CN113832421A - 一种分级冷热循环减少镍基高温合金残余应力的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种分级冷热循环减少镍基高温合金残余应力的方法，将零部件在高温进行塑性变形加工后，分别在3个温度范围内进行处理，即900℃~1260℃、500℃~750℃和‑196℃~20℃，再将零部件升温至室温，然后将三个温度处理过程循环1~3次。本发明的分级冷热循环工艺将冷热循环由一步分为多步，不仅考虑了生产效率，也考虑多相组织的膨胀系数和收缩系数差别造成残余应力影响，从而优化出分级的温度区间。本发明的工艺能够缩短残余应力的释放和缓解的时间，特别是对于通过塑性成型工艺制备高温合金零部件，能够缩短零部件的制造周期，提高零部件的尺寸稳定性，同时提高了生产效率。

Description

一种分级冷热循环减少镍基高温合金残余应力的方法
技术领域
本发明涉及高温合金塑性成型技术领域，特别涉及能够实现镍基高温合金残余应力减少，提高镍基高温合金尺寸稳定性的一种分级冷热循环减少镍基高温合金残余应力的方法。
背景技术
高温合金通常是指在600 ℃以上使用的耐高温腐蚀、氧化以及能够适应复杂应力环境服役的一类金属材料，可广泛的应用于航空发动机与工业燃气轮机的涡轮叶片、导向叶片、涡轮盘及燃烧室等。目前，单台航空发动机的高温合金的使用量可达机身总重量的40%~60%。作为重要类别之一，变形高温合金是指铸造工艺获得的棒（锭）材来可通过塑性成型工艺制备板材、丝带材、环形件、盘件、叶片等零件的高温合金，该类别合金牌号较多，且其产量约占高温合金总产量的80%。
残余应力是评价零部件表面完整性特征的重要指标之一，其性质与大小对零部件的抗疲劳性能、耐腐蚀性能以及外观（形状）稳定性具有重要的影响。为适应近年来航空发动机工业的迅猛发展，如何降低现有成型工艺下的零部件的残余应力，提高合金的服役性能，成为了航空工业面临的迫切任务。对于合金焊接部件，已开发的减少其残余应力的方法主要为时效，包括自然时效、人工时效、敲击时效（锤击法，包括超声冲击）、振动时效等。显然，这些方法的使用在很大程度上依赖于在一定温度下的长时间等待内部残余应力的释放和缓解。但是，对于通过塑性成型工艺制备高温合金零部件来说，这无疑增加了零部件的制造周期，降低了生产效率。此外，对于变形高温合金来说，残余应力存在于整个部件，这不同于焊接部件中焊缝组织存在残余应力的情形。
因此，开发一种高效率，且适用于高温合金塑性成型工艺所制备零部件的残余应力消除或降低的方法十分重要。
发明内容
本发明的目的是根据高温合金的应用需求，提供一种分级冷热循环减少镍基高温合金残余应力的方法，能够高效率的减少塑性成型工艺制备高温合金零部件的残余应力。
为达到本发明的目的，本发明是通过如下技术方案来实现：
一种分级冷热循环减少镍基高温合金残余应力的方法，其包括如下步骤：
S1:在室温至1100 ℃范围内，将变形高温合金通过塑性成型工艺加工成零部件；
S2：将步骤S1中的零部件进行固溶处理，固溶处理的温度在900 ℃~ 1260 ℃之间；
S3：使用100 ℃/分钟~ 400 ℃/分钟的降温速度，将零部件降温至500 ℃~750 ℃温度范围内，保温时间1小时~3小时。
S4：将经步骤S3处理过的零部件再次加热到900 ℃~ 1260 ℃范围内，并进行保温，升温速度在10 ℃/分钟~ 20 ℃/分钟，保温时间不超过20 分钟；
S5：将步骤S4处理后的零部件，降温至500 ℃~750 ℃范围内，降温速度在20 ℃/分钟 ~ 40 ℃/分钟，保温时间0.5小时~1.5小时；随后，将零部件降温至-196 ℃~ 20 ℃范围内，降温速度在20 ℃/分钟 ~ 40 ℃/分钟，保温时间20 分钟~45分钟，然后升温至室温；
S6：将步骤S5处理后的零部件升温至步骤S2的温度区间再将步骤S3-S5循环1 ~3次；
S7：收集零部件，并进行检验。
在另一实施方式中，一种分级冷热循环减少镍基高温合金残余应力的方法，其包括如下步骤：
S1:在室温至1100 ℃范围内，将变形高温合金通过塑性成型工艺加工成零部件；
S2：将步骤S1中的零部件进行固溶处理，固溶处理的温度在900 ℃~ 1260 ℃之间；
S3：使用100 ℃/分钟~ 400 ℃/分钟的降温速度，将零部件降温至500 ℃~750 ℃温度范围内，保温时间1小时~3小时；
S4：将步骤S3处理过的零部件降温至-196 ℃~ 20 ℃范围内，降温速度在20 ℃/分钟 ~ 40 ℃/分钟，保温时间20 分钟~45分钟；
S5：将步骤S4处理后的零部件升温至室温，升温速度在20 ℃/分钟；
S6：将步骤S5处理后的零部件升温至步骤S2的温度区间再将步骤S3-S5循环1 ~3次；
S7：收集零部件，并进行检验。
本发明的一种分级冷热循环减少镍基高温合金残余应力的方法，与现有技术相比，充分考虑在巨大温差存在的下的冷热循环处理，不可避免的造成由于内部多相组织膨胀系数或收缩系数不一致产生的额外热残余应力；分级冷热循环将冷热循环由一步分为多步，不仅考虑了生产效率，也考虑多相组织的膨胀系数和收缩系数差别造成残余应力影响，从而优化出分级的温度区间。本发明在能够缩短残余应力的释放和缓解的时间，特别是对于通过塑性成型工艺制备高温合金零部件，能够缩短零部件的制造周期，提高零部件的尺寸稳定性，同时提高了生产效率。
附图说明
通过下面结合附图的详细描述，本发明前述的和其他的目的、特征和优点将变得显而易见。其中：
图1所示为本发明的分级冷热循环减少镍基高温合金残余应力的方法的一种实施例的分级冷热循环工艺曲线示意图；
图2所示为本发明的分级冷热循环减少镍基高温合金残余应力的方法的另一种实施例的分级冷热循环工艺曲线示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
参照图1，本发明的一种分级冷热循环减少镍基高温合金残余应力的方法，采用高温塑性加工+固溶处理（900 ℃~ 1260 ℃），第一次降温（500 ℃~750 ℃），升温（900 ℃~1260 ℃），第二次降温（500 ℃~750 ℃），第三次降温深冷（-196 ℃~ 20 ℃），室温的分级冷热循环工艺，具体的，其包括如下步骤：
S1：在室温至1100 ℃范围内，将变形高温合金通过塑性成型工艺加工成零部件；
S2：将步骤S1中的零部件进行固溶处理，固溶处理的温度在900 ℃~ 1260 ℃之间；
S3：使用100 ℃/分钟~ 400 ℃/分钟的降温速度，将零部件降温至500 ℃~750 ℃温度范围内，保温时间1小时~3小时。
S4：将经步骤S3处理过的零部件再次加热到900 ℃~ 1260 ℃范围内，并进行保温，升温速度在10 ℃/分钟~ 20 ℃/分钟，保温时间不超过20 分钟；
S5：将步骤S4处理后的零部件，降温至500 ℃~750 ℃范围内，降温速度在20 ℃/分钟 ~ 40 ℃/分钟，保温时间0.5小时~1.5小时；随后，将零部件降温至-196 ℃~ 20 ℃范围内，降温速度在20 ℃/分钟 ~ 40 ℃/分钟，保温时间20 分钟~45分钟，然后升温至室温；
S6：将步骤S5处理后的零部件升温至步骤S2的温度区间再将步骤S3-S5循环1 ~3次；
S7：收集零部件，并进行检验。
在另一实施方式中，参照图2，本发明的一种分级冷热循环减少镍基高温合金残余应力的方法，采用高温塑性加工+固溶处理（900 ℃~ 1260 ℃），第一次降温（500 ℃~750℃），第二次降温深冷（-196 ℃~ 20 ℃），室温的分级冷热循环工艺，具体的，其包括如下步骤：
S1：在室温至1100 ℃范围内，将变形高温合金通过塑性成型工艺加工成零部件；
S2：将步骤S1中的零部件进行固溶处理，固溶处理的温度在900 ℃~ 1260 ℃之间；
S3：使用100 ℃/分钟~ 400 ℃/分钟的降温速度，将零部件降温至500 ℃~750 ℃温度范围内，保温时间1小时~3小时；
S4：将步骤S3处理过的零部件降温至-196 ℃~ 20 ℃范围内，降温速度在20 ℃/分钟 ~ 40 ℃/分钟，保温时间20 分钟~45分钟；
S5：将步骤S4处理后的零部件升温至室温，升温速度在20 ℃/分钟；
S6：将步骤S5处理后的零部件升温至步骤S2的温度区间再将步骤S3-S5循环1 ~3次；
S7：收集零部件，并进行检验。
结合上述的两种实施方式，本发明以具体实施例具体说明如下。
实施例1
（1）950 ℃温度下，将变形高温合金通过锻造加工成零部件；
（2）将步骤（1）中的零部件进行固溶处理，固溶处理的温度在900 ℃；
（3）使用100 ℃/分钟的降温速度，将零部件降温至500 ℃，保温时间1小时；
（4）将经步骤（3）处理过的零部件再次加热到900 ℃，并进行保温，升温速度在10℃/分钟，保温时间16 分钟；
（5）将步骤（4）处理后的零部件，零部件降温至500 ℃，降温速度在20 ℃/分钟，保温时间0.5小时；随后，将零部件降温至-160 ℃，降温速度在20 ℃/分钟，保温时间16分钟，然后升温至室温, 升温速度在20 ℃/分钟；
（6）将步骤（5）处理后的零部件升温至步骤S2的温度再将步骤（3）-（5）循环2次。
（7）收集零部件，并进行检验。
实施例2
（1）1100 ℃温度下，将变形高温合金通过冲压工艺加工成零部件；
（2）将步骤（1）中的零部件进行固溶处理，固溶处理的温度在1260 ℃范围内；
（3）使用140 ℃/分钟的降温速度，将零部件降温至750 ℃，保温时间3小时；
（4）将经步骤（3）处理过的零部件再次加热到1260 ℃，并进行保温，升温速度在20℃/分钟，保温时间5分钟；
（5）将步骤（4）处理后的零部件，零部件降温至750 ℃，降温速度在40 ℃/分钟，保温时间1.5小时；随后，将零部件降温至20 ℃，降温速度在40 ℃/分钟， 保温45分钟，然后升温至室温；
（6）将步骤（5）处理后的零部件升温至步骤S2的温度再将步骤（3）-（5）循环3次；
（7）收集零部件，并进行检验。
实施例3
（1）850 ℃温度下，将变形高温合金通过锻造工艺加工成零部件；
（2）将步骤（1）中的零部件进行固溶处理，固溶处理的温度在900 ℃；
（3）使用100 ℃/分钟的降温速度，将零部件降温至500 ℃，降温速度在20 ℃/分钟，保温时间1小时；
（4）将步骤（3）处理过的零部件降温至-196 ℃，降温速度在20 ℃/分钟，保温时间20 分钟；
（5）将步骤（4）中零部件升温至室温，升温速度在20 ℃/分钟；
（6）将步骤（5）处理后的零部件升温至步骤（2）的温度再将步骤（3）-（5）循环3次；
（7）收集零部件，并进行检验。
实施例4
（1）850 ℃温度下，将变形高温合金通过挤压加工成零部件；
（2）将步骤（1）中的零部件进行固溶处理，固溶处理的温度1260 ℃；
（3）使用400 ℃/分钟的降温速度，将零部件降温至500 ℃温度范围内，降温速度在40 ℃/分钟，保温时间3小时；
（4）将步骤（3）处理过的零部件降温至20 ℃，降温速度在40 ℃/分钟，保温时间45分钟；
（5）将步骤（4）处理后的零部件，零部件升温至750 ℃，升温速度在40 ℃/分钟，保温时间1.5小时；随后，将零部件降温至20 ℃，降温速度在40 ℃/分钟，保温时间40分钟，然后升温至室温；
（6）将步骤（5）处理后的零部件升温至步骤（2）的温度再将步骤（3）-（5）循环3次；
（7）收集零部件，并进行检验。
实施例5
（1）在750 ℃，将变形高温合金通过挤压加工成零部件；
（2）将步骤（1）中的零部件进行固溶处理，固溶处理的温度在900 ℃；
（3）使用300 ℃/分钟的降温速度，将零部件降温至650 ℃，保温时间1小时；
（4）将经步骤（3）处理过的零部件再次加热到1020 ℃范围内，并进行保温，升温速度15 ℃/分钟，保温时间10分钟；
（5）将步骤（4）处理后的零部件，零部件降温至500 ℃，降温速度在40 ℃/分钟，保温时间1.5小时；随后，将零部件降温至25 ℃，降温速度在40 ℃/分钟，保温时间15分钟；
（6）将步骤（5）处理后的零部件升温至步骤（2）的温度区间再将步骤（3）-（5）循环3次；
（7）收集零部件，并进行检验。
实施例6
（1）在750 ℃，将变形高温合金通过挤压加工成零部件；
（2）将步骤（1）中的零部件进行固溶处理，固溶处理的温度在1260 ℃；
（3）使用180 ℃/分钟的降温速度，将零部件降温至610 ℃，保温时间1小时；
（4）将步骤（3）处理过的零部件降温至-10 ℃，降温速度在30 ℃/分钟，保温时间35分钟；
（5）将步骤（4）处理后的零部件升温至650 ℃，升温速度在30 ℃/分钟，保温时间1小时；随后，将零部件降温至20 ℃，降温速度在30 ℃/分钟，保温时间35分钟，然后升温至室温；
（6）将步骤（5）处理后的零部件升温至步骤（2）的温度区间再将步骤（3）-（5）循环3次。
（7）收集零部件，并进行检验。
本发明的一种分级冷热循环减少镍基高温合金残余应力的方法，考虑到在巨大温差存在的下的冷热循环处理，不可避免的造成由于内部多相组织膨胀系数或收缩系数不一致产生的额外热残余应力，采用分级冷热循环并将冷热循环由一步分为多步，不仅考虑了生产效率，也考虑多相组织的膨胀系数和收缩系数差别造成残余应力影响，从而优化出分级的温度区间。本发明在能够缩短残余应力的释放和缓解的时间，特别是对于通过塑性成型工艺制备高温合金零部件，能够缩短零部件的制造周期，提高零部件的尺寸稳定性，同时提高了生产效率。
本发明并不局限于所述的实施例，本领域的技术人员在不脱离本发明的精神即公开范围内，仍可作一些修正或改变，故本发明的权利保护范围以权利要求书限定的范围为准。

Claims (2)

1.一种分级冷热循环减少镍基高温合金残余应力的方法，其特征在于，所述的方法包括如下步骤：
S1：在室温至1100 ℃范围内，将变形高温合金通过塑性成型工艺加工成零部件；
S2：将步骤S1中的零部件进行固溶处理，固溶处理的温度在900 ℃~ 1260 ℃之间；
S3：使用100 ℃/分钟~ 400 ℃/分钟的降温速度，将零部件降温至500 ℃~750 ℃温度范围内，保温时间1小时~3小时；
S4：将经步骤S3处理过的零部件再次加热到900 ℃~ 1260 ℃范围内，并进行保温，升温速度在10 ℃/分钟~ 20 ℃/分钟，保温时间不超过20 分钟；
S5：将步骤S4处理后的零部件，降温至500 ℃~750 ℃范围内，降温速度在20 ℃/分钟~ 40 ℃/分钟，保温时间0.5小时~1.5小时；随后，将零部件降温至-196 ℃~ 20 ℃范围内，降温速度在20 ℃/分钟 ~ 40 ℃/分钟，保温时间20 分钟~45分钟，然后升温至室温；
S6：将步骤S5处理后的零部件升温至步骤S2的温度区间再将步骤S3-S5循环1 ~3次；
S7：收集零部件，并进行检验。
2.一种分级冷热循环减少镍基高温合金残余应力的方法，其特征在于，所述的方法包括如下步骤：
S1：在室温至1100 ℃范围内，将变形高温合金通过塑性成型工艺加工成零部件；
S2：将步骤S1中的零部件进行固溶处理，固溶处理的温度在900 ℃~ 1260 ℃之间；
S3：使用100 ℃/分钟~ 400 ℃/分钟的降温速度，将零部件降温至500 ℃~750 ℃温度范围内，保温时间1小时~3小时；
S4：将步骤S3处理过的零部件降温至-196 ℃~ 20 ℃范围内，降温速度在20 ℃/分钟~ 40 ℃/分钟，保温时间20 分钟~45分钟；
S5：将步骤S4处理后的零部件升温至室温，升温速度在20 ℃/分钟；
S6：将步骤S5处理后的零部件升温至步骤S2的温度区间再将步骤S3-S5循环1 ~3次；
S7：收集零部件，并进行检验。
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