CN113862590B - 一种提高gh4738合金疲劳寿命的热处理工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高GH4738合金疲劳寿命的热处理工艺，属于高温合金热处理技术领域。工艺步骤如下：将GH4738合金在1000‑1030℃条件下进行固溶处理，先缓冷后出炉空冷；随后在760‑780℃下进行时效处理，出炉空冷至室温。该热处理工艺优化了基体内的晶界碳化物分布，使得疲劳测试条件下合金的疲劳周次增加了36％以上，大幅度提高GH4738合金的疲劳寿命，进而提升了合金部件的服役安全性。该热处理工艺技术优势明显，市场推广前景广阔。

Description

一种提高GH4738合金疲劳寿命的热处理工艺
技术领域
本发明涉及高温合金热处理技术领域，更具体地说，它涉及一种提高GH4738合金疲劳寿命的热处理工艺。
背景技术
随着航空工业的不断发展，高温合金的开发与研究愈发重要。高温合金(也可以称为耐热合金或超合金)通常是指在600-1200℃的高温条件下仍能按照设计要求正常工作的金属材料，其在高温条件下具有较高的强度，良好的抗疲劳性能、断裂韧性，以及强的抗氧化和抗热腐蚀性能等综合性能，在航空领域被广泛使用。
航空发动机被称为“工业之花”，是航空工业中技术含量最高、难度最大的部件之一。作为飞机动力装置的航空发动机在研制过程中，高温合金材料用量已占到发动机总重量的40-60％，其中涡轮叶片、导向叶片、涡轮盘、燃烧室等部件几乎均由高温合金制成。根据基体元素种类的不同，高温合金可分为铁基、镍基、钴基高温合金，其中镍基高温合金由于具有优秀的综合性能，是航空发动机用高温合金的首选材料。
随着航空工业的快速发展，对发动机的推重比提出了越来越高的要求。提高涡轮前温度是提高发动机推重比、提升发动机性能的最直接有效的方式，这对涡轮热端部件的抗疲劳性能提出了更高的要求。GH4738(国外牌号为Waspaloy)是一种γ′相沉淀硬化型多晶镍基高温合金，在国内该合金在航空领域应用广泛，特别适合于制造航空发动机用高温承力部件，其高温疲劳性能的高低直接影响到发动机的使用寿命和服役期间的安全。相比单晶镍基高温合金，多晶的GH4738合金内部存在更多的界面区，而亚稳态的界面区(尤其是晶界)往往会在热处理过程中析出尺寸较大的块状碳化物，服役中的合金容易在此处萌生裂纹，进而降低合金的服役性能，尤其是热疲劳性能。
发明内容
本发明的目的是针对当前的技术背景，提供一种提高GH4738合金疲劳寿命的热处理工艺。该工艺通过特殊的热处理手段，即固溶处理之后先缓冷、后出炉空冷，然后配合单阶段时效，优化了基体内的碳化物分布，大幅度提高GH4738合金的疲劳寿命，进而提升了合金部件的服役安全性。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
一种提高GH4738合金疲劳寿命的热处理工艺，包括固溶处理和时效处理，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：准备GH4738镍基高温合金，该合金的质量组成为碳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。
步骤2：进行固溶处理，GH4738合金在1000-1030℃范围内固溶处理60-90min，冷却至室温；
步骤3：进行时效处理，GH4738合金在760-780℃下时效处理8-10h，出炉空冷至室温。
进一步地，步骤2和步骤3中GH4738合金的升温速率为20-30℃/min。
进一步地，步骤2中固溶处理后，合金在热处理炉内先以通流动空气的方式冷却至800℃，此阶段冷速控制在40-60℃/min；之后取出空冷至室温。
本发明具有以下有益效果：
本发明经过特殊的热处理手段，即固溶处理之后先通流动空气缓冷、后出炉空冷，在降低碳化物形核率、减少碳化物数量的同时，一定程度上抑制了碳化物的长大；然后配合单阶段时效，进一步稳定了碳化物的尺寸及分布。经过该热处理工艺处理后，合金晶界上析出了细小且不连续的碳化物。该热处理工艺优化了基体内的碳化物分布，在提高GH4738合金的疲劳寿命、提升合金部件的服役安全性方面效果显著。经过低周疲劳测试后，本发明获得的GH4738合金在700℃条件下的低周疲劳寿命可达到2830周次(εmax＝1.11％)，相比于工艺优化前的合金，由该方法获得的合金疲劳寿命提高了36％以上。
附图说明
图1是本发明热处理工艺示意图。
图2是实施例1经过固溶+时效处理后合金内晶界碳化物的分布。
具体实施方式
下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。
一种提高GH4738合金疲劳寿命的热处理工艺，具体包括以下步骤：
步骤1，原材料准备：
GH4738镍基高温合金，该合金的质量组成为碳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。
步骤2，固溶处理：
GH4738合金以20-30℃/min的升温速率加热至1000-1030℃范围内固溶处理60-90min，之后合金在热处理炉内先以通流动空气的方式冷却至800℃，此阶段冷速控制在40-60℃/min；之后取出空冷至室温。
步骤3：时效处理：
GH4738合金以20-30℃/min的升温速率加热至760-780℃范围内时效处理8-10h，出炉空冷至室温。
与现有的GH4738合金热处理制度(固溶处理/油冷+稳定化处理/空冷+时效处理/空冷)相比，本发明优化了固溶处理之后合金的冷速，即固溶处理之后先通流动空气缓冷、后取出空冷，在降低碳化物形核率、减少碳化物数量的同时，一定程度上抑制了其长大；然后配合单阶段时效，进一步稳定了碳化物的尺寸及分布，最终使合金晶界上析出了细小且不连续的碳化物。该工艺通过优化晶界碳化物的分布，提升晶界强度，大幅度提高了GH4738合金的疲劳寿命。
以下结合实施例对本发明作进一步详细说明，其中实施例1-3为本发明热处理工艺，对比例1为标准热处理工艺。
实施例1
第一步，原材料准备：
按质量分数选取以下成分的GH4738镍基高温合金：碳0.08％、铬19.61％、钴13.55％、钼4.23％、钛2.98％、铝1.47％、硼0.007％、锆0.11％，余量为镍。将合金切割成
Figure GDA0003523655310000041
试棒，清洗并烘干待用。
第二步，固溶处理：
GH4738合金样品以25℃/min的升温速率加热至1020℃固溶处理60min，之后合金样品在热处理炉内先以通流动空气的方式冷却至800℃，此阶段冷速为40℃/min；之后取出空冷至室温。
第三步，时效处理：
GH4738合金样品以25℃/min的升温速率加热至770℃时效处理8h，出炉空冷至室温。
实施例2
第一步，原材料准备：
按质量分数选取以下成分的GH4738镍基高温合金：碳0.08％、铬19.61％、钴13.55％、钼4.23％、钛2.98％、铝1.47％、硼0.007％、锆0.11％，余量为镍。将合金切割成
Figure GDA0003523655310000042
试棒，清洗并烘干待用。
第二步，固溶处理：
GH4738合金样品以20℃/min的升温速率加热至1025℃固溶处理70min，之后合金样品在热处理炉内先以通流动空气的方式冷却至800℃，此阶段冷速为45℃/min；之后取出空冷至室温。
第三步，时效处理：
GH4738合金样品以20℃/min的升温速率加热至765℃时效处理9h，出炉空冷至室温。
实施例3
第一步，原材料准备：
按质量分数选取以下成分的GH4738镍基高温合金：碳0.08％、铬19.61％、钴13.55％、钼4.23％、钛2.98％、铝1.47％、硼0.007％、锆0.11％，余量为镍。将合金切割成
Figure GDA0003523655310000043
试棒，清洗并烘干待用。
第二步，固溶处理：
GH4738合金样品以25℃/min的升温速率加热至1030℃固溶处理60min，之后合金样品在热处理炉内先以通流动空气的方式冷却至800℃，此阶段冷速为60℃/min；之后取出空冷至室温。
第三步，时效处理：
GH4738合金样品以30℃/min的升温速率加热至760℃时效处理10h，出炉空冷至室温。
对比例1
按照实施例1中的方法进行，不同之处在于：
固溶处理：将实施例1中相同成分和规格的GH4738合金样品放入热处理炉中，以30℃/min的速率升温至1020℃固溶处理4h，油冷至室温。
时效处理：固溶处理后的GH4738合金样品以30℃/min的速率升温至845℃稳定化处理4h，空冷至室温；随后以30℃/min的速率升温至760℃时效处理16h，空冷至室温。
性能检测
对实施例1-3和对比例1中经过热处理后的GH4738合金样品按照GB/T15248-2008《金属材料轴向等幅低循环疲劳试验方法》在700℃条件下进行疲劳性能检测，测试过程中加载最大应变量1.11％，应变比0.1，试验频率0.5Hz。检测结果如下表1所示。其中表1中对比例1为采用传统的标准热处理工艺处理后测得的GH4738合金性能。可以看出，本发明获得的GH4738合金样品的疲劳寿命可达到2830周次，与工艺优化前标准热处理态的合金样品相比疲劳寿命提高了36％以上，获得了更高的安全服役性能。
表1GH4738合金高温疲劳试验结果
Figure GDA0003523655310000051
Figure GDA0003523655310000061
多晶镍基高温合金在长期服役过程中，晶界上分布的尺寸较大的块状碳化物是合金基体相对较薄弱的部分。在疲劳测试时，碳化物与基体的界面会优先萌生裂纹，最终导致断裂现象。传统热处理工艺处理时，845℃稳定化处理阶段晶界碳化物会快速长大。本发明通过优化固溶处理后的冷却速率以及时效处理工艺，省去845℃稳定化处理，获得了细小且不连续的晶界碳化物分布，提高了晶界的循环寿命，增强了合金的热疲劳性能。其技术优势明显，市场推广前景广阔。
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 (2)

1.一种提高GH4738合金疲劳寿命的热处理工艺，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：准备GH4738镍基高温合金，该合金的质量组成为碳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；
步骤2：进行固溶处理，GH4738合金在1000-1030℃范围内固溶处理60-90min，冷却至室温；
步骤3：进行时效处理，GH4738合金在760-780℃下时效处理8-10h，出炉空冷至室温；
步骤2中固溶处理后，合金在热处理炉内先以通流动空气的方式冷却至800℃，此阶段冷速控制在40-60℃/min；之后取出空冷至室温。
2.根据权利要求1所述的一种提高GH4738合金疲劳寿命的热处理工艺，其特征在于，步骤2和步骤3中GH4738合金的升温速率为20-30℃/min。
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