CN111705277A - 一种消除高温合金残余应力的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种消除高温合金残余应力的方法，包括如下步骤：步骤一：将高温合金进行固溶淬火处理；步骤二：将淬火处理后的高温合金进行冷拉处理；步骤三：将冷拉处理后的高温合金进行快速升温双级时效处理；步骤四：将快速升温双级时效处理后的高温合金空冷。本发明为减小残余应力，首先将高温合金用专用夹具进行冷拉变形，然后将高温合金快速升温进行双级时效处理。通过“固溶淬火+冷拉+时效”复合工艺处理，经优化后，在短时间内可将高温合金的残余应力降低70％以上，本发明特别适用于对零件尺寸稳定性要求较高的高温合金板、线材及相关结构材料。

Description

一种消除高温合金残余应力的方法
技术领域
本发明属于高温合金材料制备领域，尤其涉及一种消除高温合 金残余应力的方法。
背景技术
GH4169镍基高温合金具有优异的高温蠕变和疲劳性能，在高温 环境下具有优异的耐久性，是制造航空航天关键部件的首选工程材 料之一。该合金需要在970℃左右的高温下进行固溶处理，并在快 速淬火冷却后进行人工时效，以获得优异的综合力学性能。从固溶 热处理温度来看，水淬火过程中出现的热梯度可能严重到足以产生 高强度的残余应力场，一般在表层形成压应力、芯部形成拉应力， 最大应力值可以达到600MPa以上。在随后的时效过程中，由于加 热温度较低，残余应力难以大幅度消除而残留在构件中，严重影响构件的加工精度、尺寸稳定性、静强度和疲劳强度并可能导致腐蚀 开裂。另外，结构件在后续的切削加工过程中，由于热处理残余应 力重新分布及与机加工残余应力的相互作用，极易诱发构件的加工 变形，导致零件尺寸形状超差，需要增加额外的校形工序，制造成 本增加，且校形后零件应力分布更加复杂。据报道，历史上发生的 飞机发动机事故中，有80％均与残余应力有关。事故发生的原因之 一便是加工中的残余应力在热处理后未能全部消除，从而降低了其 使用强度。
为保证最终零件的形状和尺寸精度，提高材料的使用寿命，如 何降低固溶淬火处理后的高温合金残余应力，是目前航空锻件生产 和使用部门需考虑解决的问题之一。
目前工业上常用的消除高温合金淬火残余应力的方法主要有以 下两种：
(1)人工时效法。人工时效是可热处理合金获得优异力学性能、 降低残余应力的重要工艺之一，一般将淬火后的工件再加热到一定 温度后进行保温处理后缓慢冷却，以消除残余应力。当材料中的应 力较大时，在一定温度下保温，材料以晶界扩散、位错运动等方式 发生蠕变，残余应力逐渐松弛，当松弛到一定程度时达到松弛极限， 材料中的应力逐渐趋于稳定不再变化。利用时效处理消减残余应力 效果不明显，一般仅为10％-40％。且长时间的时效还会使强化相长 大，导致合金的力学性能明显降低。
(2)深冷处理法。将淬火后的零件置于低温介质(一般是液氮) 中保温，待温度达到平衡后，取出并快速转移至高温介质中，当温 度再次达到平衡后取出冷却至室温，通过急冷与急热方法产生方向 相反的热应力，借此降低原来的残余应力场。深冷处理法在高温合 金消减残余应力方面的应用较少，相关工艺尚不成熟。其最大优点 是在消除残余应力的同时，可以改善材料的强度、硬度、耐磨性及 组织稳定性。
除上述方法外，近年来国内外还报告了脉冲磁处理法、高温短 时热冲击法等，但对于高温合金残余应力消减的相关工艺仍不成熟。
总之，以上几种方法在使用过程中均存在一些缺陷和局限性， 对残余应力的消除效果有效。由于目前航空航天高温合金中 GH4169高温合金的使用非常普遍，如何消除高温合金中的残余应 力，是零件尺寸稳定性要求较高的高温合金生产和应用面临的一大 难题。
发明内容
本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此， 本发明的目的之一在于提供一种消除高温合金残余应力的方法。优 选后，该方法可快速的将产品的淬火残余应力消除70％以上。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种消除高温合金残余应力的方法，包括如下步骤：
步骤一：将高温合金进行固溶淬火处理；
步骤二：将淬火处理后的高温合金进行冷拉处理；
步骤三：将冷拉处理后的高温合金进行快速升温双级时效处理；
步骤四：将快速升温双级时效处理后的高温合金空冷。
进一步的，固溶温度为960-980℃，固溶时间为1-3小时，淬火 介质为10-30℃的水，淬火保温时间为5-30分钟。
进一步的，冷拉处理的冷拉变形量为1-10％、优选为2-9％、进 一步优选为2-5％、更进一步优选为2-3.5％、再更进一步优选为 2.5-3.2％；当然在本发明中，最佳的冷拉处理变形量范围还可以为 2.8-3.1％。在本发明中，冷拉法是对构件施加一定的外加应力，外加应力与构件内原有的残余应力叠加达到材料的屈服强度，从而产 生均匀的塑性变形，使板内残余应力重新分布，从而达到消减或调 整残余应力的目的。作为优选，本发明所述构件优选为金板或线材。
进一步的，所述快速升温双级时效处理包括如下步骤：
第一级时效：将深冷处理后的高温合金放至710-730℃、优选 为720℃热处理炉中，升温速率为9℃/min，保温7-9h；
第二级时效：将高温合金从710-730℃降温至610-630℃，降温 速率为50℃/h，保温7-9h。在本发明中，时效工艺其本质是通过加 热到一定温度并保温一定时长的过程中，合金材料以晶界扩散、位 错运动等方式产生蠕变，从而使构件内部淬火残余应力逐渐释放并 趋于稳定。而双级时效的目的是先通过高温时效以保证主强化相(γ′′) 快速均匀足量的析出，然后采用高温二级时效控制γ′′相的长大速度， 既保证强化相的析出，又使其不发生聚集相变，从而获得较高强度 和其他良好的性能等。
进一步的，所述高温合金为GH4169镍基高温合金高温合金。
本发明一种消除高温合金残余应力的方法；所述高温合金为 GH4169镍基高温合金，合金材料成分以质量百分比计包括下述组 分：C含0.04％、Ti含0.9％、Al含0.45％、Nb含5.1％、Mo含3.06％、 Cr含18.9％、Fe含18.6％、余量为Ni。
本发明一种消除高温合金残余应力的方法残余应力消除大于等 于50％。方案优化后，残余应力消除大于等于70％。
经优化后；采用本发明所设计的方案，可以在22小时以内(最 短为18小时)，将GH4169镍基高温合金的残余应力消除至少70％。 这相比现有技术而言，效率得到显著提升，成本得到显著降低；这 对于工业化应用是极具优势的。
原理与优势：
该合金需要在970℃左右(960-980℃)的高温下进行固溶处理， 并在快速淬火冷却后进行人工时效，以获得优异的综合力学性能。 但在淬火冷却过程中，由于冷却速率快，构件芯部与表层的温度梯 度大，一般在表层形成压应力、芯部形成拉应力，最大应力值可以 达到600MPa以上。在随后的时效过程中，由于加热温度较低，残 余应力难以大幅度消除而残留在构件中，对锻件的断裂韧性、疲劳 寿命、腐蚀抗力等产生严重影响。为消除淬火产生的残余应力，在 淬火后采用冷拉处理对其进行残余应力的消减，最后再进行双级时 效处理。冷拉法是对高温合金施加一定的外加应力，使外加应力与 构件内原有的残余应力叠加达到消减或调整残余应力的目的。
通过结合冷拉处理可对高温合金的残余应力消减率有较明显的 提升，且对材料的力学性能影响不大，残余应力的降低可以显著提 高构件的尺寸稳定性，减少后续的加工变形，进而提高构件使用寿 命。
具体实施方式
下面将结合具体实施方式对本发明作进一步说明。
对比例1
在GH4169高温合金上取样，切成125mm×50mm×5mm的GH4169 高温合金板材试样。试样经970℃固溶1h后，迅速放入20℃的水中 进行淬火，淬火保温时间8min；将淬火完成后的试样放入720℃热处 理炉中进行双级时效处理，时效温度和保温时间分别为720℃× 8h+620℃×8h双级时效处理，第一级时效处理升温速率为9℃/min， 第二级时效处理降温速率为50℃/h。经固溶+20℃水温淬火+时效方法 处理后，试样表面的残余应力值由淬火后的-493.78MPa，下降至 -301.42MPa，残余应力消除39％左右。
系列实施案例
在GH4169高温合金上取样，切成125mm×50mm×5mm的GH4169 高温合金板材试样。试样经970℃固溶1h后，迅速放入20℃的水中 进行淬火，淬火保温时间8min；将淬火完成后的试样进行冷拉，冷 拉变形量分别为1％、3％、5％、9％；冷拉完成后将试样放入720℃热处理炉中进行双级时效处理，时效温度和保温时间分别为720℃× 8h+620℃×8h双级时效处理，第一级时效处理升温速率为9℃/min， 第二级时效处理降温速率为50℃/h。
经固溶+20℃水温淬火+冷拉1％+时效方法处理后，试样表面的残 余应力值由淬火后的-474.44MPa，下降至-173.87MPa，残余应力消除 63％左右。进行冷拉1％变形量的试样强度由未进行冷拉处理的 1339MPa，变化1278MPa，延伸率由10.0％变化为9.9％。
经固溶+20℃水温淬火+冷拉3％+时效方法处理后，试样表面的残 余应力值由淬火后的-491.61MPa，下降至-126.18MPa，残余应力消除 74％左右。进行冷拉3％变形量的试样强度由未进行冷拉处理的 1341MPa，变化为1333MPa，延伸率由10.0％变化为9.9％。
经固溶+20℃水温淬火+冷拉5％+时效方法处理后，试样表面的残 余应力值由淬火后的-435.57MPa，下降至-184.99MPa，残余应力消除 58％左右。
经固溶+20℃水温淬火+冷拉9％+时效方法处理后，试样表面的残 余应力值由淬火后的-482.71MPa，下降至-206.10，残余应力消除57％ 左右。进行冷拉9％变形量的试样强度由未进行冷拉处理的1339MPa， 变化为1281MPa，延伸率由10.0％变化为9.9％。
上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施 方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基 础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对 所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动 仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种消除高温合金残余应力的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：将高温合金进行固溶淬火处理；
步骤二：将淬火处理后的高温合金进行冷拉处理；
步骤三：将冷拉处理后的高温合金进行快速升温双级时效处理；
步骤四：将快速升温双级时效处理后的高温合金空冷。
2.根据权利要求1所述的消除高温合金残余应力的方法，其特征在于：冷拉处理的冷拉变形量为1-10％。
3.根据权利要求2所述的消除高温合金残余应力的方法，其特征在于：冷拉处理的冷拉变形量为2-9％。
4.根据权利要求3所述的消除高温合金残余应力的方法，其特征在于：冷拉处理的冷拉变形量为2-5％。
5.根据权利要求3所述的消除高温合金残余应力的方法，其特征在于：冷拉处理的冷拉变形量为2-3.5％。
6.根据权利要求1所述的消除高温合金残余应力的方法，其特征在于：所述快速升温双级时效处理包括如下步骤：
第一级时效：将冷拉处理后的高温合金放至710-730℃热处理炉中，保温7-9h；
第二级时效：将高温合金从710-730℃降温至610-630℃，降温速率为50℃/h，保温7-9h。
7.根据权利要求1所述的消除高温合金残余应力的方法，其特征在于：固溶温度为960-980℃，固溶时间为1-3小时，淬火介质为10-30℃的水，淬火保温时间为5-30分钟。
8.根据权利要求1-7任一项所述的消除高温合金残余应力的方法，其特征在于：所述高温合金为GH4169镍基高温合金，合金材料成分以质量百分比计如下：C含0.04％、Ti含0.9％、Al含0.45％、Nb含5.1％、Mo含3.06％、Cr含18.9％、Fe含18.6％、余量为Ni。
9.根据权利要求8所述的消除高温合金残余应力的方法，其特征在于：残余应力消除大于等于50％。
10.根据权利要求9所述的消除高温合金残余应力的方法，其特征在于：残余应力消除大于等于70％。
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