CN111036810A - 一种高温合金锻造及热处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高温合金锻造及热处理方法，高温合金锻造技术领域。本发明的高温合金锻造及热处理方法包括以下步骤：控制原料的锻造温度，锻造形变程度，保温时长，根据所得晶粒度进行不同结构优化锻造数据，确定高温合金锻造及热处理过程中退火温度范围，固溶温度范围，时效温度等。使所得高温合金产品的组织和性能参数符合室温拉伸状态下：抗拉强度(MPa)≤1117，屈服强度(MPa)≤731，延伸率(％)≤20，断面收缩率(％)≤23；760℃高温拉伸状态下：抗拉强度(MPa)≤820，屈服强度(MPa)≤607，延伸率(％)≤8，断面收缩率(％)≤10。

Description

一种高温合金锻造及热处理方法
技术领域
本发明涉及高温合金锻造技术领域，尤其是一种高温合金锻造及热处理方法。
背景技术
高温合金也被称为热强合金或超级合金，根据加工工艺的不同分为铸造高温合金、变形高温合金及粉末高温合金。目前高温合金材料主要用于制造航空发动机、燃气轮机的耐高温材料制造，如喷气发动机的气压机、涡轮叶片、涡轮盘等部位。经过几十年的发展，欧美等发达国家已经形成完善的科研、生产和市场体系，为先进发动机、燃气轮机制造业的不断发展提供了重要的技术基础和市场保障。
GTD222是1989年开始研制的用于燃气涡轮喷嘴的铸造高温合金合金，是镍基沉淀硬化型等轴晶铸造高温合金，主要用于工作温度在1,000℃以下的导向叶片以及长期服役的静止件，与同类用途的镍基合金相比，GTD222合金具有良好的长期时效组织稳定性该合金的成分，是在WASPALOY的基础上将钛元素替换为铌元素和钽元素。GTD222为γ强化相的镍基高温合金，其γ相的溶解开始和接受温度随着碳含量的增加而增加，γ相的溶解温度取决于基体中碳钛、碳铌和碳钽化合物的增加。碳含量由0.02％增加到0.13％能得到更好的基体组织。但是相比WASPALOY合金，GTD222合金的锻造温度范围更窄，更容易产生锻造裂纹。若选用锻造温度低，则材料表面裂纹严重，若温度高则晶粒度较粗导致组织性能不能满足使用要求,且该材料的高温性能较差，热处理温度对其高温性能及组织影响较大。
目前GTD222合金为，GE公司仅对少部分公司相关研发项目提供GTD222合金，而GTD222合金成分要求严格，不仅Al、Ti等关键合金化元素名义范围窄，且对许多微量元素含量具有严格控制。因此，我国在GTD222锻造及热处理领域的研究仍处于空白，市场迫切需要在GTD222锻造及热处理的技术成果。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供一种高温合金锻造及热处理方法，包括五个步骤。
步骤一：从高温合金原材料取第一试样N个，其中N为偶数并大于等于2，在锻造温度Ti下对每个第一试样锻造变形，使试样锻造变形量达到Sb，然后测试每个第一试样的晶粒度Gm，其中Ti+1＝Ti+T0,Sb+1＝Sb+S0,选取第一试样在不同锻造变形量Sb时晶粒度Gm大于等于G0的Ti中温度值最低者为Tmin，选取第一试样在不同锻造变形量Sb时晶粒度Gm大于等于G0的Ti中温度值最高者为Tmax；
步骤2：将步骤1中锻造后试样的晶粒度Gm大于等于G0的每个试样制成n 个第二试样，其中n为偶数并大于等于2，将每个第二试样在保温温度Th下保温时长为Wt，其中Th+1＝Th+T1,Wt+1＝Wt+W0,然后测试每个第二试样的晶粒度Gk，选取第二试样在不同保温时长Wt时晶粒度GK大于等于G0的保温温度Th的温度值最低者为Tmin2，选取第二试样在不同锻造变形量Sb时晶粒度Gm大于等于G0的保温温度Th的温度值最高者为Tmax2；
步骤3：从高温合金原材料取第三试样N个，其中N为偶数并大于等于2，设定锻造温度Tj大于Tmin并小于Tmax对每一个第三试样进行锻造，使试样锻造变形量达到Sb，其中Sb+1＝Sb+S0，然后设定保温温度Tk大于Tmin2并小于Tmax2，然后测试每个第三试样的晶粒度Gw，选取第三试样晶粒度Gw大于等于G0的锻造变形量Sb中最低者为Smin,选取第三试样晶粒度Gw大于等于G0的锻造变形量Sb中最高者为Smax；
步骤4：从高温合金原材料取第四试样N个，其中N为偶数并大于等于2，第四试样为环形件，对每一个第四试样的锻造温度设定为大于Tmin并小于Tmax并且锻造变形量设定为大于Smin并小于Smin进行锻造，然后将锻造后的第四试样的保温温度设定为大于Tmin2并小于Tmax2；。
步骤5：将步骤4的每一个第四试样制成L个第五试样，其中L为偶数并大于等于2,然后依次对第五试样在退火温度Tt进行退火处理，在固溶温度Tg进行固溶处理，在时效温度Ts进行时效处理，然后对第五试样进行组织和性能测试，选出第五试样组织和性能参数合格时的最低退火温度值为Ttmin，最高退火温度值为Ttmax，选出第五试样组织和性能合格时的最低固溶温度值为Tgmin，最高固溶温度值为Tgmax，选出第五试样组织和性能合格时的最低时效温度值为Tsmin，最高时效温度值为Tsmax。
进一步地，所述T0为常数值，所述T0为5℃、10℃、20℃、30℃、40℃或 50℃。
进一步地，所述的S0常数值，所述S0为5％、10％、20％、30％、40％或50％。
进一步地，所述G0晶粒度等级，G0≥4级。
进一步地，所述的W0为常数值，W0为30分钟、60分钟、90分钟、120 分钟或150分钟。
进一步地，所述步骤五中第五试样的组织和性能参数设定的合格值为以下参数：
室温拉伸状态下：抗拉强度(MPa)≤1117，屈服强度(MPa)≤731，延伸率(％)≤20，断面收缩率(％)≤23；
760℃高温拉伸状态下：抗拉强度(MPa)≤820，屈服强度(MPa)≤607，延伸率(％)≤8，断面收缩率(％)≤10。
进一步地，所述高温合金产品中各组分按重量百分比计为：C：0.06-0.12， Cr:22.00-23.00，Co：18.50-19.50，W：1.80-2.20，Nb：0.65-0.95，Ta：0.85-1.15， Ti：2.10-2.40，Al：1.10-1.40，Zirconium：0.005-0.070，B：0.002-0.007，Mo≤ 0.20，Fe≤0.70，Mn≤0.10，Cu≤0.10，V≤0.10，Si≤0.15，S≤0.007，Pb≤0.015，Mg≤0.0070，其余为Ni。
进一步地，所述高温合金产品的锻造温度设定为大于等于Tmin并小于等于 Tmax并且锻造变形量设定为大于等于Smin并小于等于Smin进行锻造。
进一步地，所述保温温度设定为大于等于Tmin2并小于等于Tmax2。
进一步地，所述退火温度值设定为大于等于Ttmin并小于等于Ttmax。
进一步地，所述固溶温度设定为大于等于Tgmin并小于等于Tgmax。
进一步地，所述时效温度值设定为大于等于Tsmin并小于等于Tsmax。
进一步地，所述高温合金产品的晶粒度等级≥4级。
进一步地，所述高温合金产品的组织和性能参数符合以下条件：
室温拉伸状态下：抗拉强度(MPa)≤1117，屈服强度(MPa)≤731，延伸率(％)≤20，断面收缩率(％)≤23；
760℃高温拉伸状态下：抗拉强度(MPa)≤820，屈服强度(MPa)≤607，延伸率(％)≤8，断面收缩率(％)≤10
附图说明
图1为本发明一种高温合金锻造及热处理方法的实施流程图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的说明。
本实施例的一种高温合金锻造及热处理方法，包括以下步骤：
步骤一：从高温合金原材料取第一试样8个，分别在锻造温度为1000℃、 1040℃、1140℃、1150℃时，对每个第一试样锻造变形，使试样锻造变形量达到10％和30％，然后测试每个第一试样的晶粒度Gm，选取第一试样在不同锻造变形量Sb时晶粒度Gm大于等于4级的Ti中温度值最低者为1000℃，选取第一试样在不同锻造变形量Sb时晶粒度Gm大于等于G0的Ti中温度值最高者为1120℃；得出不同温度不同变形量后晶粒的长大趋势，如下表：
试样编号 加热温度 变形量 晶粒度 试样编号 加热温度 变形量 晶粒度
1 1000℃ 10％ 5-6级 5 1140℃ 10％ 4.5级
2 1000℃ 30％ 6级 6 1140℃ 30％ 4级
3 1040℃ 10％ 6级 7 1160℃ 10％ 3.5级
4 1040℃ 30％ 6级 8 1160℃ 30％ 3级
步骤2：将步骤1中锻造后试样的编号5制成8个第二试样，将每个第二试样分别在保温温度1000℃、1040℃、1140℃、1160℃下在每个温度段分别使用 1个试样保温60min和120min，然后测试每个第二试样的晶粒度Gk，选取第二试样在不同保温时长Wt时晶粒度GK大于等于四级的保温温度Th的温度值最低者为1000℃，选取第二试样在不同锻造变形量Sb时晶粒度Gm大于等于四级的保温温度Th的温度值最高者为1160℃；得出不同温度不同保温时长后晶粒长大温度曲线及规律。
编号 保温温度 保温时间 晶粒度 编号 保温温度 保温时间 晶粒度
1 1000℃ 60min 6.5级 5 1140℃ 60min 5级
2 1000℃ 120min 6.5级 6 1140℃ 120min 4级
3 1040℃ 60min 6级 7 1160℃ 60min 5级
4 1040℃ 120min 6级 8 1160℃ 120min 2级
步骤3：从高温合金原材料取第三试样6个，根据步骤一中优化后的锻造温度Tj分别为1100℃和1140℃；使试样锻造变形量分别达到10％、20％、30％，然后根据步骤二中优化的保温温度设定Tk为1100℃和1140℃，然后测试每个第三试样的晶粒度Gw，选取第三试样晶粒度Gw大于等于四级的锻造变形量Sb中最低者为四级，选取第三试样晶粒度Gw大于等于四级的锻造变形量Sb中最高者为六级；得到一组最优的锻造参数。
Figure BDA0002313038900000051
步骤4：从高温合金原材料取第四试样4个，第四试样为环形件，对每一个第四试样的锻造温度设定为大于1040℃并小于1120℃并且锻造变形量设定为大于10％并小于30％进行锻造，然后将锻造后的第四试样的保温温度设定为大于 1080℃并小于1120℃；得出不同温度不同变形量不同保温后晶粒的长大趋势，如下表：
试样编号 加热温度 变形量 保温温度 保温时间 晶粒度
1 1060℃ 10％ 1080 60min 5级
2 1060℃ 30％ 1080 60min 5-6级
3 1100℃ 10％ 1120 60min 4.5级
4 1100℃ 30％ 1120 60min 4级
步骤5：将步骤4的每一个第四试样制成8个第五试样，然后依次对第五试样在退火温度Tt进行退火处理，在固溶温度Tg进行固溶处理，在时效温度Ts进行时效处理，然后对第五试样进行组织和性能测试，选出第五试样组织和性能参数合格时的最低退火温度值为Ttmin，最高退火温度值为Ttmax，选出第五试样组织和性能合格时的最低固溶温度值为Tgmin，最高固溶温度值为Tgmax，选出第五试样组织和性能合格时的最低时效温度值为Tsmin，最高时效温度值为Tsmax。得到优化后的热处理参数。
Figure BDA0002313038900000061
所得高温合金产品在退火温度为1052℃～1100℃保温30min然后空冷，固溶温度为1079℃～1149℃保温1h然后空冷，时效温度问802℃保温8h然后空冷的状况下，组织和性能参数符合以下条件：
室温拉伸状态下：抗拉强度(MPa)≤1117，屈服强度(MPa)≤731，延伸率(％)≤20，断面收缩率(％)≤23；
760℃高温拉伸状态下：抗拉强度(MPa)≤820，屈服强度(MPa)≤607，延伸率(％)≤8，断面收缩率(％)≤10。

Claims (10)

1.一种高温合金锻造及热处理方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：从高温合金原材料取第一试样N个，其中N为偶数并大于等于2，在锻造温度Ti下对每个第一试样锻造变形，使试样锻造变形量达到Sb，然后测试每个第一试样的晶粒度Gm，其中Ti+1＝Ti+T0,Sb+1＝Sb+S0,选取第一试样在不同锻造变形量Sb时晶粒度Gm大于等于G0的Ti中温度值最低者为Tmin，选取第一试样在不同锻造变形量Sb时晶粒度Gm大于等于G0的Ti中温度值最高者为Tmax；
步骤2：将步骤1中锻造后试样的晶粒度Gm大于等于G0的每个试样制成n个第二试样，其中n为偶数并大于等于2，将每个第二试样在保温温度Th下保温时长为Wt，其中Th+1＝Th+T1,Wt+1＝Wt+W0,然后测试每个第二试样的晶粒度Gk，选取第二试样在不同保温时长Wt时晶粒度GK大于等于G0的保温温度Th的温度值最低者为Tmin2，选取第二试样在不同锻造变形量Sb时晶粒度Gm大于等于G0的保温温度Th的温度值最高者为Tmax2；
步骤3：从高温合金原材料取第三试样N个，其中N为偶数并大于等于2，设定锻造温度Tj大于Tmin并小于Tmax对每一个第三试样进行锻造，使试样锻造变形量达到Sb，其中Sb+1＝Sb+S0，然后设定保温温度Tk大于Tmin2并小于Tmax2，然后测试每个第三试样的晶粒度Gw，选取第三试样晶粒度Gw大于等于G0的锻造变形量Sb中最低者为Smin,选取第三试样晶粒度Gw大于等于G0的锻造变形量Sb中最高者为Smax；
步骤4：从高温合金原材料取第四试样N个，其中N为偶数并大于等于2，第四试样为环形件，对每一个第四试样的锻造温度设定为大于Tmin并小于Tmax并且锻造变形量设定为大于Smin并小于Smin进行锻造，然后将锻造后的第四试样的保温温度设定为大于Tmin2并小于Tmax2；。
步骤5：将步骤4的每一个第四试样制成L个第五试样，其中L为偶数并大于等于2,然后依次对第五试样在退火温度Tt进行退火处理，在固溶温度Tg进行固溶处理，在时效温度Ts进行时效处理，然后对第五试样进行组织和性能测试，选出第五试样组织和性能参数合格时的最低退火温度值为Ttmin，最高退火温度值为Ttmax，选出第五试样组织和性能合格时的最低固溶温度值为Tgmin，最高固溶温度值为Tgmax，选出第五试样组织和性能合格时的最低时效温度值为Tsmin，最高时效温度值为Tsmax。
2.根据权利要求1所述的一种高温合金锻造及热处理方法，其特征在于：所述的T0常数值，T0为5℃、10℃、20℃、30℃、40℃或50℃。
3.根据权利要求1所述的一种高温合金锻造及热处理方法，其特征在于：所述的S0常数值，S0为5％、10％、20％、30％、40％或50％。
4.根据权利要求1所述的一种高温合金锻造及热处理方法，其特征在于：所述的G0晶粒度等级，G0≥4级。
5.根据权利要求1所述的一种高温合金锻造及热处理方法，其特征在于：所述的W0为常数值，W0为30分钟、60分钟、90分钟、120分钟或150分钟。
6.根据权利要求1所述的一种高温合金锻造及热处理方法，其特征在于：所述第五试样的组织和性能参数设定的合格值为以下参数：
室温拉伸状态下：抗拉强度(MPa)≤1117，屈服强度(MPa)≤731，延伸率(％)≤20，断面收缩率(％)≤23；
760℃高温拉伸状态下：抗拉强度(MPa)≤820，屈服强度(MPa)≤607，延伸率(％)≤8，断面收缩率(％)≤10。
7.一种如权利要求1-6所述锻造及热处理方法制成的高温合金产品，其特征在于：高温合金产品中各组分按重量百分比计为：C：0.06-0.12，Cr:22.00-23.00，Co：18.50-19.50，W：1.80-2.20，Nb：0.65-0.95，Ta：0.85-1.15，Ti：2.10-2.40，Al：1.10-1.40，Zirconium：0.005-0.070，B：0.002-0.007，Mo≤0.20，Fe≤0.70，Mn≤0.10，Cu≤0.10，V≤0.10，Si≤0.15，S≤0.007，Pb≤0.015，Mg≤0.0070，其余为Ni。
8.一种如权利要求7所述锻造及热处理方法制成的高温合金产品，其特征在于：高温合金产品的锻造温度设定为大于等于Tmin并小于等于Tmax并且锻造变形量设定为大于等于Smin并小于等于Smin进行锻造，保温温度设定为大于等于Tmin2并小于等于Tmax2，退火温度值设定为大于等于Ttmin并小于等于Ttmax，固溶温度设定为大于等于Tgmin并小于等于Tgmax，时效温度值设定为大于等于Tsmin并小于等于Tsmax。
9.一种如权利要求7所述锻造及热处理方法制成的高温合金产品，其特征在于，高温合金产品的晶粒度等级≥4级。
10.一种如权利要求7所述锻造及热处理方法制成的高温合金产品，其特征在于，高温合金产品的组织和性能参数符合以下条件：
室温拉伸状态下：抗拉强度(MPa)≤1117，屈服强度(MPa)≤731，延伸率(％)≤20，断面收缩率(％)≤23；
760℃高温拉伸状态下：抗拉强度(MPa)≤820，屈服强度(MPa)≤607，延伸率(％)≤8，断面收缩率(％)≤10。
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