CN111001812B - 一种高温燃气环境工作的增材制造高温合金的热处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种高温燃气环境工作的增材制造高温合金的热处理方法，包括：增材制造高温合金在压强不大于10‑3Pa的真空环境、温度为1100℃～1150℃的条件下保温1h～4h，回充氩气冷却。热处理后，材料成形后的高应力状态和不均匀组织得到改善，获得了良好的高温性能，可满足高温燃气环境短时工作要求。800℃时，Rm不低于600N/mm2，Rp0.2不低于550N/mm2，A不低于2.5％。

Description

一种高温燃气环境工作的增材制造高温合金的热处理方法
技术领域
本发明涉及金属增材制造技术领域，尤其涉及一种高温燃气环境工作的增材制造高温合金热处理方法。
背景技术
本发明所涉及的高温合金为Ni-Cr-Fe基沉淀硬化型高温合金，长时使用温度范围-253℃～650℃，短时使用温度可达800℃，具有优异的综合力学性能。目前主要用于航空航天发动机中在650℃以下服役的高温端部件，如涡轮盘、高温紧固件和高温燃气通道等。
增材制造技术，尤其是激光选区熔化成形技术，目前被广泛应用于传统工艺难以成形或加工流程复杂的具有复杂空间结构的高温合金部件制造。但是，目前的激光选区熔化成形高温合金标准或学术文献所提供的热处理工艺制度多借鉴于已有的锻铸件热处理工艺制度。美国材料试验协会(ASTM)标准ASTM F3055-14a《Standard Specification forAdditive Manufacturing Nickel Alloy(UNS N07718)with Powder Bed Fusion(用于粉末床熔化的增材制造镍基合金(UNS N07718)的标准说明书)》提供的热处理制度完全借鉴了锻铸件的热处理工艺制度，而且仅给出了室温环境下的力学性能指标。对于在高温环境，尤其是高温燃气环境中工作的增材制造高温合金所需要的高温力学性能和所对应的热处理工艺并未提供。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种增材制造高温合金的热处理方法，消除成形过程快速熔化-凝固所带来的残余内应力，改善成形材料的不均匀组织，使材料获得在800℃高温燃气环境工作的优异力学性能。
本发明提供如下技术方案：一种高温燃气环境工作的增材制造高温合金的热处理方法，包括如下步骤：
在压强不大于10-3Pa的真空环境、温度为1100℃～1150℃的条件下，对增材制造高温合金保温1h～4h，回充氩气冷却后得到热处理后的增材制造高温合金。
在压强不大于10-3Pa的真空环境、温度为1100℃～1150℃的条件下保温1h～4h，具体条件包括：
在压强不大于10-3Pa的真空环境的条件下，以5℃/min～10℃/min的升温速率从室温升温至500℃～600℃保温1h～2h后，再以10℃/min～20℃/min的升温速率升至1100℃～1150℃。
所述回充氩气冷却时，回充的氩气气体压强不小于2.0×105Pa，冷却至80℃以下出炉。
所述热处理后的增材制造高温合金，800℃时，Rm不低于600N/mm2，Rp0.2不低于550N/mm2，A不低于2.5％。
本发明的有益效果是：
(1)本发明实施例提供的增材制造高温合金的热处理方法，通过在压强不大于10- 3Pa的真空环境、温度为1100℃～1150℃的条件下保温1h～4h，消除了成形过程快速熔化-凝固带来的残余内应力，使成形材料组织和化学成份均匀化，改善了成形后的不均匀组织；
(2)同时通过500℃～600℃保温1h～2h，以及采用合理的升温速率，使成形材料应力得以缓慢释放，有效抑制了有害相的析出，为后续的1100℃～1150℃的条件下保温奠定了良好的组织基础；
(3)热处理后的增材制造高温合金，800℃时，Rm不低于600N/mm2，Rp0.2不低于550N/mm2，A不低于2.5％，适应于在高温燃气环境中工作。
(4)热处理后的增材制造高温合金，由于获得了以奥氏体为主的基体组织，同时采用500℃～600℃的保温台阶有效抑制了第二相的形成和析出，使材料获得了良好的焊接性能，焊缝强度可达到基体强度的90％，焊接热影响区的组织与基体组织无明显变化。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的热处理后的增材制造高温合金微观形貌图；
图2从左到右依次为本发明实施例1提供的热处理后的增材制造高温合金焊接后焊缝剖面形貌图、焊缝区组织形貌图和焊接热影响区微观形貌图。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本发明的方案以及其优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本发明的限制。
本发明实施例提供了一种增材制造高温合金的热处理工艺，包括：
增材制造高温合金，在压强不大于10-3Pa的真空环境、温度为1100℃～1150℃的条件下保温1h～4h，回充氩气冷却后得到热处理后的增材制造高温合金。
具体地，本发明实施例优选在真空热处理炉中进行热处理；所述的增材制造高温合金由镍基高温合金粉通过激光选区熔化成形方法制得；
本发明实施例提供的增材制造高温合金的热处理方法，在压强不大于10-3Pa的真空环境、温度为1100℃～1150℃的条件下保温1h～4h，消除了成形过程快速熔化-凝固带来的残余内应力；同时通过1100℃～1150℃的条件下保温1h～4h，使成形材料组织和化学成份均匀化，改善了成形后的不均匀组织；增材制造高温合金经过上述热处理后，800℃时，Rm不低于600N/mm2，Rp0.2不低于550N/mm2，A不低于2.5％。
在一可选实施例中，所述的增材制造高温合金，采用激光选区熔化工艺成形后，可以获得具有高致密度的成形构件和外延生长的具有细小亚结构的柱状晶，为后续热处理提供了良好的组织基础。
在一可选实施例中，所述在压强不大于10-3Pa的真空环境、温度为1100℃～1150℃的条件下保温1h～4h，，包括：在压强不大于10-3Pa的真空环境的条件下，以5℃/min～10℃/min的升温速率从室温升温至500℃保温1h～2h后，再以10℃/min～20℃/min的升温速率升至1100℃～1150℃。该升温过程可以进一步确保产品均匀受热以便更好地释放内应力，从而减少热处理过程中可能产生的变形；在500℃～600℃保温并以较快速度升温至1100℃～1150℃，既使材料组织更均匀，又有效抑制了第二相析出，使得热处理后可以获得在高温燃气环境中工作的力学性能。
在一可选实施例中，所述回充氩气冷却，包括：回充的氩气气体压强不小于2.02×105Pa，冷却至80℃以下出炉空冷。回充氩气可以使材料获得足够的冷速，避免缓慢冷却可能带来的危害，譬如析出强化相。
具体地，所述热处理后的增材制造高温合金，800℃时，Rm不低于600N/mm2，Rp0.2不低于550N/mm2，A不低于2.5％。
具体地，所述热处理后的增材制造高温合金，焊接后焊缝强度可达到基体强度的90％，焊接热影响区的组织与基体组织无明显变化。
以下为本发明的具体实施例：
实施例1
以激光选区熔化成形某型号发动机燃气管为例。
(1)工件采用激光选区熔化成形增材制造高温合金制造。
(2)热处理：分离基板后的燃气管在真空热处理炉内进行热处理，炉内压强不大于10-3Pa。炉内环境满足要求后，以8℃/min的升温速率从室温升温至500℃保温2h后，再以20℃/min的升温速率升至1150℃保温2h。保温结束后，回充氩气冷却，回充氩气压强2bar(2.02×105Pa)，冷却至80℃以下出炉空冷。热处理后，该产品具有如图1所示的组织。
(3)采用随炉试样测试的力学性能见表1；
表1燃气管力学性能表：
Figure BDA0002294178260000051
(4)热处理后的增材制造高温合金，焊接后的热影响区具有如图2所示的组织，与基体组织无明显变化，焊缝强度达到基体强度的90％。
实施例2
以激光选区熔化成形某型号发动机涡轮泵起动涡轮集合器为例。
(1)工件采用激光选区熔化成形增材制造高温合金制造。
(2)热处理：分离基板后的起动涡轮集合器在真空热处理炉内进行热处理，炉内压强不大于10-3Pa。炉内环境满足要求后，以5℃/min的升温速率从室温升温至600℃保温2h后，再以15℃/min的升温速率升至1120℃保温4h。保温结束后，回充氩气冷却，回充氩气压强2bar(2.02×105Pa)，冷却至80℃以下出炉空冷。
(3)采用随炉试样测试的力学性能见表2；
表2起动涡轮集合器力学性能表
Figure BDA0002294178260000052
(4)热处理后的增材制造高温合金，焊接后焊缝强度可达到基体强度的90％，焊接热影响区的组织与基体组织无明显变化。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。所述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的人员可以对所述的具体实施例做不同的修改或补充或采用类似的方式代替，但不偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (1)

1.一种高温燃气环境工作的增材制造高温合金的热处理方法，所述高温合金为Ni-Cr-Fe基沉淀硬化型高温合金，其特征在于包括如下步骤：
在压强不大于10-3Pa的真空环境的条件下，以5℃/min～10℃/min的升温速率从室温升温至500℃～600℃保温1h～2h后，再以10℃/min～20℃/min的升温速率升至1100℃～1150℃；对增材制造高温合金保温1h～4h，回充氩气冷却后得到热处理后的增材制造高温合金；
所述回充氩气冷却时，回充的氩气气体压强不小于2.0×105Pa，冷却至80℃以下出炉；
所述热处理后的增材制造高温合金，800℃时，Rm不低于600N/mm²，Rp0.2不低于550N/mm²，A不低于2.5%。
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