CN113528992B - 优化增材制造gh3536镍基高温合金力学性能的热处理方法 - Google Patents

优化增材制造gh3536镍基高温合金力学性能的热处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了优化增材制造GH3536镍基高温合金力学性能的热处理方法，步骤S1，采用增材制造技术制备GH3536镍基高温合金；步骤S2，将马弗炉升温至1020～1080℃，迅速将步骤S1中所得到的增材制造GH3536镍基高温合金放入马弗炉中进行固溶热处理。步骤S3，将步骤S2中所得到的经固溶热处理的GH3536镍基高温合金在空气中进行冷却。本发明可以实现弥散碳化物均匀分布在增材制造GH3536镍基高温合金晶粒内部，晶界处碳化物数量减少，使增材制造GH3536镍基高温合金强度和塑性实现良好匹配，综合力学性能优于传统锻件水平，使增材制造GH3536镍基高温合金的适用范围更加广泛。

Description

优化增材制造GH3536镍基高温合金力学性能的热处理方法
技术领域
本发明属于合金热处理技术领域，特别涉及一种优化增材制造GH3536镍基高温合金力学性能的热处理方法。
背景技术
GH3536是一种含铁量高的镍基高温合金，主要是铬和钼的固溶强化合金，被广泛应用于航空发动机燃烧室部件和其他高温部件的制造。当前更加复杂的使用环境使得Hastelloy X合金元件的结构越来越复杂，性能要求越来越高，现有制造技术面临的挑战也越来越严峻。另一方面，激光选区熔化(SLM)是一种用于制造复杂几何形状零件的增材制造(AM)技术。这种增材制造方法在零部件生产成本和难度方面具有传统减法制造方法无法比拟的优势，并有潜力成为加工硬化材料的替代制造技术。然而，采用SLM工艺制备的镍基高温合金通常强度比较高，但塑性较低，无法达到使用要求，通常需要对成型件进行后续热处理来调控其强度和塑性的匹配。
由于增材制造所得到的GH3536合金显微组织结构与锻造等传统加工方式得到的显微组织结构有很大不同，采用常规的传统工艺加工成形GH3536的热处理制度来对SLM成形GH3536进行后续热处理，虽然可以达到塑性提升的效果，但由于固溶温度比较高，晶粒发生完全再结晶，位错数量也明显减少，这导致其强度大幅度下降，无法达到实用要求。此外，虽然采用SLM技术制备的高温合金致密度可达99.7％以上，但仍存在一定的微裂纹、孔洞等微观缺陷，这些缺陷也会显著降低高温合金的力学性能，经常规热处理制度后难以达到传统锻态甚至铸态的性能，不能完全发挥增材制造这一先进制造方法的优势。
发明内容
为了解决上述技术问题，发明提供了一种优化增材制造GH3536镍基高温合金力学性能的热处理方法，可以实现弥散碳化物均匀分布在增材制造GH3536镍基高温合金晶粒内部，晶界处碳化物数量减少，使增材制造GH3536镍基高温合金强度和塑性实现良好匹配，综合力学性能优于传统锻件水平，使增材制造GH3536镍基高温合金的适用范围更加广泛。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明提供了一种优化增材制造GH3536镍基高温合金力学性能的热处理方法，所述方法包括如下步骤：
步骤S1，采用增材制造技术制备GH3536镍基高温合金；
步骤S2，将马弗炉升温至1020～1080℃，迅速将步骤S1中所得到的增材制造GH3536镍基高温合金放入所述马弗炉中进行固溶热处理；
步骤S3，将步骤S2中所得到的经固溶热处理的GH3536镍基高温合金从马弗炉中取出，在空气中进行冷却。
进一步地，步骤S1中所述增材制造技术为激光选区熔化。
进一步地，激光选区熔化成形GH3536镍基高温合金的成形参数：激光功率190～195W，铺粉厚度35～55μm，层间旋转67°，基板预热90～100℃，扫描速度900～1000mm/s，扫描线间距75～125μm，5mm条带式激光双向扫描。
进一步地，步骤S2中将增材制造GH3536镍基高温合金放入马弗炉中的时间控制在2s以内。
进一步地，步骤S2中，增材制造GH3536镍基高温合金在马弗炉中进行固溶热处理的保温时间为40～90min。
进一步地，步骤S3中，冷却速度为30～100℃/s。
本发明还提供了一种根据上述优化增材制造GH3536镍基高温合金力学性能的热处理方法制备的增材制造GH3536镍基高温合金。
本发明具有如下有益效果：
本发明所提供的一种优化增材制造GH3536镍基高温合金力学性能的热处理方法，在本发明提出的热处理方法，可以实现弥散碳化物均匀分布在增材制造GH3536镍基高温合金晶粒内部，晶界处碳化物数量减少，使增材制造GH3536镍基高温合金强度和塑性实现良好匹配，综合力学性能优于传统锻件水平，使增材制造GH3536镍基高温合金的适用范围更加广泛。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明实施例的一些实施例。
图1为本发明实施例1处理后GH3536镍基高温合金组织状态：a为晶粒状态，b为晶内状态，c为碳化物状态；
图2为对比例1处理后GH3536镍基高温合金组织状态：a为晶粒状态，b为晶内状态，c为碳化物状态；
图3为实施例1和对比例1中热处理后GH3536镍基高温合金应力-应变曲线。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作详细说明。
本发明提供了一种优化增材制造GH3536镍基高温合金力学性能的热处理方法，所述方法包括如下步骤：
步骤S1：采用增材制造技术制备GH3536镍基高温合金。
步骤S1中所述增材制造技术为激光选区熔化，激光选区熔化成形GH3536镍基高温合金的成形参数：激光功率190～195W，铺粉厚度35～55μm，层间旋转67°，基板预热90～100℃，扫描速度900～1000mm/s，扫描线间距75～125μm，5mm条带式激光双向扫描。
步骤S2：在1020～1080℃温度范围进行固溶热处理40～90min。
将马弗炉加热至1020～1080℃，在升至指定温度后迅速将增材制造GH3536镍基高温合金试样放入马弗炉内进行固溶热处理，保温时间为40～90min；其中，将增材制造GH3536镍基高温合金试样放入马弗炉内的时间控制在2s以内。
步骤S3：以30～100℃/s冷却速度在空气中进行冷却处理。
将增材制造GH3536镍基高温合金试样从马弗炉中取出，冷却方式为在空气中冷却，冷却速度为30～100℃/s。
本发明还提供了上述优化增材制造GH3536镍基高温合金力学性能的热处理方法制备的增材制造GH3536镍基高温合金。
实施例1
本实施例提供了一种优化增材制造GH3536镍基高温合金力学性能的热处理方法，具体包括如下：
步骤S1：采用激光选区熔化成形设备(厂商：天津镭明激光科技有限公司，型号：LM-150A)，将GH3536镍基高温粉球形粉末加工成块状试样，球形粉末粒径范围15～45μm。激光选区熔化成形GH3536镍基高温合金的成形参数：激光功率190W，铺粉厚度35μm，层间旋转67°，基板预热90℃，扫描速度900mm/s，扫描线间距75μm，5mm条带式激光双向扫描。
步骤S2：将马弗炉升温至1050℃，迅速将步骤1中所得到的增材制造GH3536合金试样放入所述马弗炉中进行固溶热处理，保温时间为60min。
步骤S3：从马弗炉中取出增材制造GH3536合金试样，在空气中冷却至30℃。切取试样厚度方向2.5mm位置处作为观察平面进行磨制抛光，金相腐蚀，金相观察，并进行力学性能测试。
本实施例中所述的热处理后的试样进行晶粒组织状态，碳化物的分布状态和形貌进行观察测定，进行硬度测试，并分别对热处理处理后的试样进行室温拉伸测试。经过实施例1中的热处理之后，硬度为223HV，熔道仅部分消失，碳化物依然保留在晶内，尺寸保持在0.1μm至0.2μm，并没有粗化，如图1所示，弥散分布的碳化物颗粒可以钉扎位错移动，使GH3536强度仅小幅度下降，材料强度仍能满足使用要求；此外，热处理过程中残余应力的部分释放从而使材料的延伸率提高至44.7％。因此在实施例1中的热处理方法下，增材制造GH3536合金强度与塑性得到了较好匹配，综合性能优于锻造件。
本实施例还提供了一种根据上述优化增材制造GH3536镍基高温合金力学性能的热处理方法制备的增材制造GH3536镍基高温合金。
对比例1
本对比例提供了一种优化增材制造GH3536镍基高温合金力学性能的热处理方法，具体包括如下：
步骤S1：采用激光选区熔化成形设备(厂商：天津镭明激光科技有限公司，型号：LM-150A)，将GH3536镍基高温粉球形粉末加工成块状试样，球形粉末粒径范围15～45μm。激光选区熔化成形GH3536镍基高温合金的成形参数：激光功率190W，铺粉厚度35μm，层间旋转67°，基板预热90℃，扫描速度1000mm/s，扫描线间距75μm，5mm条带式激光双向扫描。
步骤S2：将马弗炉升温至1175℃，迅速将步骤1中所得到的增材制造GH3536合金试样放入所述马弗炉中，保温时间为50min。
步骤S3：从马弗炉中取出增材制造GH3536合金试样，在空气中冷却至30℃，切取试样厚度方向2.5mm位置处作为观察平面进行磨制抛光，金相腐蚀，金相观察，并进行力学性能测试。
经过对比例1中的热处理之后，熔道完全消失，晶粒转变为等轴晶，且晶内出现退火孪晶，晶粒内部碳化物已经完全粗化并偏聚到晶界，如图2所示，这会降低晶界强度。此外，位错密度大幅下降，导致增材制造6H3536合金强度大幅度下降，低于锻造件的使用标准，尽管残余应力的完全释放合金的塑性进一步提高至70％，但强度的大幅度降低使得增材制造GH3536失去了其原本高强度的优势。
实施例1和对比例1中热处理后GH3536镍基高温合金应力-应变曲线见图3。
实施例2
本实施例提供了一种优化增材制造GH3536镍基高温合金力学性能的热处理方法，具体包括如下：
步骤S1：采用激光选区熔化成形设备(厂商：天津镭明激光科技有限公司，型号：LM-150A)，将GH3536镍基高温粉球形粉末加工成块状试样，球形粉末粒径范围15～45μm。激光选区熔化成形GH3536镍基高温合金的成形参数：激光功率190W，铺粉厚度35μm，层间旋转67°，基板预热90℃，扫描速度1000mm/s，扫描线间距75μm，5mm条带式激光双向扫描。
步骤S2：将马弗炉升温至1030℃，迅速将步骤1中所得到的增材制造GH3536合金试样放入所述马弗炉中进行固溶热处理，保温时间为70min。
步骤S3：从马弗炉中取出增材制造GH3536合金试样，在空气中冷却至30℃，切取试样厚度方向2.5mm位置处作为观察平面进行磨制抛光，金相腐蚀，金相观察，并进行力学性能测试。
实施例3
本实施例提供了一种优化增材制造GH3536镍基高温合金力学性能的热处理方法，具体包括如下：
步骤S1：采用激光选区熔化成形设备(厂商：天津镭明激光科技有限公司，型号：LM-150A)，将GH3536镍基高温粉球形粉末加工成块状试样，球形粉末粒径范围15～45μm。激光选区熔化成形GH3536镍基高温合金的成形参数：激光功率190W，铺粉厚度35μm，层间旋转67°，基板预热90℃，扫描速度1000mm/s，扫描线间距75μm，5mm条带式激光双向扫描。
步骤S2：将马弗炉升温至1060℃，迅速将步骤1中所得到的增材制造GH3536合金试样放入所述马弗炉中进行固溶热处理，保温时间为50min。
步骤S3：取出增材制造GH3536合金试样，在空气中冷却至30℃，切取试样厚度方向2.5mm位置处作为观察平面进行磨制抛光，金相腐蚀，金相观察，并进行力学性能测试。
以下对实施例1、2、3，对比例1中所得到的GH3536合金的力学性能进行测试，具体测试数据见表1。
表1：各实施例中得到的GH3536镍基高温合金测试结果：
Figure BDA0003153381420000071
由实施例1、2、3中获得的力学性能可知，经本发明实施例提出的热处理方法处理，增材制造GH3536合金强度与塑性均可较好匹配，综合性能优于锻造件。
由以上技术方案可以看出，本实施例提供的优化增材制造GH3536镍基高温合金力学性能的热处理方法，可以实现弥散碳化物均匀分布在增材制造GH3536镍基高温合金晶粒内部，晶界处碳化物数量减少，使增材制造GH3536镍基高温合金强度和塑性实现良好匹配，综合力学性能优于传统锻件水平，使增材制造GH3536镍基高温合金的适用范围更加广泛。
以上通过实施例对本发明实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明实施例的示例性实施例，不能被认为用于限定本发明实施例的实施范围。本发明实施例的保护范围由权利要求书限定。凡利用本发明实施例所述的技术方案，或本领域的技术人员在本发明实施例技术方案的启发下，在本发明实施例的实质和保护范围内，设计出类似的技术方案而达到上述技术效果的，或者对申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明实施例的专利涵盖保护范围之内。

Claims (4)

1.一种优化增材制造GH3536镍基高温合金力学性能的热处理方法，其特征在于，所述方法由步骤S1、步骤S2和步骤S3组成：
步骤S1，采用增材制造技术制备GH3536镍基高温合金；
步骤S2，将马弗炉升温至1020～1080℃，迅速将步骤S1中所得到的增材制造GH3536镍基高温合金放入所述马弗炉中进行固溶热处理，固溶热处理的保温时间为40～90min；
步骤S3，将步骤S2中所得到的经固溶热处理的GH3536镍基高温合金从马弗炉中取出，在空气中进行冷却。
2.根据权利要求1所述的优化增材制造GH3536镍基高温合金力学性能的热处理方法，其特征在于，步骤S1中所述增材制造技术为激光选区熔化。
3.根据权利要求1所述的优化增材制造GH3536镍基高温合金力学性能的热处理方法，其特征在于，步骤S2中将增材制造GH3536镍基高温合金放入马弗炉中的时间控制在2s以内。
4.根据权利要求1所述的优化增材制造GH3536镍基高温合金力学性能的热处理方法，其特征在于，步骤S3中，冷却速度为30～100℃/s。
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