CN114160796B - 一种制备涡轮盘的热处理工艺方法和涡轮盘 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种制备涡轮盘的热处理工艺方法和涡轮盘，包括：使用计算机仿真模拟软件模拟热处理时盘件升温、保温和冷却时的温度场变化；依据模拟结果设计合适的隔热材料工装；将涡轮盘置于真空气淬炉中，以所述隔热材料工装包裹轮毂至盘芯部位进行过固溶热处理，随后卸去所述隔热材料工装；采用所述隔热材料工装包裹所述盘件轮缘部位进行亚固溶热处理，随后卸去所述隔热材料工装；对所述盘件进行时效热处理。本发明通过使用计算机仿真模拟和隔热材料，通过过固溶热处理+亚固溶热处理使涡轮盘的盘芯、轮毂和轮缘具有不同的微观组织和力学性能，以满足高性能航空发动机涡轮盘的性能要求。
Description
技术领域
本发明涉及镍基粉末高温合金和热处理技术领域，具体地，涉及制备涡轮盘的热处理工艺方法和涡轮盘。
背景技术
镍基粉末高温合金因其优异的高温性能而广泛用于制备航空发动机涡轮盘。在涡轮盘服役过程中，轮缘部位承受较高的温度和相对低的应力。因此，轮缘部位的微观组织应为粗晶粒组织且γ＇相应均匀细小地分布在晶界和γ相基体内，以提供较好的蠕变抗力和较低的裂纹扩散速率。轮毂部位承受较高的应力和相对低的温度。因此，轮毂部位的微观组织应为细晶粒组织且晶界处弥散分布大尺寸γ＇相以抑制晶粒长大，以提供较好的中低温屈服强度和抗拉强度。
欲使轮缘获得粗晶组织且γ＇相均匀细小，需对其进行过固溶热处理。欲使轮毂获得细晶组织γ＇相，需对其进行亚固溶热处理，适当保留大尺寸γ＇相以钉扎晶界。涡轮盘热成型过程中，由于不同区域的等效应变、再结晶程度、温度场、γ＇相形貌和分布的不一致，采用合适的热处理工艺以控制盘件的盘缘和轮毂部位的晶粒度和γ＇相尺寸和形貌是形成双性能组织并决定涡轮盘力学性能的关键。
在实际生产中，热处理设备条件和盘件尺寸极大地影响了盘件内部的温度场和冷却效率，从而影响了热处理后的微观组织。国内外的双性能涡轮盘热处理工艺一般采用空气炉和大功率冷却设备或油池。而采用空气炉热处理过程中不仅会有有害气体的浸入，而且需要对炉要求高，需要对炉进行大幅度改造，同时还需要另外设置大功率冷却设备或油池。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种制备涡轮盘的热处理工艺方法和涡轮盘，以便解决现有技术的问题。
为了实现上述目的，本发明提供一种制备涡轮盘的热处理工艺方法，包括：
使用计算机仿真模拟软件模拟热处理时盘件升温、保温和冷却时的温度场变化；
依据模拟结果设计合适的隔热材料工装；
将锻造态镍基粉末高温合金涡轮盘置于真空气淬炉中，以所述隔热材料工装包裹轮毂至盘芯部位进行过固溶热处理，随后卸去所述隔热材料工装；
采用所述隔热材料工装包裹所述盘件轮缘部位进行亚固溶热处理，随后卸去所述隔热材料工装；
对所述盘件进行时效热处理。
可选地，所述依据模拟结果设计合适的隔热材料工装具体包括：选择合适的隔热材料，并且通过改变所述隔热材料工装的形状和尺寸调控热处理过程中盘件的温度场以及热处理后盘件不同部位的冷却速度。
可选地，所述过固溶热处理在所述真空气淬炉中进行；以所述隔热材料工装包裹轮毂至盘芯；受隔热材料工装包裹的部位温度不高于γ＇相固溶温度以下10℃；以5～20℃/min随炉升温至γ＇相固溶温度至γ＇相固溶温度以上60℃保温0～5h；然后以40～250℃/min的冷速冷却；冷却至室温后卸去真空、取出工件并卸去隔热材料工装。
可选地，所述亚固溶热处理在所述真空气淬炉中进行；以所述隔热材料工装包裹轮缘部位；受隔热材料工装包裹的部位温度不高于时效温度；以5～20℃/min的速率随炉升温至γ＇相固溶温度以下10～60℃保温0～5h，然后以40～250℃/min的冷速冷却；冷却至室温后卸去真空、取出工件并卸去隔热材料工装。
可选地，所述盘件在所述真空气淬炉中裸盘进行时效热处理；以5～20℃/min的速率随炉升温至750～850℃，保温6-16h，然后冷却至室温；随后卸去真空并取出盘件。
可选地，在装炉前或装炉后以所述隔热材料工装包裹所述轮毂至盘芯部位或者包裹所述轮缘部位。
可选地，所述计算机仿真模拟软件包括Abaqus或ProCAST。
可选地，所述涡轮盘为锻造态镍基粉末高温合金双性能涡轮盘。
本发明还提供一种涡轮盘，采用前所述的方法制备。
本发明的有益效果是：本发明通过使用计算机仿真模拟和隔热材料，通过过固溶热处理+亚固溶热处理使涡轮盘的盘芯、轮毂和轮缘具有不同的微观组织和力学性能，以满足高性能航空发动机涡轮盘的性能要求。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明实施例的一种制备涡轮盘的热处理工艺方法的流程示意图；
图2为本发明实施例的过固溶热处理步骤中以隔热材料工装包裹轮毂至盘芯的示意图；
图3为本发明实施例的亚固溶热处理步骤中以隔热材料工装包裹轮缘部位的示意图；
图4示出了本发明实施例的一种涡轮盘用锻造态镍基粉末高温合金的双性能热处理工艺图；
图5示出了本发明实施例的锻造态镍基粉末高温合金涡轮盘轮缘经过固溶热处理后的金相组织图；
图6示出了本发明实施例的锻造态镍基粉末高温合金涡轮盘轮缘经过固溶热处理后的γ/γ’组织图；
图7示出了本发明实施例的锻造态镍基粉末高温合金涡轮盘盘芯经亚固溶热处理后的金相组织图；
图8示出了本发明实施例的锻造态镍基粉末高温合金涡轮盘盘芯经亚固溶热处理后的γ/γ’组织图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
如图1所示，示出了本发明实施例的一种制备涡轮盘的热处理工艺方法的流程示意图，包括：
S101、使用计算机仿真模拟软件模拟热处理时盘件升温、保温和冷却时的温度场变化；
S102、依据模拟结果设计合适的隔热材料工装；
S103、将锻造态镍基粉末高温合金涡轮盘置于真空气淬炉中，以所述隔热材料工装包裹轮毂至盘芯部位进行过固溶热处理，随后卸去所述隔热材料工装；
S104、采用所述隔热材料工装包裹所述盘件轮缘部位进行亚固溶热处理，随后卸去所述隔热材料工装；
S105、对所述盘件进行时效热处理。
可选地，所述依据模拟结果设计合适的隔热材料工装具体包括：选择合适的隔热材料，并且通过改变所述隔热材料工装的形状和尺寸调控热处理过程中盘件的温度场以及热处理后盘件不同部位的冷却速度。
可选地，所述过固溶热处理在所述真空气淬炉中进行；以所述隔热材料工装包裹轮毂至盘芯；受隔热材料工装包裹的部位温度不高于γ＇相固溶温度以下10℃；以5～20℃/min随炉升温至γ＇相固溶温度至γ＇相固溶温度以上60℃保温0～5h；然后以40～250℃/min的冷速冷却；冷却至室温后卸去真空、取出工件并卸去隔热材料工装。
可选地，所述亚固溶热处理在所述真空气淬炉中进行；以所述隔热材料工装包裹轮缘部位；受隔热材料工装包裹的部位温度不高于时效温度；以5～20℃/min的速率随炉升温至γ＇相固溶温度以下10～60℃保温0～5h，然后以40～250℃/min的冷速冷却；冷却至室温后卸去真空、取出工件并卸去隔热材料工装。
可选地，所述盘件在所述真空气淬炉中裸盘进行时效热处理；以5～20℃/min的速率随炉升温至750～850℃，保温6-16h，然后冷却至室温；随后卸去真空并取出盘件。
可选地，在装炉前或装炉后以所述隔热材料工装包裹所述轮毂至盘芯部位或者包裹所述轮缘部位。
可选地，所述计算机仿真模拟软件包括Abaqus或ProCAST。
可选地，所述涡轮盘为锻造态镍基粉末高温合金双性能涡轮盘。
下面详细说明本发明实施例的一种制备涡轮盘的热处理工艺方法，包括：
1.热处理工装设计步骤
使用计算机仿真模拟软件模拟加装隔热材料后热处理升温、保温、冷却时候盘件的温度场变化。通过选择合适的隔热材料和适当的尺寸匹配预期温度梯度，从而设计合适的工装。
计算机模拟仿真软件如Abaqus、ProCAST等，通过改变隔热材料工装的形状和尺寸调控热处理过程中盘件的温度场以及热处理后盘件不同部位的冷却速度。
即计算机模拟仿真软件可以计算热处理过程中盘件随炉温和时间的温度场变化；隔热材料工装可以根据需要调整形状和尺寸；隔热材料工装在热处理过程中除起到较好的隔热作用外，对锻态合金表面、组织和结构无其他影响；隔热材料工装可通过自身的材料属性降低盘件被包裹部位的升温速率；隔热材料工装可通过接入冷却介质带走盘件被包裹部位的部分热量。
2.过固溶热处理步骤
将锻造态镍基粉末高温合金涡轮盘置于真空气淬炉中，所述过固溶热处理在所述真空气淬炉中进行；如图2所示，装炉前或装炉后以所述隔热材料工装包裹轮毂至盘芯；随后随炉升温并进行过固溶热处理，然后气冷至室温，冷却完成后卸去隔热材料工装。
受隔热材料工装包裹的部位温度不高于γ＇相固溶温度以下10℃；以5～20℃/min随炉升温至γ＇相固溶温度至γ＇相固溶温度以上60℃保温0～5h；然后以40～250℃/min的冷速冷却；冷却至室温后卸去真空、取出工件并卸去隔热材料工装。
3.亚固溶热处理步骤
将经过过固溶热处理步骤的涡轮盘置于真空气淬炉中，所述亚固溶热处理在所述真空气淬炉中进行；如图3所示，装炉前或装炉后以所述隔热材料工装包裹；随后随炉升温并进行亚固溶热处理，随后气冷至室温，冷却完成后卸去隔热材料工装。
受隔热材料工装包裹的部位温度不高于时效温度；以5～20℃/min的速率随炉升温至γ＇相固溶温度以下10～60℃保温0～5h，然后以40～250℃/min的冷速冷却；冷却至室温后卸去真空、取出工件并卸去隔热材料工装。
4.时效热处理步骤
重新将盘件置于真空气淬炉中，随炉升温并进行时效热处理，随后冷却至室温。
所述盘件在所述真空气淬炉中裸盘进行时效热处理；以5～20℃/min的速率随炉升温至750～850℃，保温6-16h，然后冷却至室温；随后卸去真空并取出盘件。
图4示出了本发明实施例的一种涡轮盘用锻造态镍基粉末高温合金的双性能热处理工艺图；
图5示出了本发明实施例的锻造态镍基粉末高温合金涡轮盘轮缘经过固溶热处理后的金相组织图；
图6示出了本发明实施例的锻造态镍基粉末高温合金涡轮盘轮缘经过固溶热处理后的γ/γ’组织图；
图7示出了本发明实施例的锻造态镍基粉末高温合金涡轮盘盘芯经亚固溶热处理后的金相组织图；
图8示出了本发明实施例的锻造态镍基粉末高温合金涡轮盘盘芯经亚固溶热处理后的γ/γ’组织图。
本发明实施例还提供一种涡轮盘，采用前所述的方法制备。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (8)
1.一种制备涡轮盘的热处理工艺方法，其特征在于，包括：
使用计算机仿真模拟软件模拟热处理时盘件升温、保温和冷却时的温度场变化；
选择合适的隔热材料，并且通过改变所述隔热材料工装的形状和尺寸调控热处理过程中盘件的温度场以及热处理后盘件不同部位的冷却速度；
将锻造态镍基粉末高温合金涡轮盘置于真空气淬炉中，以所述隔热材料工装包裹轮毂至盘芯部位进行过固溶热处理，随后卸去所述隔热材料工装；
采用所述隔热材料工装包裹所述盘件轮缘部位进行亚固溶热处理，随后卸去所述隔热材料工装；
对所述盘件进行时效热处理。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述过固溶热处理在所述真空气淬炉中进行；以所述隔热材料工装包裹轮毂至盘芯；受隔热材料工装包裹的部位温度不高于γ＇相固溶温度以下10℃；以5～20℃/min随炉升温至γ＇相固溶温度至γ＇相固溶温度以上60℃保温0～5h；然后以40～250℃/min的冷速冷却；冷却至室温后卸去真空、取出工件并卸去隔热材料工装。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述亚固溶热处理在所述真空气淬炉中进行；以所述隔热材料工装包裹轮缘部位；受隔热材料工装包裹的部位温度不高于时效温度；以5～20℃/min的速率随炉升温至γ＇相固溶温度以下10～60℃保温0～5h，然后以40～250℃/min的冷速冷却；冷却至室温后卸去真空、取出工件并卸去隔热材料工装。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述盘件在所述真空气淬炉中裸盘进行时效热处理；以5～20℃/min的速率随炉升温至750～850℃，保温6-16h，然后冷却至室温；随后卸去真空并取出盘件。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在装炉前或装炉后以所述隔热材料工装包裹所述轮毂至盘芯部位或者包裹所述轮缘部位。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述计算机仿真模拟软件包括Abaqus或ProCAST。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述涡轮盘为锻造态镍基粉末高温合金双性能涡轮盘。
8.一种涡轮盘，其特征在于，采用如权利要求1-7任一所述的方法制备。
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