CN113604762A - 提升gh4738合金环件高温塑性的真空固溶及时效处理工艺 - Google Patents

提升gh4738合金环件高温塑性的真空固溶及时效处理工艺 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种提升GH4738合金环件高温塑性的真空固溶及时效处理工艺，具体工艺包括：GH4738合金环件在压强不大于4×10‑2Pa的真空环境下加热到1020‑1030℃，并保温30‑60min；之后通氮气冷却至室温；最后在740‑750℃时效处理30‑35h并取出空冷至室温。该方法能够实现GH4738合金环件热处理后晶粒内γ′相和晶界M23C6碳化物的均匀分布，处理后的合金环件540℃拉伸时伸长率为30％、面缩率为34％，分别较工艺优化之前提升25％、36％；760℃拉伸时伸长率为49％、面缩率为70％，分别较工艺优化之前提升32％、27％，且完全能够满足指标要求。该工艺适用于对热处理后高温塑性要求较高的GH4738合金环件。

Description

提升GH4738合金环件高温塑性的真空固溶及时效处理工艺
技术领域
本发明属于镍基高温合金热处理的技术领域，具体涉及一种提升GH4738合金环件高温塑性的真空固溶及时效处理工艺。
背景技术
高温合金又被称为超合金，在高温环境下具有较高的强度、优异的抗腐蚀和抗氧化性能、良好的抗疲劳性能及组织稳定性，主要用于制造航空发动机以及燃气轮机上服役于高温端的重要零部件。GH4738是一种γ′相沉淀硬化型变形高温合金，由于具有大量的Co、Cr、Mo等合金化元素，其使用温度高达800-900℃。该合金的显著优点是高温下具有良好的成型性，是用于制作燃烧室用环件等具有复杂形状高温承力件的良好材料。在极端条件下服役的合金环件会同时承受高温、高应力以及强烈的震动，因此要求材料具有优异的高温塑性。此外，合金环件在生产过程中会涉及到高温变形，而GH4738合金的合金化程度较高，变形抗力大，可加工区域窄，控制不当会导致合金加工时开裂并使工件报废，因此对高温下合金的塑性提出了较高要求。
需要注意的是，GH4738合金力学性能的控制主要通过调节γ′相以及碳化物等析出相的尺寸和含量实现，其中晶粒内部主要利用Ni3(Al,Ti)型面心立方结构的γ′相共格析出强化，晶界主要通过M23C6碳化物的析出实现晶界强化。合金高温塑性的高低由晶内和晶界析出相的分布特点共同决定。在合金加工过程中往往通过控制固溶以及时效处理参数以改变析出相的分布，进而实现对合金高温塑性的调控。
GH4738合金有一套标准的热处理工艺，即固溶处理之后采用油冷或者水冷的方法快速冷却到室温以抑制强化相的析出及长大，之后进行标准双时效(845℃稳定化以及760℃时效)处理以进一步优化强化相的分布。但合金零部件在实际生产过程中为了防止表面氧化而往往采用真空固溶处理工艺。专利(专利号：CN109306399A)在GH4738合金标准热处理工艺的基础上，提出了一种新的热处理工艺，在双时效处理之后增加第三步730℃时效处理，以获得尺寸更小、弥散度更大、更多的γ′强化相和更多的碳化物，充分强化合金，提高GH4738合金螺栓类产品的机械性能。但该热处理方法不仅步骤繁琐，耗时较长，同时热处理过程在大气环境下进行，并未考虑真空热处理条件。
真空固溶处理之后的合金无法被快速取出导致冷却速率较慢，冷却过程中晶内γ′相在析出的同时尺寸也会明显增加[Li J,Ding R,Guo Q Y,et al.Effect ofsolution cooling rate on microstructure evolution and mechanical propertiesof Ni-based superalloy ATI 718Plus,Mat.Sci.Eng.A,2021,812:141113.]。在后续时效处理过程中如果仍然采用标准双时效处理会导致合金基体内部γ′相尺寸过大，塑性指标偏低。因此在合金真空固溶温度确定的条件下，有必要通过改善固溶及时效工艺优化合金微观组织，开发一种适用于对热处理后表面质量以及高温塑性要求都比较高的GH4738合金环件的热处理工艺。但至今国内尚未发现任何相关热处理工艺研究。
发明内容
本发明的目的在于开发一种提升GH4738合金环件高温塑性的真空固溶及时效处理工艺，确保其在540-760℃温度范围内具备优异的高温塑性。该工艺适用于对热处理后高温塑性要求较高的GH4738合金环件。
为实现以上发明目的，本发明采用的技术方案为：
提升GH4738合金环件高温塑性的真空固溶及时效处理工艺，包括以下步骤：
步骤1：将成形后的GH4738合金环件置于真空热处理炉中，并抽真空至4×10-2Pa以下；
步骤2：将经步骤1处理后的合金升温至1020-1030℃的固溶处理温度并保温30-60min，之后通氮气冷却至室温；
步骤3：将经步骤2处理后的合金置于加热炉内，随炉升温至740-750℃的时效温度，之后保温30-35h后取出空冷至室温。
进一步地，步骤2和步骤3中，合金以5-10℃/min的速度随炉升温至目标温度。
进一步地，步骤2中，通氮气冷却时合金的冷速控制在40-80℃/min范围内。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明固溶处理之后直接通氮气冷却，且冷却时合金的冷速控制在40-80℃/min范围内。该冷却工艺加快了固溶处理后的冷却速率，保证了较高的γ′相及晶界M23C6碳化物形核率，且一定程度上抑制了析出相的析出及长大。之后采用740-750℃的低时效温度处理30-35h，促进了时效处理后晶粒内γ′相和晶界M23C6碳化物的均匀、充分析出。
采用该工艺处理的合金环件，在强度没有下降的同时高温塑性提升明显。其中热处理后的合金环件540℃拉伸时伸长率为30％、面缩率为34％，分别较工艺优化之前提升25％、36％；760℃拉伸时伸长率为49％、面缩率为70％，分别较工艺优化之前提升32％、27％。
附图说明
图1是实施例1经过真空固溶+时效处理后合金内γ′相的分布。
图2是对比例1经过真空固溶+传统双时效处理后合金内γ′相的分布。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。其中，实施例和对比例中所述合金具体为同一批次原料制成的截面尺寸为40*20mm的GH4738合金环件，成分如下表所示。
表1实施例和对比例中所用GH4738合金成分
成分 C Cr Co Mo Ti Al Zr B Ni
含量wt.％ 0.05 18.90 13.55 3.80 3.20 1.55 0.05 0.007 余量
实施例1
GH4738合金环件热变形完成后，首先对其进行机加工处理完成最终尺寸的精确控制，同时消除热变形过程中形成的氧化层。将预处理好的GH4738合金环件置于真空热处理炉中，并抽真空至4×10-2Pa以下。
合金以8℃/min的速度随炉升温至1030℃的固溶处理温度并保温60min，之后通氮气以50℃/min的速度冷却至室温。
合金以10℃/min的速度随炉升温至750℃的时效温度，之后保温35h后取出空冷至室温。
对比例1
GH4738合金环件热变形完成后，首先对其进行机加工处理完成最终尺寸的精确控制，同时消除热变形过程中形成的氧化层。将预处理好的GH4738合金环件置于真空热处理炉中，并抽真空至2×10-2Pa以下。
合金以8℃/min的速度随炉升温至1030℃的固溶处理温度并保温30min，之后先炉冷到900℃，再以30℃/min的速度冷却至80℃以下。
合金以10℃/min的速度随炉升温至845℃的稳定化处理温度，之后保温4h后取出空冷至室温；合金以10℃/min的速度随炉升温至760℃的时效处理温度，之后保温16h后取出空冷至室温。
表2实施例1合金拉伸性能测试结果
Figure BDA0003163254730000041
实施例2
GH4738合金环件热变形完成后，首先对其进行机加工处理完成最终尺寸的精确控制，同时消除热变形过程中形成的氧化层。将预处理好的GH4738合金环件置于真空热处理炉中，并抽真空至10-3Pa以下。
合金以10℃/min的速度随炉升温至1020℃的固溶处理温度并保温40min，之后通氮气以60℃/min的速度冷却至室温。
合金以8℃/min的速度随炉升温至745℃的时效温度，之后保温30h后取出空冷至室温。
表3实施例2合金拉伸性能测试结果
Figure BDA0003163254730000051
合金微观组织的均匀性是影响合金塑性的主要因素之一。作为γ′相强化型合金，通过优化热处理工艺参数调控γ′相的分布均匀性是提升GH4738合金塑性的重要手段。本发明通过真空固溶处理之后采用较快的冷却速率以提高γ′相的形核率，同时通过740-750℃的低时效温度长时间处理获得了均匀分布的γ′相，进而提升了合金的高温塑性。由于碳化物硬而脆，且与基体之间为非共格关系，合金变形时较大尺寸的晶界碳化物会优先成为裂纹源，从而降低合金塑性。本发明通过提高固溶处理后合金环件的冷却速率，避免了大尺寸M23C6碳化物的聚集长大。
除上述实施外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形式的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (3)

1.提升GH4738合金环件高温塑性的真空固溶及时效处理工艺，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将成形后的GH4738合金环件置于真空热处理炉中，并抽真空至4×10-2Pa以下；
步骤2：将经步骤1处理后的合金升温至1020-1030℃的固溶处理温度并保温30-60min，之后通氮气冷却至室温；
步骤3：将经步骤2处理后的合金置于加热炉内，随炉升温至740-750℃的时效温度，之后保温30-35h后取出空冷至室温。
2.根据权利要求1所述的提升GH4738合金环件高温塑性的真空固溶及时效处理工艺，其特征在于，步骤2和步骤3中，合金以5-10℃/min的速度随炉升温至目标温度。
3.根据权利要求1所述的提升GH4738合金环件高温塑性的真空固溶及时效处理工艺，其特征在于，步骤2中，通氮气冷却时合金的冷速控制在40-80℃/min范围内。
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