CN114247899A - 不产生裂纹的SLM成形Inconel 738合金的热处理方法 - Google Patents

不产生裂纹的SLM成形Inconel 738合金的热处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种不产生裂纹的SLM成形Inconel738合金的热处理方法，用以解决现有SLM成形Inconel738合金使用标准热处理工艺处理后存在宏观裂纹的技术问题。本发明在标准的热处理工艺的基础上增加了去应力退火，将去应力退火的工序设置在固溶处理之前，去应力退火能够使得合金发生静态回复，消除合金内部的位错塞积，进而消除合金内部的残余应力，且固溶处理时温度的提升，能够消除低熔点的γ‑γ'共晶相及小尺寸的一次γ'相，调控一次γ'相的分布、形态及尺寸，冷却过程中析出细小的二次γ'强化相，进而与后续的单时效处理相结合，进一步促进三次γ'强化相的析出，形成一次、二次、三次γ'强化相，进一步提升合金的综合性能。

Description

不产生裂纹的SLM成形Inconel 738合金的热处理方法
技术领域
本发明涉及金属增材制造技术和高温合金热处理的技术领域，尤其涉及一种不产生裂纹的SLM成形Inconel 738合金的热处理方法。
背景技术
Inconel 738合金是一种γ'相沉淀强化镍基高温合金，它可以使用铸造或选区激光熔化(SLM)成形技术制备，使用选区激光熔化(SLM)成形技术制备的Inconel 738合金相较于铸态Inconel 738合金，晶粒更加细小和均匀，元素偏析小，体现出的力学性能更加优异。
然而，由于Inconel 738合金具有高Al、Ti含量(Al+Ti>6wt.%)以及SLM成形技术的极端温度梯度(1.5×107~4×107 K/m)和冷却速度(105~106 K/s)，使得成形Inconel 738合金构件内部具有较高的残余应力，γ'相析出不充分，合金处于过饱和状态，组织非常不稳定。
因此，需要对SLM成形Inconel 738合金进行热处理，现在技术中，对SLM成形Inconel 738合金进行常规标准热处理(1120 ℃±10 ℃×2 h/AC+850 ℃±10 ℃×24 h/AC)后，合金试样发生宏观开裂。尤其是SLM成形Inconel 738合金构件直接进行固溶处理，升温过程中，高的残余应力在固溶初期还来不及释放，再加上升温过程γ'相的时效应力及热膨胀不均匀引起的热应力，三者的叠加使得热影响区应力过大引起晶间开裂产生的应变时效裂纹。同时，由于SLM成形后，Inconel 738合金的自身的孔隙缺陷，在残余应力及热膨胀的作用下，产生裂纹。这些热处理过程中裂纹的形成，导致合金发生宏观开裂，如图1所示。
综上，标准热处理工艺并不适用于SLM成形Inconel 738合金。
发明内容
针对现有SLM成形Inconel 738合金使用标准热处理工艺处理后存在宏观裂纹的技术问题，本发明提出一种不产生裂纹的SLM成形Inconel 738合金的热处理方法，在传统热处理的固溶处理前增加去应力退火处理，消除SLM成形Inconel 738合金内部的残余应力，通过固溶处理和单时效处理，消除Inconel 738合金中的低熔点γ-γ'共晶相，调控γ'相的分布、形态及尺寸，显著提高Inconel 738合金的强度和延展性，降低热处理时的Inconel 738合金出现开裂的风险，防止Inconel 738合金存在宏观裂纹的情况出现。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种不产生裂纹的SLM成形Inconel 738合金的热处理方法，包括以下步骤：
S1、将SLM成形Inconel 738合金进行去应力退火处理，空冷至室温；
S2、将步骤S1中处理后空冷至室温的SLM成形Inconel 738合金进行固溶处理，空冷至室温；
S3、将步骤S2中处理后空冷至室温的SLM成形Inconel 738合金进行单时效处理，空冷至室温。
在步骤S1中，使用去应力退火，使得Inconel 738合金发生静态回复，进而消除合金内部的位错塞积，消除Inconel 738合金内部的残余应力，为后续的固溶处理做准备；在步骤S2中，对Inconel 738合金进行固溶处理，消除γ-γ'共晶相及小尺寸的一次γ'相，调控γ'相的分布、形态及尺寸，提升Inconel 738合金的综合性能；在步骤S3中，将固溶处理后的Inconel 738合金进行单时效处理，促进三次γ'相析出，得到的颗粒细小且均匀分布的三次γ'相，显著提高Inconel 738合金的强度和延展性。
进一步的，步骤S1中去应力退火处理的退火温度为750~850℃，保温时间为12~24h。优选的，退火温度为800℃，保温时间为24h
进一步的，步骤S2中的固溶处理的温度为1150~1170℃，保温时间为1~2 h。优选的，温度为1170 ℃，保温时间为2 h。相较于标准的固溶处理工艺，步骤S2中的固溶处理温度明显提升，在对Inconel 738合金进行去应力退火处理的基础上，提高固溶处理的温度，能够消除Inconel 738合金中的低熔点γ-γ'共晶相及小尺寸的一次γ'相，调控一次γ'相的分布、形态及尺寸，冷却过程中析出细小的二次γ'强化相，进而进一步提升Inconel738合金的综合性能。
进一步的，步骤S3中的单时效处理的温度为700~750℃，保温时间为12~24 h。优选的，温度为750℃，保温时间为24h。将固溶处理后的Inconel 738合金进行单时效处理，促进三次γ'相析出，使得Inconel 738合金在具备两次γ'强化相的基础上再得到颗粒细小且均匀分布的三次γ'相，一次、二次、三次γ'相均匀分布，显著提高Inconel 738合金的强度和延展性。
进一步的，步骤S1的去应力退火处理、步骤S2的固溶处理和步骤S3的单时效处理的升温速度相同。
进一步的，升温速度为5 ℃/min~6 ℃/min。优选的，升温速度为5 ℃/min。
本发明的有益效果：
1.本发明在标准的热处理工艺的基础上增加了去应力退火的工序，并将去应力退火的工序设置在固溶处理也即是标准热处理工艺的第一步之前，去应力退火能够使得SLM成形Inconel 738合金发生静态回复，进而消除合金内部的位错塞积，消除合金内部的残余应力，在保证合金在参与后续热处理时不会由于残余应力过大出现宏观裂纹的基础上，进一步提升合金的综合性能。
2.本发明在进行固溶处理时，固溶处理的温度高于标准的固溶处理的温度，固溶处理时温度的提升，能够消除γ-γ'低熔点共晶相，调控一次γ'相的分布、形态及尺寸，进而与后续的单时效处理相结合，进一步促进γ'强化相的析出，形成三次γ'强化相，进一步提升Inconel 738合金的综合性能。
3.本发明中的热处理方法处理后的Inconel 738合金室温硬度为493 Hv，室温抗拉强度为1345 MPa，屈服强度为1038 MPa，室温断后伸长率为16.2%，相较于铸态Inconel738合金(410 Hv，945 MPa，765 MPa，7.5%)，综合性能明显提升，能够满足Inconel 738合金的结构件高强度和高塑性的要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为标准热处理工艺处理SLM成形Inconel 738合金后的宏观裂纹图。
图2为本发明的热处理方法处理SLM成形Inconel 738合金后的宏观试样图。
图3为本发明实施例2的热处理方法处理SLM成形Inconel 738合金后的60000倍γ'相形貌图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，经过标准热处理工艺处理SLM成形Inconel 738合金后是具备宏观裂纹的，不能作为本发明的对比对象，因此，在本发明的实施例中，为了进一步清晰的表现经过本发明的热处理方法处理后的SLM成形Inconel 738合金的性能的优异性，将铸态Inconel 738合金作为对比对象进行说明。
实施例1
一种不产生裂纹的SLM成形Inconel 738合金的热处理方法，包括以下步骤：
S1、将SLM成形Inconel 738合金进行去应力退火处理，空冷至室温。具体的说，退火温度为750℃，升温速度为5 ℃/min，保温时间为12 h。
S2、将步骤S1中处理后空冷至室温的SLM成形Inconel 738合金进行固溶处理，空冷至室温。具体的说，固溶处理的温度为1150℃，升温速度为5 ℃/min，保温时间为1 h。
S3、将步骤S2中处理后空冷至室温的SLM成形Inconel 738合金进行单时效处理，空冷至室温。具体的说，单时效处理的温度为700℃，升温速度为5 ℃/min，保温时间为12h。
值得说明的是，在本实施例中，步骤S1、S2和S3中的冷却方式均为空冷。
值得说明的是，在本实施例中，如图2所示，经过本实施例的热处理方法处理后的SLM成形Inconel 738合金并未显示出宏观裂纹，采用显微维氏硬度计和电子万能试验机测试热处理后Inconel 738合金的力学性能，检测得到其室温硬度为485 Hv，室温抗拉强度为1332.6 MPa，屈服强度为1028 MPa，室温断后伸长率为16.1%。而使用标准热处理工艺处理后的铸态Inconel 738合金的室温硬度为410 Hv，室温抗拉强度为945 MPa，屈服强度为765MPa，室温断后伸长率为7.5 %。本实施例中热处理后的Inconel 738合金的力学性能明显高于铸态Inconel 738合金，能够满足Inconel 738合金的结构件高强度和高塑性的要求。
实施例2
一种不产生裂纹的SLM成形Inconel 738合金的热处理方法，包括以下步骤：
S1、将SLM成形Inconel 738合金进行去应力退火处理，空冷至室温。具体的说，退火温度为800℃，升温速度为5 ℃/min，保温时间为24h
S2、将步骤S1中处理后空冷至室温的SLM成形Inconel 738合金进行固溶处理，空冷至室温。具体的说，固溶处理的温度为1170℃，升温速度为5 ℃/min，保温时间为2 h。
S3、将步骤S2中处理后空冷至室温的SLM成形Inconel 738合金进行单时效处理，空冷至室温。具体的说，单时效处理的温度为750℃，升温速度为5 ℃/min，保温时间为24h。
值得说明的是，在本实施例中，步骤S1、S2和S3中的冷却方式均为空冷。
值得说明的是，在本实施例中，如图2所示，经过本实施例的热处理方法处理后的SLM成形Inconel 738合金并未显示出宏观裂纹；将热处理后的SLM成形Inconel 738合金经过打磨抛光和电解腐蚀后采用扫描电镜观察其组织结构，如图3所示，可以看出Inconel738合金的微观组织结构中均匀分布着一次、二次、三次γ'相；采用显微维氏硬度计和电子万能试验机测试热处理后Inconel 738合金的力学性能，检测得到其室温硬度为493 Hv，室温抗拉强度为1345 MPa，屈服强度为1038 MPa，室温断后伸长率为16.2%。而使用标准热处理工艺处理后的铸态Inconel 738合金的室温硬度为410Hv，室温抗拉强度为945 MPa，屈服强度为765 MPa，室温断后伸长率为7.5%。本实施例中热处理后的Inconel 738合金的力学性能明显高于铸态Inconel 738合金，能够满足Inconel 738合金的结构件高强度和高塑性的要求。
实施例3
一种不产生裂纹的SLM成形Inconel 738合金的热处理方法，包括以下步骤：
S1、将SLM成形Inconel 738合金进行去应力退火处理，空冷至室温。具体的说，退火温度为850℃，升温速度为6 ℃/min，保温时间为12h
S2、将步骤S1中处理后空冷至室温的SLM成形Inconel 738合金进行固溶处理，空冷至室温。具体的说，固溶处理的温度为1150℃，升温速度为6 ℃/min，保温时间为1 h。
S3、将步骤S2中处理后空冷至室温的SLM成形Inconel 738合金进行单时效处理，空冷至室温。具体的说，单时效处理的温度为700℃，升温速度为6 ℃/min，保温时间为12h。
值得说明的是，在本实施例中，步骤S1、S2和S3中的冷却方式均为空冷。
值得说明的是，在本实施例中，如图2所示，经过本实施例的热处理方法处理后的SLM成形Inconel 738合金并未显示出宏观裂纹，采用显微维氏硬度计和电子万能试验机测试热处理后Inconel 738合金的力学性能，检测得到其室温硬度为487.7 Hv，室温抗拉强度为1321.6 MPa，屈服强度为1021 MPa，室温断后伸长率为15.9 %。而使用标准热处理工艺处理后的铸态Inconel 738合金的室温硬度为410 Hv，室温抗拉强度为945 MPa，屈服强度为765 MPa，室温断后伸长率为7.5%。本实施例中热处理后的Inconel 738合金的综合力学性能明显高于铸态Inconel 738合金，能够满足Inconel 738合金的结构件高强度和高塑性的要求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种不产生裂纹的SLM成形Inconel 738合金的热处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将SLM成形Inconel 738合金进行去应力退火处理，空冷至室温；
S2、将步骤S1中处理后空冷至室温的SLM成形Inconel 738合金进行固溶处理，空冷至室温；
S3、将步骤S2中处理后空冷至室温的SLM成形Inconel 738合金进行单时效处理，空冷至室温。
2.根据权利要求1所述的不产生裂纹的SLM成形Inconel 738合金的热处理方法，其特征在于，所述步骤S1中去应力退火处理的退火温度为750~850℃，保温时间为12~24h。
3.根据权利要求1所述的不产生裂纹的SLM成形Inconel 738合金的热处理方法，其特征在于，所述步骤S2中的固溶处理的温度为1150~1170℃，保温时间为1~2 h。
4.根据权利要求1所述的不产生裂纹的SLM成形Inconel 738合金的热处理方法，其特征在于，所述步骤S3中的单时效处理的温度为700~750℃，保温时间为12~24 h。
5.根据权利要求1所述的不产生裂纹的SLM成形Inconel 738合金的热处理方法，其特征在于，所述步骤S1的去应力退火处理、步骤S2的固溶处理和步骤S3的单时效处理的升温速度相同。
6.根据权利要求5所述的不产生裂纹的SLM成形Inconel 738合金的热处理方法，其特征在于，所述升温速度为5 ℃/min~6 ℃/min。
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