CN112853238A - 一种叶轮用耐热铝合金的热处理方法 - Google Patents

一种叶轮用耐热铝合金的热处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种叶轮用耐热铝合金的热处理方法，其步骤包括：对所述铝合金进行固溶处理，固溶温度为520℃‑540℃，保温2‑4h后取出水淬冷却至室温；对固溶处理后的铝合金进行第一阶段的时效热处理，时效温度为170℃‑190℃，保温6h‑10h后取出空冷至室温；对第一阶段时效热处理后的铝合金进行第二阶段的时效热处理，时效温度为230℃‑250℃，保温4h‑8h后取出空冷至室温。本发明提供的一种叶轮用耐热铝合金的热处理方法，能保证耐热铝合金强度的同时可提高耐热铝合金的塑性和韧性。

Description

一种叶轮用耐热铝合金的热处理方法
技术领域
本发明涉及金属材料的热处理技术领域，特别涉及一种叶轮用耐热铝合金的热处理方法。
背景技术
大型离心压缩机的核心动力部件是叶轮，压缩机叶轮的好坏直接关系到整个机组的使用安全性，一直以来压缩机叶轮均是以钢铁材料为主导，但是随着透平机械行业技术的提升，对轻量化叶轮材料的需求日益迫切，铝合金尤其是耐热铝合金作为一种应用温度段较宽的轻量化合金材料已经作为新型叶轮制造材料得到愈加广泛的应用。
目前对耐热铝合金的热处理方法通常采用固溶+时效热处理的处理方式。其中，固溶温度520-540℃，保温2-4小时后水冷至室温，时效温度180-210℃，保温12-16小时，空冷至室温。这样热处理之后的耐热铝合金，虽然强度和硬度较高，但其塑性和韧性指标却很一般。
为扩大耐热铝合金叶轮的应用场合，特别是在复杂受力环境下的应用领域，进一步改善耐热铝合金的力学性能至关重要。因为在叶轮高速旋转压缩气体的过程中，叶轮始终承受着气流和振动等交变载荷的作用，对制造材料本身的强度和塑韧性要求都极为严格。因此，目前亟需通过优化耐热铝合金的热处理工艺，在维持保证耐热铝合金强度的同时提高耐热铝合金的塑韧性，以解决当前的耐热铝合金的塑性和韧性不够的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能保证耐热铝合金强度的同时可提高耐热铝合金的塑性和韧性的叶轮用耐热铝合金的热处理方法。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种叶轮用耐热铝合金的热处理方法，包括如下步骤：
对所述铝合金进行固溶处理，固溶温度为520℃-540℃，保温2-4h后取出水淬冷却至室温；
对固溶处理后的铝合金进行第一阶段的时效热处理，时效温度为170℃-190℃，保温6h-10h后取出空冷至室温；
对第一阶段时效热处理后的铝合金进行第二阶段的时效热处理，时效温度为230℃-250℃，保温4h-8h后取出空冷至室温。
进一步地，所述铝合金固溶保温后进行水淬冷却的水淬转移时间在30s以内。
进一步地，所述铝合金水淬后应擦干铝合金表面。
进一步地，所述铝合金固溶处理后水淬冷却至室温后在15min的时间内进行第一阶段的时效热处理。
进一步地，所述铝合金以质量百分比计，其成分包括Si 0.10-0.25％，Fe 0.9-1.4％，Cu 1.8-2.7％，Mn≤0.25％，Mg 1.2-1.8％，Ni 0.8-1.4％，Zn≤0.15％，Ti≤0.2％，余量为Al。
本发明提供的一种叶轮用耐热铝合金的热处理方法，通过对叶轮用耐热铝合金依次进行固溶处理、第一阶段的时效热处理和第二阶段的时效热处理，能够保证叶轮用耐热铝合金的强度处于较高水平的同时，还能够大大提高叶轮用耐热铝合金的塑性和韧性，有效解决了叶轮用耐热铝合金的塑性和韧性不够的问题。
附图说明
图1为本发明对比例提供的固溶处理后的合金组织形貌；
图2为本发明对比例提供的时效处理后的组织形貌；
图3为本发明实施例提供的分级时效处理后合金的组织形貌。
具体实施方式
本发明实施例提供的一种叶轮用耐热铝合金的热处理方法，所述叶轮用耐热铝合金的成分如表1所示：
表1.合金成分(质量分数表％)
Figure BDA0002879074620000031
所述铝合金的热处理方法包括如下步骤：
步骤1、将炉温升至固溶处理温度，一定要等炉温稳定之后开炉放入铝合金，固溶温度为520℃-540℃，保温2-4小时，待保温时间结束后，迅速取出铝合金进行水淬处理。
步骤2、待炉温升至第一阶段的时效温度且炉温稳定后将固溶处理之后的铝合金放入炉中。为了使固溶处理后的铝合金中的强化元素陆续析出，形成原子团簇或GP区(即原子富集区)，在第一阶段的时效热处理温度应在GP区形成的温度范围之上，但第一阶段的时效热处理温度又不能太高，以防止GP区的快速长大形成稳定相，对后续的第二阶段的时效热处理造成影响，而使铝合金的强度大幅度降低。因此，将第一阶段的时效热处理温度设定在170℃-190℃，保温6h-10h后取出铝合金空冷至室温。
步骤3、待炉温升至第二阶段的时效温度且炉温稳定后将第一阶段时效热处理后的铝合金再次放入炉中，对铝合金进行第二阶段的时效热处理。
第二阶段的时效热处理是为了加速过时效处理，故这个阶段采用较高的时效热处理温度，但该阶段又不能对铝合金在第一阶段已析出的析出相有明显的固溶，以保证析出相数量，温度过高，已有析出物会回溶，同时析出相粗化，影响铝合金的力学性能。因此，将第二阶段的时效热处理温度设定在230℃-250℃，保温4h-8h后取出铝合金空冷至室温。
其中，为了保证铝合金的固溶效果，铝合金固溶保温后进行水淬冷却的水淬转移时间控制在30s以内。并且，时效热处理需要在固溶保温并冷却至室温后15min的时间内进行，不应将冷却后的叶轮用耐热铝合金搁置过长时间，以免影响处理效果。同时，固溶水淬后铝合金应迅速拭干其表面，以免铝合金表面发生氧化而影响其质量。
对比例
固溶处理：炉温升至530℃，待温度稳定后放入试件，保温2.5h，开炉取件水淬处理，淬火转移时间25s。
固溶处理后的金相照片如图1所示，从图1中可以看出，合金基体中几乎没有析出相存在，可见固溶处理后的效果十分到位，这为之后的时效析出做好了充足的准备。
时效处理：固溶处理后，待炉温升至200℃，炉温稳定后放入试件，保温15h后，取出试件，空冷至室温。
普通时效处理后的试件金相照片如图2所示，从图2中可见，合金基体上均匀分布着大量白色细小的析出相，这些均匀析出的白色细小相使合金的强度可以保持在一个较高的状态。
对比例得到的铝合金性能数据见表2，从表2可以看出，对比例得到的铝合金的抗拉轻度、屈服强度及硬度都比较高，但伸长率和断面收缩率相对较低，即铝合金的塑性和韧性指标很一般，对比例得到的铝合金用于叶轮时的塑性和韧性是不能满足叶轮在复杂受力环境下的应用需求。
实施例1
固溶处理：炉温升至520℃，待温度稳定后放入试件，保温2h，开炉取件水淬处理，淬火转移时间小于30s。
分级时效处理：固溶处理之后的试件，待炉温升至170℃且稳定后放入炉中，保温6h后取出空冷，再待炉温升至230℃且稳定后，再次放入炉中，保温4h后取出空冷。
分级时效处理后的试件金相照片如图3所示，从图3中可以看出，分级时效后的析出相处于较为离散的分布状态，这种离散分布相使合金中的应力不会过于集中，合金受力后内部阻碍变形的难度降低，有助于塑性和韧性指标提升。
实施例1得到的铝合金的性能数据见表2，从表2可以看出，实施例1得到的铝合金不仅抗拉轻度、屈服强度及硬度都比较高，而且其伸长率和断面收缩率也比较高，即铝合金的塑性和韧性较高，因此，实施例1得到的铝合金用于叶轮时的强度、塑性和韧性都能满足叶轮在复杂受力环境下的应用需求。
实施例2
固溶处理：炉温升至530℃，待温度稳定后放入试件，保温3h，开炉取件水淬处理，淬火转移时间小于30s。
分级时效处理：固溶处理之后的试件，待炉温升至180℃且稳定后放入炉中，保温8h后取出空冷，再待炉温升至240℃且稳定后，再次放入炉中，保温6h后取出空冷。
分级时效处理后的试件金相照片如图3所示，从图3中可以看出，分级时效后的析出相处于较为离散的分布状态，这种离散分布相使合金中的应力不会过于集中，合金受力后内部阻碍变形的难度降低，有助于塑性和韧性指标提升。
实施例2得到的铝合金的性能数据见表2，从表2可以看出，实施例2得到的铝合金不仅抗拉轻度、屈服强度及硬度都比较高，而且其伸长率和断面收缩率也比较高，即铝合金的塑性和韧性较高，因此，实施例2得到的铝合金用于叶轮时的强度、塑性和韧性都能满足叶轮在复杂受力环境下的应用需求。
实施例3
固溶处理：炉温升至540℃，待稳定后放入试件，保温4h，开炉取件水淬处理，淬火转移时间小于30s。
分级时效处理：固溶处理之后的试件，待炉温升至190℃且稳定后放入炉中，保温10h后取出空冷，再待炉温升至250℃且稳定后，再次放入炉中，保温8h后取出空冷。
分级时效处理后的金相照片如图3，从图中可以看出，分级时效后的析出相处于较为离散的分布状态，这种离散分布相使合金中的应力不会过于集中，合金受力后内部阻碍变形的难度降低，有助于塑性和韧性指标提升。
实施例3得到的铝合金的性能数据见表2，从表2可以看出，实施例3得到的铝合金不仅抗拉轻度、屈服强度及硬度都比较高，而且其伸长率和断面收缩率也比较高，即铝合金的塑性和韧性较高，因此，实施例3得到的铝合金用于叶轮时的强度、塑性和韧性都能满足叶轮在复杂受力环境下的应用需求。
表2.不同热处理工艺下的力学性能对比
Figure BDA0002879074620000061
由表2的对比例和实施例1-3的性能参数对比可知，优化后的分级时效热处理可以显著提升材料的塑性和韧性，同时材料强度仍维持在较高水平，与常规的固溶+时效热处理相比仅略有下降。因此，本发明提供的一种叶轮用耐热铝合金的热处理方法，能够使材料的综合力学性能有了很大提升，更加有助于叶轮的使用安全性。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种叶轮用耐热铝合金的热处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
对所述铝合金进行固溶处理，固溶温度为520℃-540℃，保温2-4h后取出水淬冷却至室温；
对固溶处理后的铝合金进行第一阶段的时效热处理，时效温度为170℃-190℃，保温6h-10h后取出空冷至室温；
对第一阶段时效热处理后的铝合金进行第二阶段的时效热处理，时效温度为230℃-250℃，保温4h-8h后取出空冷至室温。
2.根据权利要求1所述的叶轮用耐热铝合金的热处理方法，其特征在于：所述铝合金固溶保温后进行水淬冷却的水淬转移时间在30s以内。
3.根据权利要求2所述的叶轮用耐热铝合金的热处理方法，其特征在于：所述铝合金水淬后应擦干铝合金表面。
4.根据权利要求3所述的叶轮用耐热铝合金的热处理方法，其特征在于：所述铝合金固溶处理后水淬冷却至室温后在15min的时间内进行第一阶段的时效热处理。
5.根据权利要求1-4任一项所述的叶轮用耐热铝合金的热处理方法，其特征在于：所述铝合金以质量百分比计，其成分包括Si 0.10-0.25％，Fe 0.9-1.4％，Cu 1.8-2.7％，Mn≤0.25％，Mg 1.2-1.8％，Ni 0.8-1.4％，Zn≤0.15％，Ti≤0.2％，余量为Al。
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RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20210528

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