CN110643921A - 一种降低镍基高温合金涡轮盘热应力的方法 - Google Patents

一种降低镍基高温合金涡轮盘热应力的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种降低镍基高温合金涡轮盘热应力的方法，具体按以下步骤进行：步骤1，制备表面平整的镍基高温合金涡轮盘毛坯，然后对镍基高温合金涡轮盘毛坯进行喷砂处理；步骤2，对步骤1中得到的镍基高温合金涡轮盘毛坯进行预热，然后使用超音速火焰法，在镍基高温合金涡轮盘毛坯表面喷涂不锈钢涂层；步骤3，将步骤2中得到的镍基高温合金涡轮盘毛坯进行固溶处理，得到镍基高温合金涡轮盘，本发明降低了镍基高温合金热处理过程中产生的热应力，降低热处理过程中的淬火开裂风险，提高了坯料的组织均匀性。

Description

一种降低镍基高温合金涡轮盘热应力的方法
技术领域
本发明属于高温合金制备技术领域，涉及一种降低镍基高温合金涡轮盘热应力的方法。
背景技术
高温合金通常是指使用温度在600℃以上，具有高的抗氧化性和耐腐蚀性能，并能在一定应力条件下长时间使用的一类金属材料。镍基高温合金具有优异的高温强度和高温抗蠕变性能，优良的抗氧化和抗热腐蚀性能，较高的抗机械疲劳性和抗热疲劳性能，以及高温下良好的组织稳定性，使其在燃气涡轮发动机热端部件等领域得到广泛应用。镍基高温合主要以沉淀强化相γ′相进行沉淀强化，γ′相的数量、尺寸、形态以及分布对镍基高温合金的性能有很大影响。当镍基高温合金制备成坯后，须通过热处理来调整γ′相的数量、尺寸、形态及其分布，以获得理想的合金组织与性能。
镍基高温合金热处理分为固溶处理和时效处理，固溶处理后的冷却过程又称为淬火，淬火速率越高，，合金组织中析出的γ′相越细小，合金强度越高。但是过高的冷却速率会使坯料表面温度迅速降低，而坯料内部温度较高，整个坯料形成较大的温度梯度，温度梯度导致坯料不同部位的膨胀和收缩不同，从而形成热应力。
热应力的存在对镍基高温合金工艺和性能有着重要影响：在热处理过程中，当热应力大于材料的抗拉强度时，坯料会出现淬火开裂，导致报废；热应力或者在坯料冷却至室温后转化为残余应力，残余应力会使坯料加工后发生变形，导致零件不符合尺寸要求，最终报废；温度梯度的差异导致坯料不同位置组织的差异，进而导致坯料不同部位的力学性能的差异。因此，探究降低镍基高温合金热处理热应力的方法，能有效改善镍基高温合金加工与使用性能，为镍基高温合金的热处理提供新工艺。
发明内容
本发明的目的是提供一种降低镍基高温合金涡轮盘热应力的方法，能够降低热处理中的热应力。
本发明所采用的技术方案是，一种降低镍基高温合金涡轮盘热应力的方法，具体按以下步骤进行：
步骤1，制备表面平整的镍基高温合金涡轮盘毛坯，然后对镍基高温合金涡轮盘毛坯进行喷砂处理；
步骤2，对步骤1中得到的镍基高温合金涡轮盘毛坯进行预热，然后使用超音速火焰法，在镍基高温合金涡轮盘毛坯表面喷涂不锈钢涂层；
步骤3，将步骤2中得到的镍基高温合金涡轮盘毛坯进行固溶处理，得到镍基高温合金涡轮盘。
步骤2中，预热温度为300～400℃，喷枪的喷涂速度为800～1700m/s。
步骤2中，镍基高温合金涡轮盘毛坯表面的涂层厚度为6～7mm。
步骤3具体为，将喷涂后的镍基高温合金涡轮盘毛坯置于热处理炉中，加热4～5h后保温，然后将镍基高温合金涡轮盘毛坯取出，置于空气中冷却至室温。
步骤3中，加热温度为1100～1200℃，保温时间为5～6h。
本发明的有益效果是，降低镍基高温合金热处理过程中产生的热应力，降低了热处理过程中的淬火开裂风险，降低了坯料热处理后的残余应力，提高了坯料的组织均匀性，涂层使坯料内部温度梯度降低，各部位相析出尺寸差异变小，坯料不同部位的力学性能差异也变小。
附图说明
图1是本发明一种降低镍基高温合金涡轮盘热应力的方法中涡轮盘的结构示意图；
图2是无涂层的镍基高温合金涡轮盘的温度变化图；
图3是有涂层的镍基高温合金涡轮盘的温度变化图；
图4是镍基高温合金涡轮盘残余应力分布图；
图5是镍基高温合金涡轮盘毛坯表面无涂层γ′相的相貌图；
图6是镍基高温合金涡轮盘毛坯表面有涂层γ′相的相貌图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
一种降低镍基高温合金涡轮盘热应力的方法，具体按以下步骤进行：
步骤1，制备表面平整的镍基高温合金涡轮盘毛坯，然后对镍基高温合金涡轮盘毛坯进行喷砂处理；
步骤2，对步骤1中得到的镍基高温合金涡轮盘毛坯进行预热，然后使用超音速火焰法，在镍基高温合金涡轮盘毛坯表面喷涂不锈钢涂层；
步骤3，将步骤2中得到的镍基高温合金涡轮盘毛坯进行固溶处理，得到镍基高温合金涡轮盘。
步骤2中，预热温度为300～400℃，喷枪的喷涂速度为800～1700m/s。
步骤2中，镍基高温合金涡轮盘毛坯表面的涂层厚度为6～7mm。
步骤3具体为，将喷涂后的镍基高温合金涡轮盘毛坯置于热处理炉中，加热4～5h后保温，然后将镍基高温合金涡轮盘毛坯取出，置于空气中冷却至室温。
步骤3中，加热温度为1100～1200℃，保温时间为5～6h。
选用本发明制备的镍基高温合金涡轮盘，和传统方法制备的镍基高温合金涡轮盘进行对照试验：
在图1所示的位置1和位置2中插入测温热电偶，对镍基高温合金涡轮盘毛坯的降温过程进行监测，无涂层的镍基高温合金涡轮盘的温度变化如图2所示，本发明制备的有涂层的镍基高温合金涡轮盘的温度变化如图3所示，比较图2、图3可以看出，图2中位置1和位置2的温度存在较大差异，这表明涡轮盘毛坯内存在较大的温度梯度，产生较大的热应力，使涡轮盘毛坯存在开裂风险，图3中位置1和位置2基本不存在温度差异，表明涡轮盘毛坯内温度均匀，热应力小，大幅降低了涡轮盘坯件开裂的风险。
在图1所示的测应力处，采用深孔法对镍基高温合金涡轮盘毛坯的残余应力进行测定，图4为镍基高温合金涡轮盘毛坯残余应力分布图，从图4中可以看出，无涂层时，涡轮盘毛坯最大残余应力达到600MPa，有涂层时，涡轮盘毛坯残余应力水平明显降低，小于250MPa。
图5为镍基高温合金涡轮盘毛坯表面无涂层，热处理后γ′相的相貌，从图中可以看出，位置1的γ′相细小，位置2的γ′相粗大，其形貌差异大，可见无涂层的镍基高温合金涡轮盘毛坯经热处理后组织不均匀。
图6为镍基高温合金涡轮盘毛坯表面有涂层，热处理后γ′相的相貌，从图中可以看出，位置1和位置2γ′相的相貌、尺寸相当，可见有涂层的镍基高温合金涡轮盘毛坯经热处理后组织均匀。
本发明一种降低镍基高温合金涡轮盘热应力的方法的反应机理为：坯料表层的不锈钢涂层在达到镍基高温合金的固溶温度(约1150～1220℃)时，将发生氧化反应生成氧化层(氧化层的厚度约为1～2mm，其成分主要为氧化铁、氧化铬)，当温度达到1000℃以上时，上述氧化物的热导率为5-10W/(m·℃)，而镍基高温合金基体的热导率为30W/(m·℃)以上。因此热喷涂的涂层对于坯料基体具有隔热作用，镍基高温合金基体靠近表面的区域在冷却过程中将不易快速散失热量，使镍基高温合金基体的温度场更加均匀。在均匀的温度场下，坯料不同部位的膨胀和收缩差异小，热应力明显降低，从而淬火开裂风险降低，热处理后的残余应力也明显降低。
在镍基高温合金淬火冷却过程中，由于坯料表面所受拉应力最大，因此裂纹缺陷大多起源于表面。不锈钢涂层的存在使镍基高温合金表面受到防护，不易发生氧化，为萌生裂纹提供条件，进一步降低了淬火开裂的风险。
实施例1
一种降低镍基高温合金涡轮盘热应力的方法，具体按以下步骤进行：
步骤1，制备表面平整的镍基高温合金涡轮盘毛坯，然后对镍基高温合金涡轮盘毛坯进行喷砂处理；
步骤2，将步骤1中得到的镍基高温合金涡轮盘毛坯加热至300℃，然后使用超音速火焰法，喷枪的喷涂速度为800m/s，在镍基高温合金涡轮盘毛坯表面喷涂不锈钢涂层，涂层厚度6mm；
步骤3，将步骤2中得到的镍基高温合金涡轮盘毛坯进行固溶处理，将喷涂后的镍基高温合金涡轮盘毛坯置于热处理炉中，经4h加热至1100℃后，保温5h，然后将镍基高温合金涡轮盘毛坯取出，置于空气中冷却至室温，得到镍基高温合金涡轮盘。
实施例2
一种降低镍基高温合金涡轮盘热应力的方法，具体按以下步骤进行：
步骤1，制备表面平整的镍基高温合金涡轮盘毛坯，然后对镍基高温合金涡轮盘毛坯进行喷砂处理；
步骤2，将步骤1中得到的镍基高温合金涡轮盘毛坯加热至400℃，然后使用超音速火焰法，喷枪的喷涂速度为1000m/s，在镍基高温合金涡轮盘毛坯表面喷涂不锈钢涂层，涂层厚度7mm；
步骤3，将步骤2中得到的镍基高温合金涡轮盘毛坯进行固溶处理，将喷涂后的镍基高温合金涡轮盘毛坯置于热处理炉中，经5h加热至1200℃后，保温6h，然后将镍基高温合金涡轮盘毛坯取出，置于空气中冷却至室温，得到镍基高温合金涡轮盘。
实施例3
一种降低镍基高温合金涡轮盘热应力的方法，具体按以下步骤进行：
步骤1，制备表面平整的镍基高温合金涡轮盘毛坯，然后对镍基高温合金涡轮盘毛坯进行喷砂处理；
步骤2，将步骤1中得到的镍基高温合金涡轮盘毛坯加热至350℃，然后使用超音速火焰法，喷枪的喷涂速度为1200m/s，在镍基高温合金涡轮盘毛坯表面喷涂不锈钢涂层，涂层厚度6.5mm；
步骤3，将步骤2中得到的镍基高温合金涡轮盘毛坯进行固溶处理，将喷涂后的镍基高温合金涡轮盘毛坯置于热处理炉中，经4.5h加热至1150℃后，保温5.5h，然后将镍基高温合金涡轮盘毛坯取出，置于空气中冷却至室温，得到镍基高温合金涡轮盘。
实施例4
一种降低镍基高温合金涡轮盘热应力的方法，具体按以下步骤进行：
步骤1，制备表面平整的镍基高温合金涡轮盘毛坯，然后对镍基高温合金涡轮盘毛坯进行喷砂处理；
步骤2，将步骤1中得到的镍基高温合金涡轮盘毛坯加热至360℃，然后使用超音速火焰法，喷枪的喷涂速度为1700m/s，在镍基高温合金涡轮盘毛坯表面喷涂不锈钢涂层，涂层厚度7mm；
步骤3，将步骤2中得到的镍基高温合金涡轮盘毛坯进行固溶处理，将喷涂后的镍基高温合金涡轮盘毛坯置于热处理炉中，经5h加热至1170℃后，保温6h，然后将镍基高温合金涡轮盘毛坯取出，置于空气中冷却至室温，得到镍基高温合金涡轮盘。
本发明通过降低镍基高温合金热处理过程中产生的热应力，降低热处理过程中的淬火开裂风险、降低热处理后的残余应力，提高了坯料的组织均匀性，涂层使坯料内部温度梯度降低，各部位相析出尺寸差异变小，坯料不同部位的力学性能差异也变小。

Claims (5)

1.一种降低镍基高温合金涡轮盘热应力的方法，其特征在于，具体按以下步骤进行：
步骤1，制备表面平整的镍基高温合金涡轮盘毛坯，然后对镍基高温合金涡轮盘毛坯进行喷砂处理；
步骤2，对步骤1中得到的镍基高温合金涡轮盘毛坯进行预热，然后使用超音速火焰法，在镍基高温合金涡轮盘毛坯表面喷涂不锈钢涂层；
步骤3，将步骤2中得到的镍基高温合金涡轮盘毛坯进行固溶处理，得到镍基高温合金涡轮盘。
2.根据权利要求1所述的一种降低镍基高温合金涡轮盘热应力的方法，其特征在于，所述步骤2中，预热温度为300～400℃，喷枪的喷涂速度为800～1700m/s。
3.根据权利要求1所述的一种降低镍基高温合金涡轮盘热应力的方法，其特征在于，所述步骤2中，镍基高温合金涡轮盘毛坯表面的涂层厚度为6～7mm。
4.根据权利要求1所述的一种降低镍基高温合金涡轮盘热应力的方法，其特征在于，所述步骤3具体为，将喷涂后的镍基高温合金涡轮盘毛坯置于热处理炉中，加热4～5h后保温，然后将镍基高温合金涡轮盘毛坯取出，置于空气中冷却至室温。
5.根据权利要求4所述的一种降低镍基高温合金涡轮盘热应力的方法，其特征在于，所述步骤3中，加热温度为1100～1200℃，保温时间为5～6h。
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