CN112160031B - 一种提高定向凝固柱晶或单晶高温合金铸件高温持久寿命的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高定向凝固柱晶和单晶高温合金铸件高温持久寿命的方法，属于定向凝固柱晶和单晶高温合金铸件修复技术领域。该方法采用预先热处理方法对已产生变形的定向凝固柱晶和单晶高温合金进行热处理，然后进行定向凝固柱晶和单晶高温合金的标准热处理。本发明提供的提高定向凝固柱晶和单晶高温合金铸件高温持久寿命的方法有如下优点：可以通过预先热处理使合金成分均匀化；生成细小的碳化物，强化再结晶晶界；减小再结晶深度从而提高定向凝固柱晶和单晶高温合金铸件的高温持久寿命。与等量变形后直接标准热处理的定向凝固柱晶和单晶高温合金铸件相比，经过预先热处理后，高温持久寿命明显提高。

Description

一种提高定向凝固柱晶或单晶高温合金铸件高温持久寿命的 方法
技术领域
本发明涉及定向凝固柱晶和单晶高温合金铸件修复技术领域，具体涉及一种提高定向凝固柱状晶或单晶高温合金铸件高温持久寿命的方法。
背景技术
燃气轮机、航空发动机叶片都是在较高温度下使用，且叶片主要受离心力作用，而在高温下，晶界的强度不如晶内强度，横向晶界就成了叶片的薄弱环节。为此，人们发展了定向柱晶甚至单晶叶片来消除横向晶界或全部晶界。与传统多晶叶片相比，这些叶片具有更好的纵向机械性能和更高的承温能力。
但是，叶片在定向凝固过程中，由于金属与陶瓷铸型、型芯热膨胀系数的差异以及随后的整形、喷砂、钎焊甚至服役过程中，容易产生变形。这些变形包括喷砂均匀变形和局部碰撞产生的局部大变形。这样，叶片经高温处理(固溶处理或服役过程中的高温)就会产生再结晶。再结晶特别是局部再结晶产生的横向晶界，形成了叶片的薄弱环节，严重影响叶片的性能，特别是持久性能和疲劳性能迅速降低。因此，再结晶大幅度降低铸件合格率，增加成本，严重影响生产效率。
目前，对于定向凝固叶片产生的再结晶，采取的措施主要是控制叶片的变形(如尽量减少机械加工，优化设计铸型、型芯等)来预防叶片产生再结晶，或者建立叶片再结晶标准，严格检测，超过某一程度再结晶的叶片即行报废。
对于再结晶的控制，国外有一些相关的报道。欧洲专利(专利号：EP 1038982 A1)采用气体渗碳的方法将碳扩散到合金基体中形成碳化物，利用碳化物粒子阻碍晶界迁移的作用来控制再结晶和使再结晶局部化。该方法设备较复杂，操作较繁琐，主要以控制生长的方法控制再结晶，而且主要为应用于单晶。美国专利(专利号：5551999)采用较低温度反复回复(即反复的升温和降温)的方法来控制再结晶，其温度范围中较高温度为固溶温度以下30～60度，较低温度为高于时效温度30～60度，在较高温度与较低温度之间反复回复。其目的是利用γ’的反复析出与溶解来阻碍位错运动，从而降低再结晶。该方法效率较低。还有采用涂层里面加入晶界强化元素的方法来强化再结晶晶界，避免裂纹产生(专利号：EP1036850A1)，该方法主要针对单晶高温合金。更有甚者，采用化学腐蚀的方法直接将再结晶层腐蚀去除(专利号：5413648)，但是去除层的厚度受叶片尺寸公差限制。
上述控制再结晶的方法主要针对喷砂产生的再结晶或非常小的局部再结晶，而对于局部大变形产生的再结晶，还没有合适的再结晶控制工艺。而且运用上述再结晶控制工艺控制或者减小再结晶后，虽然减小或者消除了再结晶的影响，却可能对组织产生其它不利影响(例如，涂层包覆合金表面可能在合金基体边缘产生扩散层，甚至形成有害相)。因此，根据报道，这些工艺方法虽然能够控制部分再结晶，但是能否提高定向凝固柱晶和单晶高温合金的力学性能，还不得而知。针对出现再结晶的铸件，当前基本是直接报废，还没有合适的修复方法。
发明内容
为了解决叶片定向凝固过程中铸件变形产生的再结晶，进而导致持久寿命降低的问题，本发明的目的是提供一种提高定向凝固柱晶或单晶高温合金铸件高温持久寿命的方法，该方法通过优化热处理工艺，减少再结晶，从而提高高温持久寿命。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种提高定向凝固柱晶或单晶高温合金铸件高温持久寿命的方法，该方法首先对已产生变形的定向凝固柱晶或单晶高温合金进行预先热处理，然后进行定向凝固柱晶和单晶高温合金的标准热处理；通过预先热处理实现均匀化合金、析出细小的碳化物强化晶界及减小再结晶程度，从而提高定向凝固柱晶或单晶高温合金铸件的高温持久寿命。
所述预先热处理的温度为合金固溶温度以下10～50℃，确保不要产生过大的再结晶。
所述预先热处理的处理时间为0.5h～10h，预先热处理温度较高时，处理时间可以稍微减小，预先热处理温度较低时，则相应延长热处理时间。
所述预先热处理过程中，先以0.5～10℃/min的升温速率升温至预先热处理温度。
所述预先热处理以空冷或者炉冷的方式冷却。
所述预先热处理需要较低温度的时效处理，时效处理可以根据合金的标准热处理制度而制定。
本发明的优点和有益效果如下：
1、本发明在定向凝固柱晶或单晶高温合金变形后进行预先热处理，然后将合金做标准热处理。通过预先热处理均匀化合金，生成细小碳化物强化晶界，减小再结晶程度，最终提高高温持久寿命。
2、本发明提供的提高易变形定向凝固柱晶和单晶高温合金铸件高温持久寿命的方法，工艺简单，操作切实可行。
3、本发明提供的提高易变形定向凝固柱晶和单晶高温合金铸件高温持久寿命的方法，预先热处理的温度为合金固溶温度以下10～50℃，处理时间为0.5～10h，预先热处理温度较高时，处理时间可以稍微减小，预先热处理温度较低时则，需要较长的热处理时间。本发明不需要高低温之间反复回复。
附图说明
图1为合金1500kg布氏压痕后，经过预先热处理(PHT)加标准热处理(SHT)和直接标准热处理后样品的持久性能对比；其中，τ为持久寿命，δ为断裂延伸率；未削表示压痕并热处理后，磨削到压痕坑底，保留全部再结晶；削200表示磨削到压痕坑底后，再继续磨削200微米深度的再结晶，即再结晶深度较小。
图2为持久实验后的断口；其中：(a)为经过预先热处理+标准热处理的样品，(b)为没有经过预先热处理，而直接进行标准热处理的样品；经过预先热处理样品的再结晶明显小于没有经过预先热处理的样品。
图3为经过预先热处理的样品的再结晶晶界显微组织。
具体实施方式
实施例1
本实施例为提高易变形DZ125L定向凝固柱晶高温合金高温持久寿命的方法，过程如下：
采用定向凝固设备，通过高速凝固法制备出定向凝固板，用线切割从板上切取72×16×3mm的薄片。用布氏硬度计在16×72(定向柱晶生长方向)的面上压痕，载荷为1500kg。对样品分别进行预先热处理(1205℃/2h空冷+1080℃/4h空冷+900℃/16h空冷)加标准热处理(1220℃/2h空冷+1080℃/4h空冷+900℃/16h空冷)和直接标准热处理。将两组样品加工成持久样品(工作段尺寸15×5×2mm)。加工时将压痕磨掉，然后从反面加工已保证厚度尺寸。磨到压痕底部后，磨削不同尺寸以获得不同的再结晶深度。将加工后的持久样品做980℃/235MPa持久实验，其结果如图1所示。图1中，横坐标的未削为实际产生的再结晶深度(去除压痕后，从压痕底部开始至样品内部的再结晶深度)，削200为在上述基础上，继续减小200微米再结晶深度的状态。对未削和削200微米的样品而言，一方面，再结晶深度的减小，提高了持久寿命，另一方面，预先热处理的引入，极大地提高了持久寿命。经过不同热处理，持久实验的断口如图2所示。图2(a)为经过预先热处理+标准热处理的样品，图2(b)为没有经过预先热处理，而直接进行标准热处理的样品。经过预先热处理样品的再结晶明显小于没有经过预先热处理的样品，再结晶晶粒更为分散。图3为经过预先热处理的样品的再结晶晶界显微组织。大量细小颗粒碳化物分布在再结晶晶界上，强化了再结晶晶界。
实施例2
本实施例为提高DD414单晶高温合金高温持久寿命的方法，过程如下：
采用定向凝固设备，通过高速凝固法和螺旋选晶器法制备出单晶板，用线切割从板上切取72×16×3mm的薄片。用布氏硬度计在16×72(单晶生长方向)的面上压痕，载荷为1500kg。对样品分别进行预先热处理(1290℃/2h空冷+1150℃/4h空冷+870℃/16h空冷)+标准热处理(1310℃/4h空冷+1150℃/4h空冷+870℃/24h空冷)和直接标准热处理。将两组样品加工成持久样品(工作段尺寸15×5×2mm)。机械加工时将压痕磨掉，然后从反面加工已保证需要的厚度尺寸。磨到压痕底部后，磨削不同尺寸以获得不同的再结晶深度。将加工后的持久样品做980℃/250MPa持久实验。结果表明，经过预先热处理的样品，其再结晶小于没有经过预先热处理的样品。由于再结晶面积和深度的减小和再结晶晶界细小颗粒碳化物的分布，相对于直接标准热处理的样品，其持久寿命提高了30％。

Claims (4)

1.一种提高定向凝固柱晶或单晶高温合金铸件高温持久寿命的方法，其特征在于：该方法首先对已产生变形的定向凝固柱晶或单晶高温合金进行预先热处理，然后进行定向凝固柱晶和单晶高温合金的标准热处理；通过预先热处理使合金成分均匀化、析出的细小碳化物强化晶界及减小再结晶，从而提高定向凝固柱晶或单晶高温合金铸件的高温持久寿命；所述产生变形是指定向凝固过程中铸件变形产生了再结晶；
对DZ125L定向凝固柱晶预先热处理过程为：升温至1205℃保温2h，空冷；再在1080℃保温4h，空冷；最后在900℃保温16h，空冷；
对DD414单晶高温合金预先热处理过程为：升温至1290℃保温2h，空冷；再在1150℃保温4h，空冷；最后在870℃保温16h，空冷。
2.按照权利要求1所述的提高定向凝固柱晶或单晶高温合金铸件高温持久寿命的方法，其特征在于：预先热处理温度较高时，处理时间可以稍微减小，预先热处理温度较低时，则相应延长热处理时间。
3.按照权利要求1所述的提高定向凝固柱晶或单晶高温合金铸件高温持久寿命的方法，其特征在于：所述预先热处理，以空冷或者炉冷的方式冷却。
4.按照权利要求1所述的提高定向凝固柱晶或单晶高温合金铸件高温持久寿命的方法，其特征在于：所述预先热处理需要较低温度的时效处理，时效处理可以根据合金的标准热处理制度而制定。
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