CN111850438A - 一种in783合金材质的螺栓热处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种IN783合金材质的螺栓热处理工艺,包括步骤:将待制造螺栓的IN783合金棒材在1120℃~1130℃保温1小时,空气冷却至室温;将上述棒材加工成符合规格要求的成品螺栓后,在真空度不低于1×10‑5Pa气氛中加热至840℃~850℃,并保温3小时,采用高纯氩气冷却至室温;将处理后的螺栓置于AlCln气氛中加热至710℃~725℃,并保温8小时,随炉冷却至620℃~630℃,保温8小时,采用高纯氩气冷却至室温。本发明所述的IN783合金材质螺栓的热处理工艺,在保证合金高温强度和低膨胀性能的同时,可获得螺栓表面2μm深度内质量比为10%~15%的铝含量,远高于合金母材质量比为5%~6%的铝含量。该富铝扩散层中的Al在高温环境中可形成Al2O3保护膜,从而解决IN783合金螺栓在服役过程的抗氧化性能不足的问题。
Description
技术领域
本发明属于金属热处理领域,具体涉及一种IN783合金材质的螺栓热处理工艺。
背景技术
IN783(Inconel 783)合金是由美国特殊金属材料公司开发的一种用于航空发动机用高铝低铬低膨胀的高温合金,其特点是在保持γ′相强化的同时,通过在晶界上分布富铝的β相提高晶界的抗氧化能力。近年来,随着超超临界火电技术的发展,该合金也被用于超超临界汽轮机的高温螺栓材料。
高温螺栓是发电机组中长期在高温、应力状态下工作的用于紧固联接的部件,高温螺栓在阀门结合面上产生一定的压紧力,使被联接部件在使用周期内保持密封、不发生泄漏,对于发电厂高温紧固部件的正常运行及设备的安全起至关重要的作用。一般来讲,高温螺栓的设计寿命约为20年,在长期服役过程中氧化问题严重,这对于电厂正常维修工作带来很大的麻烦,有时甚至不得不采取破坏性方式拆除。因此提高螺栓的抗高温氧化性能,在一定程度上可以提高电厂检修效率,缩短检修时间,也可提高螺栓再次利用率,减少新备件的采购、使用,提高电厂经济效益。
发明内容
针对现有技术中存在的问题,本发明提供了一种IN783合金材质的螺栓热处理工艺,在保证合金高温强度和低膨胀性能的同时,通过显著提高IN783合金表面铝含量,从而解决IN783合金螺栓在服役过程的抗氧化性能不足的问题。
本发明是通过以下技术方案来实现:
一种IN783合金材质的螺栓热处理工艺,包括以下步骤:
步骤1,将待制造螺栓的IN783合金棒材在1120℃~1130℃保温1-5小时,空气冷却至室温;
步骤2,将步骤1中的IN783合金棒材加工成符合规格要求的成品螺栓后,在真空度不低于1×10-5Pa气氛中加热至840℃~850℃,并保温3-6小时,采用高纯氩气冷却至室温;
步骤3,将步骤2处理后的螺栓置于AlCln气氛中加热至710℃~725℃,并保温8-20小时,随炉冷却至620℃~630℃,保温8-20小时,采用高纯氩气冷却至室温。
本发明进一步的改进在于,步骤2和3中高纯氩气的纯度不低于99.99%,通过流速控制冷却速率不低于10℃/分钟。
本发明进一步的改进在于,步骤3中,AlCln气氛是由AlCl、AlCl2和AlCl3组成的混合气体,是经由纯铝粉和氯化铵粉末按照1:(2~6)的质量比混合后加热至620℃~630℃制得。
本发明进一步的改进在于,步骤3中待处理的螺栓在加热及保温过程中,将AlCln气体的压力不低于0.4MPa。
本发明进一步的改进在于,该热处理工艺能够提高螺栓表面2μm深度内的铝含量质量比10%~15%;650℃屈服强度不低于656MPa;在静态空气中850℃/100h的氧化膜厚度不高于0.1μm,达到完全抗氧化级。
与现有技术相比,本发明至少具有以下有益的技术效果:
本发明所述的IN783合金材质螺栓的热处理工艺,在保证合金高温强度和低膨胀性能的同时,可获得螺栓表面2μm深度内质量比为10%~15%的铝含量,远高于合金母材质量比为5%~6%的铝含量。该富铝扩散层中的Al在高温环境中可形成Al2O3保护膜,从而解决IN783合金螺栓在服役过程的抗氧化性能不足的问题。
附图说明
图1为本发明的实施例1中热处理之后得到的IN783合金材质的螺栓芯部的扫描电子显微镜截面图(二次电子模式拍照)。
图2为本发明的实施例1中热处理之后得到的IN783合金材质的螺栓表面的扫描电子显微镜截面图(背散射模式拍照)。
图3为本发明的部分实施例与参比例在850℃/静态空气中氧化膜厚度对比图。
图4为本发明的部分实施例1在850℃/静态空气中氧化膜形貌。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的详细说明。
实施例1:
对IN783合金材质的螺栓进行热处理,热处理工艺步骤及参数如下:
(1)、对待制造螺栓的IN783合金棒材在常压大气环境中加热至1120℃,保温1小时,空气冷却至室温;
(2)、将步骤(1)热处理后的棒材加工成规格合格的成品螺栓;
(3)、将步骤(2)的螺栓在真空度为8×10-6Pa气氛中加热至840℃,并保温3小时,采用纯度不低于99.99%高纯氩气冷却至室温,通过流速控制冷却速率不低于10℃/分钟;
(4)、将步骤(3)的螺栓至于密闭的工件室中,通过与之联通的管路通入高纯氩气,除去工件室中的空气;
(5)、将纯铝粉和氯化铵粉末按照1:2的比例置于气氛发生器中,加热至625℃生成AlCln气体;
(6)、将步骤(5)中生成的AlCln气体通过保温管路输送至步骤(4)中的密闭工件室中,使工件室内的压力不低于0.4MPa;
(7)、将步骤(4)装有螺栓的工件室加热至710℃,并保温8小时,随炉冷却至620℃,保温8小时,该步骤应与步骤(6)同步进行;
(8)、将步骤(7)热处理后的螺栓用纯度不低于99.99%高纯氩气冷却至室温,通过流速控制冷却速率不低于10℃/分钟。
该实施例工艺获得的IN783合金材质的螺栓,螺栓表面2μm深度内的铝含量质量占比10.2%,其余成分为合金母材元素;在螺栓芯部沿轴向方向取样,650℃屈服强度为660MPa;在静态空气中850℃/100h的氧化膜厚度为0.08μm,达到完全抗氧化级。
实施例2:
对IN783合金材质的螺栓进行热处理,热处理工艺步骤及参数如下:
(1)、对待制造螺栓的IN783合金棒材在常压大气环境中加热至1130℃,保温5小时,空气冷却至室温;
(2)、将步骤(1)热处理后的棒材加工成规格合格的成品螺栓;
(3)、将步骤(2)的螺栓在真空度为8×10-6Pa气氛中加热至850℃,并保温6小时,采用纯度不低于99.99%高纯氩气冷却至室温,通过流速控制冷却速率不低于10℃/分钟;
(4)、将步骤(3)的螺栓至于密闭的工件室中,通过与之联通的管路通入高纯氩气,除去工件室中的空气;
(5)、将纯铝粉和氯化铵粉末按照1:6的比例置于气氛发生器中,加热至625℃生成AlCln气体;
(6)、将步骤(5)中生成的AlCln气体通过保温管路输送至步骤(4)中的密闭工件室中,使工件室内的压力不低于0.4MPa;
(7)、将步骤(4)装有螺栓的工件室加热至720℃,并保温20小时,随炉冷却至630℃,保温16小时,该步骤应与步骤(6)同步进行;
(8)、将步骤(7)热处理后的螺栓用纯度不低于99.99%高纯氩气冷却至室温,通过流速控制冷却速率不低于10℃/分钟。
该实施例工艺获得的IN783合金材质的螺栓,螺栓表面2μm深度内的铝含量质量占比14.8%,其余成分为合金母材元素;在螺栓芯部沿轴向方向取样,650℃屈服强度为680MPa;在静态空气中850℃/100h的氧化膜厚度为0.06μm,达到完全抗氧化级。
实施例3:
对IN783合金材质的螺栓进行热处理,热处理工艺步骤及参数如下:
(1)、对待制造螺栓的IN783合金棒材在常压大气环境中加热至1124℃,保温2小时,空气冷却至室温;
(2)、将步骤(1)热处理后的棒材加工成规格合格的成品螺栓;
(3)、将步骤(2)的螺栓在真空度为8×10-6Pa气氛中加热至840℃,并保温5小时,采用纯度不低于99.99%高纯氩气冷却至室温,通过流速控制冷却速率不低于10℃/分钟;
(4)、将步骤(3)的螺栓至于密闭的工件室中,通过与之联通的管路通入高纯氩气,除去工件室中的空气;
(5)、将纯铝粉和氯化铵粉末按照1:4的比例置于气氛发生器中,加热至625℃生成AlCln气体;
(6)、将步骤(5)中生成的AlCln气体通过保温管路输送至步骤(4)中的密闭工件室中,使工件室内的压力不低于0.4MPa;
(7)、将步骤(4)装有螺栓的工件室加热至715℃,并保温12小时,随炉冷却至625℃,保温12小时,该步骤应与步骤(6)同步进行;
(8)、将步骤(7)热处理后的螺栓用纯度不低于99.99%高纯氩气冷却至室温,通过流速控制冷却速率不低于10℃/分钟。
该实施例工艺获得的IN783合金材质的螺栓,螺栓表面2μm深度内的铝含量质量占比13.4%,其余成分为合金母材元素;在螺栓芯部沿轴向方向取样,650℃屈服强度为662MPa;在静态空气中850℃/100h的氧化膜厚度为0.07μm,达到完全抗氧化级。
实施例4:
对IN783合金材质的螺栓进行热处理,热处理工艺步骤及参数如下:
(1)、对待制造螺栓的IN783合金棒材在常压大气环境中加热至1128℃,保温2小时,空气冷却至室温;
(2)、将步骤(1)热处理后的棒材加工成规格合格的成品螺栓;
(3)、将步骤(2)的螺栓在真空度为8×10-6Pa气氛中加热至847℃,并保温5小时,采用纯度不低于99.99%高纯氩气冷却至室温,通过流速控制冷却速率不低于10℃/分钟;
(4)、将步骤(3)的螺栓至于密闭的工件室中,通过与之联通的管路通入高纯氩气,除去工件室中的空气;
(5)、将纯铝粉和氯化铵粉末按照1:4的比例置于气氛发生器中,加热至625℃生成AlCln气体;
(6)、将步骤(5)中生成的AlCln气体通过保温管路输送至步骤(4)中的密闭工件室中,使工件室内的压力不低于0.4MPa;
(7)、将步骤(4)装有螺栓的工件室加热至715℃,并保温15小时,随炉冷却至625℃,保温8小时,该步骤应与步骤(6)同步进行;
(8)、将步骤(7)热处理后的螺栓用纯度不低于99.99%高纯氩气冷却至室温,通过流速控制冷却速率不低于10℃/分钟。
该实施例工艺获得的IN783合金材质的螺栓,螺栓表面2μm深度内的铝含量质量占比13.1%,其余成分为合金母材元素;在螺栓芯部沿轴向方向取样,650℃屈服强度为668MPa;在静态空气中850℃/100h的氧化膜厚度为0.07μm,达到完全抗氧化级。
实施例5:
对IN783合金材质的螺栓进行热处理,热处理工艺步骤及参数如下:
(1)、对待制造螺栓的IN783合金棒材在常压大气环境中加热至1128℃,保温2小时,空气冷却至室温;
(2)、将步骤(1)热处理后的棒材加工成规格合格的成品螺栓;
(3)、将步骤(2)的螺栓在真空度为8×10-6Pa气氛中加热至840℃,并保温5小时,采用纯度不低于99.99%高纯氩气冷却至室温,通过流速控制冷却速率不低于10℃/分钟;
(4)、将步骤(3)的螺栓至于密闭的工件室中,通过与之联通的管路通入高纯氩气,除去工件室中的空气;
(5)、将纯铝粉和氯化铵粉末按照1:3的比例置于气氛发生器中,加热至625℃生成AlCln气体;
(6)、将步骤(5)中生成的AlCln气体通过保温管路输送至步骤(4)中的密闭工件室中,使工件室内的压力不低于0.4MPa;
(7)、将步骤(4)装有螺栓的工件室加热至715℃,并保温15小时,随炉冷却至625℃,保温8小时,该步骤应与步骤(6)同步进行;
(8)、将步骤(7)热处理后的螺栓用纯度不低于99.99%高纯氩气冷却至室温,通过流速控制冷却速率不低于10℃/分钟。
该实施例工艺获得的IN783合金材质的螺栓,螺栓表面2μm深度内的铝含量质量占比11.6%,其余成分为合金母材元素;在螺栓芯部沿轴向方向取样,650℃屈服强度为663MPa;在静态空气中850℃/100h的氧化膜厚度为0.07μm,达到完全抗氧化级。
为了方便对比,特将Special Metals公司提供的INCONEL alloy 783标准热处理样品作为参比里例,本发明实施例1-5及参比例的制备工艺见表1。从实施例1-5可以看出,本发明所述的热处理工艺可提高螺栓表面2μm深度内的铝含量质量比10%~15%;650℃屈服强度不低于656MPa;在静态空气中850℃/100h的氧化膜厚度不高于0.1μm,达到完全抗氧化级。在保证合金高温强度和低膨胀性能的同时,可获得螺栓表面远高于合金母材的铝含量。
表1实施例及参比例的制备参数及表层2μm深度铝含量
图1为本发明的实施例1中热处理之后得到的IN783合金材质的螺栓芯部的扫描电子显微镜截面图(二次电子模式拍照),由图可知,用本发明方法对IN783合金材质的螺栓热处理工艺后,合金主要由β相和γ′组成。其中,γ′相在弥散分布在γ基体上,尺寸较大的短棒的一次β相主要沿晶界分布,尺寸较小的二次β相在晶内及沿晶界网状分布;本发明的热处理工艺保持了合金中γ′相强化,使合金650℃屈服强度不低于656MPa,同时通过在晶界上分布富铝的β相提高晶界的抗氧化能力。
图2为本发明的实施例1中热处理之后得到的IN783合金材质的螺栓表面的扫描电子显微镜截面图(背散射模式拍照),由图可知,用本发明方法对IN783合金材质的螺栓热处理工艺后,合金表面得到深度约2μm的富铝扩散层,扩散层内铝含量的质量比为10%~15%,铝含量低于10%,螺栓在长期服役过程将面临因铝消耗而导致的抗氧化性能不足问题,铝含量高于15%,将导致螺栓表面脆性增加,增大使用过程中脆性崩裂的风险。本发明得到的螺栓表层铝含量远高于合金母材质量比为5%~6%的铝含量。
通过在静态空气中850℃/100h的氧化试验表明,用本发明方法对IN783合金材质的螺栓热处理工艺后,螺栓在850℃/静态空气中的氧化速率明显降低。图3为本发明的部分实施例与参比例在850℃/静态空气中氧化膜厚度对比图,由图可知,与对比例(标准热处理工艺)相比,氧化膜厚度减小约1倍以上。图4为本发明的实施例1在850℃/静态空气中氧化膜形貌图,本发明通过提高合金表层铝含量来提高螺栓的抗氧化性能,富铝扩散层中的Al在高温环境中可形成Al2O3保护膜,从而解决IN783合金螺栓在服役过程的抗氧化性能不足的问题。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明,但这些说明不能被理解为限制了本发明的保护范围,本发明的保护范围由随附的权利要求书限定,任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种IN783合金材质的螺栓热处理工艺,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1,将待制造螺栓的IN783合金棒材在1120℃~1130℃保温1-5小时,空气冷却至室温;
步骤2,将步骤1中的IN783合金棒材加工成符合规格要求的成品螺栓后,在真空度不低于1×10-5Pa气氛中加热至840℃~850℃,并保温3-6小时,采用高纯氩气冷却至室温;
步骤3,将步骤2处理后的螺栓置于AlCln气氛中加热至710℃~725℃,并保温8-20小时,随炉冷却至620℃~630℃,保温8-20小时,采用高纯氩气冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的一种IN783合金材质的螺栓热处理工艺,其特征在于,步骤2和3中高纯氩气的纯度不低于99.99%,通过流速控制冷却速率不低于10℃/分钟。
3.根据权利要求1所述的一种IN783合金材质的螺栓热处理工艺,其特征在于,步骤3中,AlCln气氛是由AlCl、AlCl2和AlCl3组成的混合气体,是经由纯铝粉和氯化铵粉末按照1:(2~6)的质量比混合后加热至620℃~630℃制得。
4.根据权利要求1所述的一种IN783合金材质的螺栓热处理工艺,其特征在于,步骤3中待处理的螺栓在加热及保温过程中,将AlCln气体的压力不低于0.4MPa。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的一种IN783合金材质的螺栓热处理工艺,其特征在于,该热处理工艺能够提高螺栓表面2μm深度内的铝含量质量比10%~15%;650℃屈服强度不低于656MPa;在静态空气中850℃/100h的氧化膜厚度不高于0.1μm,达到完全抗氧化级。
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PB01 | Publication | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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