CN112522494B - 一种双组织、双性能棒状材料梯度热处理的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双组织、双性能棒状材料梯度热处理的方法，属于高温合金热处理技术领域。该方法是基于高速冷却定向凝固设备(HRS)，试棒细晶组织一端放置在水冷却铜盘上进行冷却，定向柱晶组织一端升入保温炉内，通过石墨加热体进行加热。在试棒细晶‑柱晶过渡区位置添加碳毡和碳纸进行隔热，从而实现双组织、双性能试棒的梯度热处理，解决细晶组织和定向组织对热处理温度需求差异的问题。

Description

一种双组织、双性能棒状材料梯度热处理的方法
技术领域
本发明涉及单晶高温合金热处理技术领域，具体涉及一种双组织、双性能棒状材料梯度热处理的方法。
背景技术
整体叶盘是将发动机转子叶片和轮盘形成一体，省去了传统连接中的榫头、榫槽及锁紧装置等，减少结构重量及零件数量，避免榫头气流损失，提高气动效率，使发动机结构大为简化，在小型航空发动机领域具有广泛的应用。
整体叶盘已经发展到了第三代，由最初的粗晶涡轮盘发展到了细晶涡轮盘，以及目前最先进的双组织、双性能涡轮盘。与前两代涡轮盘相比，双组织整体叶盘的盘体为细等轴晶组织，晶粒尺寸200μm左右，盘体的强度和疲劳寿命大幅提高；叶片为定向柱晶组织，具备优异的高温蠕变性能，大幅提高整体叶盘的工作温度。为了提高整体叶盘的力学性能，需要进行热处理。定向柱晶组织需要进行高温固溶热处理，完全消除枝晶间的共晶相，并在后续的空冷过程中析出细小均匀的γ’沉淀强化相。然而，高温热处理会弱化晶界，使晶界变宽，不利于细晶组织的持久性能。因此，细晶组织只能进行低温时效热处理。鉴于细晶和柱晶组织对热处理温度需求的不同，制备了双组织试棒，研究梯度热处理对双组织合金力学性能的影响规律。
目前，还没有专用的梯度热处理设备和工艺。因此，本发明利用大规模工业应用的高速冷却定向凝固设备进行了棒状材料的梯度热处理工艺研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双组织、双性能棒状材料梯度热处理的方法，解决双组织材料对热处理温度需求不同的问题。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种双组织、双性能棒状材料梯度热处理的方法，该方法是采用高速冷却定向凝固设备(HRS)实现双组织、双性能试棒的梯度热处理；所述高速冷却定向凝固设备(HRS)包括水冷却铜盘和石墨加热体，所述棒状材料为双组织金属试棒，一端为细晶组织，另一端为定向柱晶组织，在细晶与柱晶之间存在伪柱晶的过渡区组织部分；进行梯度热处理时，所述棒状材料竖直放置，其中：细晶组织一端朝下放置在水冷却铜盘上，柱晶组织一端伸入保温炉内部进行加热；在细晶和柱晶中间的过渡区组织部分设有隔热装置，以防止石墨加热体对下部细晶组织的辐射加热。
该方法包括以下步骤：
(1)根据试棒尺寸制备模壳，把试棒插入模壳内部实现试棒在HRS设备水冷却铜盘上的固定；
(2)试棒固定好以后，根据试棒尺寸和保温炉内径设计隔热装置尺寸，并固定在试棒过渡区组织位置；
(3)铜盘升起，直到柱晶组织部分全部进入保温炉内部，且隔热装置与保温炉下沿平齐；
(4)关闭炉门，开启铜盘水循环冷却系统、开启真空系统，达到要求真空度以后，开启保温炉加热电源，并加热到实验温度；
(5)热处理完成后，关闭保温炉加热电源，试棒随炉冷却至室温，下降水冷却铜盘，开启炉门，取出试棒。
所述高速冷却定向凝固设备(HRS)为HRS炉，包括加热装置、水冷却铜盘、循环水冷却系统、铜盘升降机构及真空系统等。
所述石墨加热体加热温度≥1250℃，控温精度±5℃，真空度≤0.9Pa，铜盘循环水具有冷却功能，热处理过程中水温≤25℃。
上述步骤(1)中，采用的固定装置为Al2O3模壳，模壳高度与细晶组织长度相同，模壳中间开通孔，可以把试棒插入模壳内部，试样端部紧贴冷却铜盘。
上述步骤(2)中，所述隔热装置由一层环形碳毡和一层环形碳纸组成；碳纸在上，可以反射保温炉辐射的热量，碳毡在下，碳毡厚度≥10mm，起到隔热的作用；环形碳毡和碳纸内径与试棒外径一致，隔热装置外径与保温炉内径相同。
上述步骤(4)中所述的保温炉加热温度≥1250℃，控温精度±5℃，真空度≤0.9Pa，热处理过程中水温≤25℃。
本发明的优点及有益效果如下：
1、本发明提出了一种双组织、双性能棒状材料梯度热处理的方法，不需要定制专用的梯度热处理设备，利用大规模工业应用的HRS设备可以实现试棒的梯度热处理工艺。
2、本发明的关键技术在于细晶组织部分的降温和隔热。首先，水冷却铜盘可以把柱晶组织部分热传导的热量带走，有效降低细晶组织部分温度。其次，碳毡和碳纸可以反射和屏蔽保温炉对细晶组织部分的热辐射加热，降低细晶组织温度。
附图说明
图1为实施例试棒固定和隔热装置。
图2为实施例定向组织进入保温炉内部且碳毡与保温炉下沿平齐。
图3为实施例定向组织和细晶组织梯度热处理过程中温度变化。
图4为实施例定向组织((a)和(b))和细晶组织((c)和(d))梯度热处理后组织形貌。
图5为实施例定向组织和细晶组织持久性能。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细的说明：
本实施例为DZ417G双组织、双性能试棒，一端为定向柱晶组织，另一端为细晶组织，梯度热处理过程如下：
(1)试棒细晶组织部分插入定制的Al2O3模壳内，在过渡区组织位置添加一层碳纸和碳毡进行隔热，碳毡与保温炉下沿平齐，如图1-2所示；
(2)在定向柱晶部分和细晶部分各绑一个热电偶，监控热处理过程中试样的温度；
(3)固定完成后，试棒定向柱晶组织部分随着水冷却铜盘升入保温炉内部(约100mm长)，碳毡与保温炉下沿平齐；
(4)关闭炉门，开启真空系统和水循环冷却系统；
(5)真空度达到1Pa以后，开启加热电源，加热温度为1220℃；
(6)温度测试表明定向柱晶部分温度为1218℃，细晶部分温度为900℃，如图3所示。满足DZ417G定向柱晶合金热处理工艺要求的同时，细晶组织不进行高温热处理的要求；
(7)梯度热处理后，定向柱晶部分枝晶间粗大γ’相和共晶相已完全消除，并析出了细小均匀的γ’相；细晶部分扔保持铸态组织，如图4所示。
(8)梯度热处理后定向柱晶和细晶的持久性能如图5所示。柱晶组织980℃/216MPa持久寿命平均值为28.5h，细晶组织950℃/235MPa持久寿命平均值为81h，均满足合金设计指标要求。

Claims (4)

1.一种双组织、双性能棒状材料梯度热处理的方法，其特征在于：该方法是采用高速冷却定向凝固设备实现双组织、双性能试棒的梯度热处理；所述高速冷却定向凝固设备包括水冷却铜盘和石墨加热体，所述棒状材料为双组织金属试棒，一端为细晶组织，另一端为定向柱晶组织，在细晶与柱晶之间存在伪柱晶的过渡区组织部分；进行梯度热处理时，所述棒状材料竖直放置，其中：细晶组织一端朝下放置在水冷却铜盘上，柱晶组织一端伸入保温炉内部进行加热；在细晶和柱晶中间的过渡区组织部分设有隔热装置，以防止石墨加热体对下部细晶组织的辐射加热；该方法包括以下步骤：
（1）根据试棒尺寸制备模壳，把试棒插入模壳内部实现试棒在水冷却铜盘上的固定；
（2）试棒固定好以后，根据试棒尺寸和保温炉内径设计隔热装置尺寸，并固定在试棒过渡区组织位置；
（3）铜盘升起，直到柱晶组织部分全部进入保温炉内部，且隔热装置与保温炉下沿平齐；
（4）关闭炉门，开启铜盘水循环冷却系统、开启真空系统，达到要求真空度以后，开启保温炉加热电源，并加热到实验温度；所述石墨加热体加热温度≥1250℃，控温精度±5℃，真空度≤0.9Pa，铜盘循环水具有冷却功能，热处理过程中水温≤25℃；
（5）热处理完成后，关闭保温炉加热电源，试棒随炉冷却至室温，下降水冷却铜盘，开启炉门，取出试棒。
2.根据权利要求1所述的双组织、双性能棒状材料梯度热处理的方法，其特征在于：所述高速冷却定向凝固设备为HRS炉，包括加热装置、水冷却铜盘、循环水冷却系统、铜盘升降机构及真空系统。
3.根据权利要求1所述的双组织、双性能棒状材料梯度热处理的方法，其特征在于：采用制备的Al2O3模壳实现试棒在水冷却铜盘上的固定，模壳高度与细晶组织长度相同，模壳中间开通孔，把试棒插入模壳内部，试样端部紧贴冷却铜盘。
4.根据权利要求1所述的双组织、双性能棒状材料梯度热处理的方法，其特征在于：在过渡区组织添加隔热装置，隔热装置由一层环形碳毡和一层环形碳纸组成；碳纸在上，能够反射保温炉辐射的热量，碳毡在下，碳毡厚度≥10mm，起到隔热的作用；环形碳毡和碳纸内径与试棒外径一致，隔热装置外径与保温炉内径相同。
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