CN113637929A - 一种镍基高温合金室温强度提升的热处理工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种镍基高温合金室温强度提升的热处理工艺，属于镍基高温合金热处理技术领域。本发明所述热处理工艺包括固溶及时效处理：合金首先在1010‑1030℃范围内固溶处理20‑50min，取出后吹强风冷却至室温；之后在740‑760℃范围内时效处理14‑16h，随炉冷却至室温。该热处理工艺中，固溶处理后合金的冷速介于水冷与空冷冷速之间；单阶段时效处理后采用炉冷的方式冷却，与固溶处理工艺之间匹配性较好。时效后在得到细小弥散分布的二次γ′相的同时，一次γ′相周围还分布有大量小尺寸的三次γ′相，起到补充强化的作用。与标准热处理工艺相比，该工艺简单高效，在提升合金室温强度方面具有意想不到的效果，其中抗拉强度、屈服强度提升幅度最高分别可达40、45MPa。

Description

一种镍基高温合金室温强度提升的热处理工艺
技术领域
本发明属于镍基高温合金热处理技术领域，具体涉及一种镍基高温合金室温强度提升的热处理工艺。
背景技术
高温合金是目前军用和民用航空发动机以及燃气轮机高温零部件不可替代的关键结构材料。随着航空及舰船工业的快速发展，对其关键部件材料的耐高温性能要求越来越高。镍基高温合金由于具有使用温度高、组织稳定、有害相较少、抗氧化能力较强等优异的性能，已成功应用于航空发动机和舰船燃气轮机上的高温端部件。正因如此，已有大量研究分析了如何提高镍基高温合金在高温环境下的表现，例如专利(专利号CN110983107A)提出了一种提高GH4698合金锻件高温服役表现的方法，通过控制合金棒材变形火次及锻造、热处理后的冷却速度等参数，提高了锻件的组织均匀性及高温高应力条件下的持久性能。
镍基高温合金的热处理过程一般由固溶、时效处理组成。其中固溶处理的主要目的是溶解基体内的碳化物、γ′相等析出相，进而得到均匀的过饱和固溶体，便于时效过程中重新析出颗粒细小、均匀分布的强化相。此外，固溶处理参数的控制对获得适宜的晶粒度至关重要。时效处理的主要目的则是控制基体内析出相的含量及尺寸。沉淀硬化型镍基高温合金以γ′相为主要强化相，γ′相体积分数的增加及其细小弥散的分布均有利于合金力学性能表现的提升。
需要注意的是，镍基高温合金在高温条件下服役的同时，还常以冷轧和热轧板材、管材等形式用于石油、化工等中低温环境，在此情况下对合金的室温强度提出了较高的要求。专利(专利号CN109306399A)在GH4738合金标准热处理工艺的基础上，增加了一步730℃时效处理，通过提升γ′相体积分数提高了GH4738螺栓类产品的室温抗拉性能，但该热处理工艺时效时间较长，工艺较为繁琐。因此有必要开发一种简单、高效的适用于镍基高温合金室温强度提升的热处理制度。本发明利用固溶处理后较快的冷速，搭配合理时效处理工艺，成功实现了合金室温抗拉强度、屈服强度值的同时提升。
发明内容
针对背景技术中提出的问题，本发明提供了一种镍基高温合金室温强度提升的热处理工艺，简单高效的同时，可以保证合金的抗断裂性能以及使用安全性。适用于对镍基高温合金室温强度要求较高的零部件。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
步骤1：合金在1010-1030℃范围内固溶处理20-50min，取出后吹强风冷却至室温；
步骤2：合金在740-760℃范围内时效处理14-16h，之后随炉冷却至室温。
进一步地，步骤1和步骤2中所述升温速度为10-30℃/min。
进一步地，步骤1中所述方法冷却时冷速控制在400-600℃/min范围。
进一步地，所述镍基高温合金为GH4738合金，以质量百分比计，其主要成分为：碳0.03-0.10％、铬18-21％、钴12-15％、钼3.5-5％、钛2.75-3.25％、铝1.2-1.6％、硼0.003-0.01％、锆0.02-0.12，余量为镍。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明公开了一种镍基高温合金室温强度提升的热处理工艺，固溶处理之后采用吹强风冷却的方式将冷速控制在400-600℃/min范围，该冷速介于水冷与空冷冷速之间，在不抑制γ′相析出的同时，增加了γ′相形核数量；随后的时效阶段采用单阶段时效处理从而避免了原有双时效工艺中高温时效阶段合金内部γ′相尺寸的快速增加，最终得到了细小弥散分布的二次γ′相分布，有效保证了析出强化效果。
2.本发明所述时效处理结束后，合金部件采用随炉冷却的方式降温，由于冷却速度较慢，冷却过程中在一次γ′相周围析出了大量细小的三次γ′相，增加了基体内γ′相含量。同时，一次、二次、三次γ′相之间相互匹配良好，在提升合金室温强度方面具有意想不到的效果。
附图说明
图1是实施例1经过固溶+时效处理后合金内γ′相的分布。
图2是标准热处理后合金内γ′相的分布。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本发明的方案以及其优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本发明的限制。其中，实施例中所述合金具体为同一批次原料制成的尺寸为
Figure BDA0003250643240000031
的GH4738合金锻件，成分如表1所示。
表1实施例中所用GH4738合金成分
成分 C Cr Co Mo Ti Al Zr B Ni
含量wt.％ 0.05 19.25 14.10 4.05 2.85 1.49 0.05 0.008 余量
本发明所述的一种镍基高温合金室温强度提升的热处理工艺，包括如下步骤：
步骤1：合金以10-30℃/min的速度升温至1010-1030℃固溶处理20-50min，取出后通过吹强风的方法以400-600℃/min的速度冷却至室温；
步骤2：合金以10-30℃/min的速度升温至740-760℃范围内时效处理14-16h，之后随炉冷却至室温。
其中，所述镍基高温合金为GH4738合金，以质量百分比计，其主要成分为：碳0.03-0.10％、铬18-21％、钴12-15％、钼3.5-5％、钛2.75-3.25％、铝1.2-1.6％、硼0.003-0.01％、锆0.02-0.12，余量为镍。
具体实施例一
步骤1：GH4738合金锻件以15℃/min的速度升温至1030℃固溶处理30min，取出后通过吹强风的方法以400-600℃/min的速度冷却至室温；
步骤2：GH4738合金锻件以20℃/min的速度升温至760℃时效处理14h，之后随炉冷却至室温。
具体实施例二
步骤1：GH4738合金锻件以20℃/min的速度升温至1020℃固溶处理50min，取出后通过吹强风的方法以400-600℃/min的速度冷却至室温；
步骤2：GH4738合金锻件以25℃/min的速度升温至750℃时效处理16h，之后随炉冷却至室温。
多组随炉样品的力学性能测试结果显示，采用本发明所述热处理工艺处理后GH4738合金室温下的强度值得到了明显提升，其中抗拉强度达到1372MPa，屈服强度达到951MPa，提升幅度最高分别可达40、45MPa。
采用随炉试样测试的力学性能结果见表2；
表2 GH4738合金锻件力学性能检测结果
Figure BDA0003250643240000041
综上所述，本发明提供了一种镍基高温合金室温强度提升的热处理工艺，通过优化热处理工艺以及合金微观组织使得合金的室温抗拉强度、屈服强度在已有工艺的基础上提升明显。
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 (4)

1.一种镍基高温合金室温强度提升的热处理工艺，其特征在于，以下步骤：
步骤1：合金在1010-1030℃范围内固溶处理20-50min，取出后吹强风冷却至室温；
步骤2：合金在740-760℃范围内时效处理14-16h，之后随炉冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的一种镍基高温合金室温强度提升的热处理工艺，其特征在于，步骤1和步骤2中所述升温速度为10-30℃/min。
3.根据权利要求1所述的一种镍基高温合金室温强度提升的热处理工艺，其特征在于，步骤1中所述方法冷却时冷速控制在400-600℃/min范围。
4.根据权利要求1所述的一种镍基高温合金室温强度提升的热处理工艺，其特征在于：所述镍基高温合金为GH4738合金，以质量百分比计，其主要成分为：碳0.03-0.10％、铬18-21％、钴12-15％、钼3.5-5％、钛2.75-3.25％、铝1.2-1.6％、硼0.003-0.01％、锆0.02-0.12，余量为镍。
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