时，GH720Li合金为ASTM 8.0级以上的均匀细晶组织；一次γ′相残余体积分数为2.8％～4.5％时，GH720Li合金为轻微混晶组织；一次γ′相残余体积分数为0.5％～2.8％的范围时，GH720Li合金为严重混晶组织；一次γ′相残余体积分数小于0.5％时，GH720Li合金为ASTM 5.0级以下均匀粗晶组织。

在一种实施中，步骤一中所述固溶处理的试样出炉后水冷。

在一种实施中，根据步骤四确定的固溶温度、保温时间对工件进行固溶处理后，出炉、油冷。

本发明技术方案的特点及有益效果为：

1、由于GH720Li合金晶粒度存在表征困难的问题，而一次γ′相体积分数能够表征合金晶粒度，因此，本发明借助一次γ′相体积分数这个参量来间接表征晶粒度与固溶条件的对应关系，即首先建立一次γ′相体积分数与固溶条件的关系，然后根据一次γ′相与晶粒度的对应关系，最终得出晶粒度与固溶条件的对应关系；

2、与传统的固溶处理工艺反复“试错”法相比，通过模拟计算所建立的一次γ′相回溶转变动力模型，既可大幅度减少人力、物力消耗，又可“智能地”避开不利于性能的混晶组织，实现合金在不同应用需求条件下组织性能的精确控制，优化和预测该合金固溶处理工艺条件，提高了实际生产效率，对该合金固溶处理制度的制定具有重要意义。

附图说明

图1为利用一次γ′相的回溶转变动力学模型所获得的GH720Li合金在不同固溶处理条件下的晶粒特征，其中，I区为ASTM8.0以上的均匀细晶区；II区为混晶过渡区；III区为严重混晶区；IV区为ASTM5.0以上的均匀粗晶区；

图2为本发明实施例1中GH720Li合金一次γ′相残余体积分数与晶粒组织在1155℃下经过不同保温时间后的显微组织照片，其中，(a)5min；(b)10min；(c)20min；(d)30min；(e)1h；(f)4h；(g)8h

图3为本发明实施例1中中GH720Li合金一次γ′相残余体积分数与晶粒组织在1155℃下随保温时间的变化曲线

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述：

实施例1

采用本发明所述的GH720Li合金组织性能精确控制的固溶处理方法的步骤如下：

步骤1.将GH720Li合金经过均匀化、开坯锻造处理后，在1155℃时保温5、10、20、30、60、240和480min后水冷处理，然后测定一次γ′相残余体积分数分别为12.46％、8.16％、6.36％、5.03％、4.16％、1.19％和0，平均晶粒尺寸分别为3.73、4.53、5.12、7.68、28.56、49.57和68.14μm；

步骤2.在扫描电镜下观察一次γ′相和晶粒的分布，得到在1155℃保温时间小于60min时，一次γ′相残余体积分数大于4.5％，合金为ASTM 8.0级以上的均匀细晶组织；保温时间在60～240min时，一次γ′相残余体积分数在2.8％～4.5％的范围时，为轻微混晶组织；保温时间在240～480min时，一次γ′相残余体积分数在0.5％～2.8％的范围时，为严重混晶组织；保温时间不小于480min时，一次γ′相体积分数小于0.5％时，为ASTM 5.0级以下均匀粗晶组织；

步骤3.基于修正后的JMAK转变动力学模型，对合金固溶过程中一次γ′相残余体积分数随固溶温度和保温时间的变化规律进行模拟与验证，建立不同固溶温度下一次γ′相的回溶转变动力学模型为其中，X为一次γ′相回溶体积分数，T为固溶温度，t为保温时间；

步骤4.根据上述步骤2中一次γ′相残余体积分数与晶粒组织特征的对应关系，以及步骤3中所建立的一次γ′相回溶转变动力学模型，得到在1155℃时固溶后获得ASTM 8.0级以上的均匀细晶组织所对应的固溶保温时间为0～45min，ASTM 5.0级以下均匀粗晶组织所对应的固溶保温时间为5.4～9.5h；

步骤5.对合金进行上述步骤4所述的固溶温度和保温时间处理，出炉后油冷，获得所需的组织性能可精确控制的固溶处理毛坯件。

实施例2

步骤1.将GH720Li合金经过均匀化、开坯锻造处理后，在1170℃时保温5、10、20和60min后水冷处理，然后测定一次γ′相残余体积分数分别为9.87％、4.62％、2.67％和0，平均晶粒尺寸分别为4.71、8.78、26.39和156.53μm；

步骤2.在扫描电镜下观察一次γ′相和晶粒的分布，得到在1170℃保温时间小于20min时，一次γ′相残余体积分数大于4.5％，合金为ASTM 8.0级以上的均匀细晶组织；保温时间在20～60min时，一次γ′相残余体积分数在0.5％～2.8％的范围时，为严重混晶组织；保温时间大于20min时，一次γ′相体积分数小于0.5％时，为ASTM 5.0级以下均匀粗晶组织；

步骤4.根据上述步骤2中一次γ′相残余体积分数与晶粒组织特征的对应关系，以及步骤3中所建立的一次γ′相回溶转变动力学模型，得到在1170℃时固溶后获得ASTM 8.0级以上的均匀细晶组织所对应的固溶保温时间为0～14min，ASTM 5.0级以下均匀粗晶组织所对应的固溶保温时间为37～120min；

实施例3

步骤1.将GH720Li合金经过均匀化、开坯锻造处理后，在1145℃时保温60、120、240和480min后水冷处理，然后测定一次γ′相残余体积分数分别为9.91％、9.43％、7.42％和5.09％，平均晶粒尺寸分别为5.42、6.45、9.08和12.18μm；

步骤2.在扫描电镜下观察一次γ′相和晶粒的分布，得到在1145℃保温时间小480min时，一次γ′相残余体积分数大于4.5％，合金为ASTM 8.0级以上的均匀细晶组织；

步骤4.根据上述步骤2中一次γ′相残余体积分数与晶粒组织特征的对应关系，以及步骤3中所建立的一次γ′相回溶转变动力学模型，得到在1145℃时固溶后获得ASTM 8.0级以上的均匀细晶组织所对应的固溶保温时间为0～10h；

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效形成的技术方法，均落在本发明要求的保护范围内。

实施例1～3特别针对目前未开展研究的更加敏感的1145～1170℃温度区间，开展具体的研究。由于1145～1170℃固溶温度区间在一次γ′相回溶温度附近，固溶温度和保温时间的微小波动都会导致一次γ′相体积分数的剧烈波动，进而导致合金晶粒度发生剧烈变化，因此，精确控制该温度区间内该合金的组织性能尤为重要。

通过实施例1～3的实施，获得每一个固溶温度下不同保温时间条件下合金的晶粒度，实现均匀细晶、混晶、均匀粗晶晶粒度的精确控制。

实施例1～3的实施后，通过测试合金的硬度、室温/高温拉伸性能以及持久性能，可以达到ASTM 8.0级以上的均匀细晶组织、ASTM 5.0级以下的均匀粗晶组织的相关性能指标要求，证实了实施例的可操作性。

Claims

1.一种GH720Li合金组织性能精确控制的固溶处理方法，其特征在于：该方法的步骤如下：

2.根据权利要求1所述的GH720Li合金组织性能精确控制的固溶处理方法，其特征在于：步骤一所述的固溶温度的选择范围为1070～1190℃，保温时间的选择范围为5～480min。

3.根据权利要求1或2所述的GH720Li合金组织性能精确控制的固溶处理方法，其特征在于：步骤一所述的固溶温度为1155℃，保温时间分别为5、10、20、30、60、240和480min。

4.根据权利要求1或2所述的GH720Li合金组织性能精确控制的固溶处理方法，其特征在于：步骤一所述的固溶温度为1170℃，保温时间分别为5、10、20和60min。

5.根据权利要求1或2所述的GH720Li合金组织性能精确控制的固溶处理方法，其特征在于：步骤一所述的固溶温度为1145℃，保温时间分别为60、120、240和480min。

6.根据权利要求1所述的GH720Li合金组织性能精确控制的固溶处理方法，其特征在于：步骤三中所述的γ′相残余体积分数大于4.5％时，GH720Li合金为ASTM 8.0级以上的均匀细晶组织；一次γ′相残余体积分数为2.8％～4.5％时，GH720Li合金为轻微混晶组织；一次γ′相残余体积分数为0.5％～2.8％的范围时，GH720Li合金为严重混晶组织；一次γ′相残余体积分数小于0.5％时，GH720Li合金为ASTM 5.0级以下均匀粗晶组织。

7.根据权利要求1所述的GH720Li合金组织性能精确控制的固溶处理方法，其特征在于：步骤一中所述固溶处理的试样出炉后水冷。

8.根据权利要求1所述的GH720Li合金组织性能精确控制的固溶处理方法，其特征在于：根据步骤四确定的固溶温度、保温时间对工件进行固溶处理后，出炉、油冷。