CN110592505B - GH720Li合金组织性能精确控制的固溶处理方法 - Google Patents
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Abstract
Description
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
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;
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3
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;
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。
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 (7)
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:
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。
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:步骤一中所述固溶处理的试样出炉后水冷。
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: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。
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