CN114250352A - 提高高温合金盘件或环形件服役稳定性的方法及得到的盘件或环形件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高温合金材料制造技术领域，尤其是涉及一种提高高温合金盘件或环形件服役稳定性的方法及得到的盘件或环形件。提高高温合金盘件或环形件服役稳定性的方法，包括如下步骤：将高温合金盘件或环形件进行固溶热处理，然后进行旋转使轮毂部位产生0.005～0.1的塑性变形量，再进行时效热处理。本发明在固溶热处理后进行旋转，引发特定塑性变形量所需的转速较低，使该过程有效可控；且在固溶热处理后进行高速旋转，在轮毂部位引发合理的塑性变形，会引入更多亚结构，在后续时效热处理过程中，可促进强化相在材料亚结构附近析出，提高材料的强度和抗蠕变能力。
Description
技术领域
本发明涉及高温合金材料制造技术领域，尤其是涉及一种提高高温合金盘件或环形件服役稳定性的方法及得到的盘件或环形件。
背景技术
航空发动机热端转动部件主要采用高温合金制造，包括涡轮盘等等。在服役状态下，高温合金盘件或环形件的脆弱部位为轮毂区域：一方面，在高温合金盘件锻造过程中，由于受到变形死区的影响，轮毂部位材料的屈服强度通常较低；另一方面，轮毂部位承受了最大的服役弦向拉应力，易在其组织中产生蠕变损伤和疲劳损伤，从而破坏盘件的结构稳定性。
因而，如何能够提高高温合金盘件或环形件的服役结构稳定性是本领域亟需解决的问题。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供提高高温合金盘件或环形件服役稳定性的方法，以解决现有技术中存在的盘件或环形件在服役过程中稳定性较差等技术问题。
本发明的第二目的在于提供采用上述方法得到的盘件或环形件。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
提高高温合金盘件或环形件服役稳定性的方法，包括如下步骤：
将高温合金盘件或环形件进行固溶热处理，然后进行旋转使轮毂部位产生0.005～0.1的塑性变形量，再进行时效热处理。
本发明的方法，在固溶热处理后进行旋转，此时高温合金材料的屈服强度远低于时效热处理后的屈服强度，因而引发特定塑性变形量所需的转速较低，使该过程有效可控。并且，在固溶热处理后进行高速旋转，在轮毂部位引发合理的塑性变形，会引入更多亚结构(位错、低能孪晶界等)，在后续时效热处理过程中，可促进强化相(γ′相和γ″相等)在材料亚结构附近析出，提高材料的强度和抗蠕变能力。
此外，通过本发明的方法，可在轮盘的轮毂部位预置残余压应力，从而抵消盘件服役过程中的载荷，降低盘件的服役实际受力状态。在时效热处理阶段会使轮毂部分的残余压应力部分释放(约20％～40％)。
在本发明的具体实施方式中，通过模拟计算使轮毂部位产生所述塑性变形量的转速。进一步的，所述旋转在室温～700℃下进行。
在本发明的具体实施方式中，所述旋转的时间≤10min，如1～10min。
在本发明的具体实施方式中，基于轮毂部位材料的旋转时对应温度(室温～700℃)下的材料应力-应变曲线，结合有限元模拟仿真，计算使轮毂部位产生所述塑性变形量的转速。进一步的，所述应力-应变曲线为材料在固溶态的应力-应变曲线。
在本发明的具体实施方式中，所述旋转使轮毂部位产生0.005～0.1的塑性变形量，且卸载后轮毂部位的弦向残余应力为-300～-100MPa。进一步的，卸载后轮缘部位的弦向残余应力为50～200MPa。其中，应力值为负数时，表示为压应力；应力值为正数时，表示为拉应力。
在本发明的具体实施方式中，所述固溶热处理中的冷却步骤，冷却速率快于空冷的冷却速率。进一步的，所述固溶热处理中的冷却方式包括油淬、水淬、盐淬、聚合物淬火剂、高压气体、水雾和喷淋方式中的至少一种。
在本发明的具体实施方式中，还包括在所述时效热处理后进行零件加工。
在本发明的具体实施方式中，所述高温合金包括变形高温合金、粉末高温合金和铸造高温合金中的任一种或多种。
本发明还提供了采用上述任意一种提高高温合金盘件或环形件服役稳定性的方法得到的高温合金盘件或环形件。
通过本发明的方法得到的盘件或环形件，具有更优异强度和抗蠕变能力，提高其在服役过程中的结构稳定性。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明的方法，在固溶热处理后进行旋转，引发特定塑性变形量所需的转速较低，使该过程有效可控；并且，在固溶热处理后进行高速旋转，在轮毂部位引发合理的塑性变形，会引入更多亚结构(位错、低能孪晶界等)，在后续时效热处理过程中，可促进强化相(γ′相和γ″相等)在材料亚结构附近析出，提高材料的强度和抗蠕变能力；
(2)采用本发明的方法得到的盘件或环形件，强度和抗蠕变能力高，在后续服役过程中具有更优异的结构稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明实施例1提供的合金盘件旋转处理前的尺寸图；
图2为本发明实施例1提供的合金盘件固溶热处理后内部弦向残余应力分布图；
图3为本发明实施例1提供的合金盘件固溶热处理后的轮毂部位应力-应变曲线图；
图4为本发明实施例1模拟不同转速引发的塑性变形分布；
图5为本发明实施例1模拟一定转速状态下的塑性变形分布；
图6为本发明实施例1模拟不同转速卸载后对应的残余应力分布图；
图7为本发明实施例1机加工后的盘件尺寸图；
图8为本发明实施例2提供的合金盘件截面的尺寸图；
图9为本发明实施例2提供的合金盘件固溶热处理后内部弦向残余应力分布图；
图10为本发明实施例2提供的合金盘件固溶热处理后的轮毂部位应力-应变曲线图；
图11为本发明实施例2模拟一定转速状态下的塑性变形分布；
图12为本发明实施例2卸载后盘件内部的弦向残余应力分布图；
图13为本发明实施例1和比较例1处理得到的合金盘件轮毂部位的室温拉伸实验图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
提高高温合金盘件或环形件服役稳定性的方法，包括如下步骤：
将高温合金盘件或环形件进行固溶热处理，然后进行旋转使轮毂部位产生0.005～0.1的塑性变形量，再进行时效热处理。
本发明的方法，在固溶热处理后进行旋转，此时高温合金材料的屈服强度远低于时效热处理后的屈服强度，因而引发特定塑性变形量所需的转速较低，使该过程有效可控。并且，在固溶热处理后进行高速旋转，在轮毂部位引发合理的塑性变形，会引入更多亚结构(位错、低能孪晶界等)，在后续时效热处理过程中，可促进强化相(γ′相和γ″相等)在材料亚结构附近析出，在亚结构与强化相的协同强化作用下，提高材料的强度和抗蠕变能力。
此外，通过本发明的方法，可在轮盘的轮毂部位预置残余压应力，从而抵消盘件服役过程中的载荷，降低盘件的服役实际受力状态。在时效热处理阶段会使轮毂部分的残余压应力部分释放(约20％～40％)。
当轮毂部位产生的塑性变形量低于0.005时，在轮毂部位产生的塑性变形值较低，引入的亚结构强化效果较弱，在轮毂部位产生的残余压应力数值也较低；当塑性变形值超过0.1之后，会显著降低材料的疲劳性能，因此不宜超过0.1。
而如果在固溶热处理和时效热处理后，再进行旋转，其主要作用是消除固溶热处理后产生的有害残余应力，此为解决盘件等加工变形的补救方案。并且，在时效热处理后才施加旋转，此时材料的屈服强度较高，引发特定塑性变形所需的转速也相应较高，现有设备难以实现精确控制。此外，在时效热处理后才施加旋转，容易在材料内部造成损伤，后续难以修复，并可能劣化盘件等的结构稳定性。
在本发明的具体实施方式中，通过模拟计算使轮毂部位产生所述塑性变形量的转速。进一步的，所述旋转在室温～700℃下进行。本发明的旋转可在室温至中温范围内进行。
在本发明的具体实施方式中，所述旋转的时间≤10min，如1～10min。
在本发明的具体实施方式中，基于轮毂部位材料的旋转时对应温度(室温～700℃)下的材料应力-应变曲线，结合有限元模拟仿真，计算使轮毂部位产生所述塑性变形量的转速。进一步的，所述应力-应变曲线为材料在固溶态的应力-应变曲线。其中，旋转时对应温度下的材料应力-应变曲线是指，如旋转在室温下进行，则基于轮毂部位材料的室温下的材料应力-应变曲线；如旋转在500℃下进行，则基于轮毂部位材料的500℃下的材料应力-应变曲线。
在本发明的具体实施方式中，通过模拟计算使轮毂部位产生所述塑性变形量的转速，以所述转速对固溶热处理后的高温合金盘件或环形件进行旋转，监测所述高温合金盘件或环形件在所述旋转的过程中内径和外径的实时变形量。当监测到以所述转速进行旋转后，塑性变形量达到预设塑性变形量，则以所述转速作为实际转速；当监测到以所述转速进行旋转后，塑性变形量低于预设塑性变形量，可逐渐升高所述转速直至轮毂部位的塑性变形量达到预设塑性变形，则以此时的转速作为实际转速。
在实际操作中，可以设定高温合金盘件或环形件的材质、尺寸、固溶热处理工艺，进行有限元模拟(如使用ansys、abaqus软件等)，在此基础上增加旋转动作模拟盘件或环形件的旋转过程，得到不同转速下的塑性变形量，进而得出可产生预设塑性变形量的转速。
在本发明的具体实施方式中，所述旋转使轮毂部位产生0.005～0.1的塑性变形量，且卸载后轮毂部位的弦向残余应力为-300～-100MPa。进一步的，卸载后轮缘部位的弦向残余应力为50～200MPa。其中，应力值为负数时，表示为压应力；应力值为正数时，表示为拉应力。
如在不同实施方式中，所述旋转使轮毂部位产生的塑性变形量可以为0.005、0.01、0.015、0.02、0.025、0.03、0.035、0.04、0.045、0.05、0.06、0.07、0.08、0.09、0.1等等。
在本发明的具体实施方式中，通过模拟计算采用使轮毂部位产生所述塑性变形量的转速旋转，卸载后轮毂部位的弦向残余应力。
在本发明的具体实施方式中，所述旋转可通过高速旋转试验平台实现。
在本发明的具体实施方式中，所述固溶热处理中的冷却步骤，冷却速率快于空冷的冷却速率。进一步的，所述固溶热处理中的冷却方式包括油淬、水淬、盐淬、聚合物淬火剂、高压气体、水雾和喷淋方式中的至少一种。冷却速率会显著影响固溶热处理后的高温合金的组织和性能。当冷却速率较慢时，如采用空冷进行冷却，会发生主要强化相γ′的形核、长大甚至粗化，一方面导致合金最终使用性能的降低；另一方面使得固溶后材料的屈服强度升高，引发特定塑性变形量所需的转速增大，控制难度增加。
在实际操作中，所述固溶热处理和所述时效热处理的保温温度和保温时间根据具体合金种类进行选择。如当所述高温合金为GH4169合金时，所述固溶热处理的保温温度可以为980±10℃，保温时间可以为2～4h；所述时效热处理可包括：720±10℃保温8～10h，炉冷至620±10℃保温8～10h，然后空冷。
在本发明的具体实施方式中，还包括在所述时效热处理后进行零件加工。
在实际操作中，根据实际需求将时效处理后的制件机加工至相应规格尺寸。
在本发明的具体实施方式中，所述高温合金包括变形高温合金、粉末高温合金和铸造高温合金中的任一种或多种。
在实际操作中，所述高温合金盘件或环形件可采用目前常规制备工艺制得。
本发明还提供了采用上述任意一种提高高温合金盘件或环形件服役稳定性的方法得到的高温合金盘件或环形件。
通过本发明的方法得到的盘件或环形件，具有更优异强度和抗蠕变能力，提高其在服役过程中的结构稳定性。
实施例1
本实施例提供了提高GH4169合金盘件的服役稳定性的方法，包括如下步骤：
(1)将尺寸如图1所示(单位：mm)的GH4169合金盘件进行固溶热处理，固溶热处理的具体条件为：于980℃条件下保温2h后，采用水淬冷却至室温。采用轮廓法(测试依据为TCSTM 00347-2020金属材料盘环形锻件残余应力测定轮廓法)测试固溶热处理后的合金盘件的内部弦向残余应力分布图如图2所示。
(2)图3为GH4169合金盘件轮毂中心部位固溶态应力-应变曲线(室温)，建立有限元模型(如ansys软件)，计算使轮毂部位产生所述塑性变形量的转速和卸载后的弦向残余应力分布；如图4所示，其为模拟不同转速引发的塑性变形分布；图5为其中一定转速36305r/min状态下的塑性变形分布；图6为模拟不同转速卸载后对应的残余应力分布图。
选定转速36305r/min作为实际转速，对步骤(1)固溶热处理后的GH4169合金盘件在室温下进行旋转处理，旋转1min，此时轮毂发生的塑性变形量最大值为0.01。
(3)将步骤(2)旋转处理后的GH4169合金盘件进行时效热处理，时效热处理的具体条件为：于720℃保温8h，随后2h炉冷至620℃，保温8h，最后空冷。
(4)将步骤(3)时效热处理后的GH4169合金盘件进行机加工，采用多轴加工中心，得到如图7所示尺寸的盘件，为处理后的GH4169合金盘件。
实施例2
本实施例提供了提高GH4169合金大尺寸盘件的服役稳定性的方法，包括如下步骤：
(1)将尺寸如图8(图示为部分截面，实际为完整环状，单位：mm)所示的GH4169合金大尺寸盘件进行固溶热处理，固溶热处理的具体条件为：于980℃条件下保温2h后，采用水淬冷却至室温。采用轮廓法(测试依据为TCSTM 00347-2020金属材料盘环形锻件残余应力测定轮廓法)测试固溶热处理后的合金盘件的内部弦向残余应力分布图如图9所示，最大残余拉应力数值为400MPa，分布于轮盘1/2R位置。
(2)图10为GH4169合金大尺寸盘件轮毂中心部位固溶态应力-应变曲线(室温)，建立有限元模型(如ansys软件)，计算使轮毂部位产生所述塑性变形量的转速和卸载后的弦向残余应力分布；如图11所示，其为模拟7620r/min转速状态下的塑性变形分布。
选定转速7620r/min作为实际转速，对步骤(1)固溶热处理后的GH4169合金大尺寸盘件在室温下进行旋转处理，旋转1min，此时轮毂发生的塑性变形量最大值为0.00856。图12为采用轮廓法测试的卸载后盘件内部弦向残余应力分布图。
(3)将步骤(2)旋转处理后的GH4169合金大尺寸盘件进行时效热处理，时效热处理的具体条件为：于720℃保温8h，随后2h炉冷至620℃，保温8h，最后空冷。
(4)将步骤(3)时效热处理后的GH4169合金盘件进行机加工，采用多轴加工中心，得到处理后的GH4169合金大尺寸盘件。
比较例1
比较例1提供了一种方法，包括如下步骤：
(1)将尺寸如图1所示的GH4169合金盘件进行固溶热处理和时效热处理，固溶热处理的具体条件为：于980℃条件下保温2h后，采用水淬冷却至室温；时效热处理的具体条件为：于720℃保温8h，随后2h炉冷至620℃，保温8h，最后空冷。
(2)基于GH4169合金盘件轮毂部位固溶时效态应力-应变曲线，建立有限元模型(如ansys软件)，计算使轮毂部位产生所述塑性变形量的转速和卸载后的弦向残余应力分布。
与实施例1引发相同塑性变形量对应的转速65883r/min作为实际转速，对步骤(1)固溶热处理和时效热处理后的GH4169合金盘件进行旋转处理，旋转1min，此时轮毂发生的塑性变形量最大值为0.01。
(3)将步骤(2)旋转处理后的GH4169合金盘件进行机加工，采用多轴加工中心，得到如图7所示尺寸的盘件，为处理后的GH4169合金盘件。
比较例2
比较例2提供了一种方法，包括如下步骤：
(1)将尺寸如图8所示的GH4169合金大尺寸盘件进行固溶热处理和时效热处理，固溶热处理的具体条件为：于980℃条件下保温2h后，采用水淬冷却至室温；时效热处理的具体条件为：于720℃保温8h，随后2h炉冷至620℃，保温8h，最后空冷。
(2)基于GH4169合金大尺寸盘件轮毂部位固溶时效态应力-应变曲线，建立有限元模型(如ansys软件)，计算使轮毂部位产生所述塑性变形量的转速和卸载后的弦向残余应力分布。
与实施例2产生相应残余应力效果对应的转速13200r/min作为实际转速，对步骤(1)固溶热处理和时效热处理后的GH4169合金大尺寸盘件进行旋转处理，旋转1min，此时轮毂发生的塑性变形量最大值为0.01039。
(3)将步骤(2)旋转处理后的GH4169合金大尺寸盘件进行机加工，采用多轴加工中心，得到处理后的GH4169合金大尺寸盘件。
实验例1
将实施例1和比较例1处理得到的GH4169合金盘件，分别在盘件轮毂相同部位取样，随后进行室温拉伸实验，测试结果如图13所示。从图中可知，采用本发明的方法，不仅显著降低了引发塑性变形量对应的转速，保证过程的有效可控性，同时由于在固溶热处理后进行旋转，在轮毂部位引发一定塑性变形后，引入更多的亚结构，在后续时效过程中，可促进强化相(γ′相和γ″相等)在材料亚结构附近析出，提高材料强度和抗蠕变能力，且对应实施例1和比较例1的样品的室温屈服强度分别为1240MPa和1130MPa，本发明的方法对盘件的屈服强度实现了明显的提升。
实验例2
将实施例1和比较例1机加工处理得到的GH4169合金盘件，通过蠕变实验进行考核，对比结构稳定性。具体的：将GH4169合金盘件加热至650℃，然后增速至27000r/min，在高温条件下保载30h后降速，测量轮盘残余变形(试验前先进行动平衡，再安装到试验台上进行实验)。为了获得精确的轮盘变形量，使用高精度三坐标对部件考核试验完轮盘内径和外径进行测量。结果如表1所示。
表1实施例1和比较例1的轮盘变形比较(单位：mm)
| 编号 | 盘心 | 盘缘 |
| 实施例1 | 0.0048 | 0.0067 |
| 比较例1 | 0.0114 | 0.0155 |
从上表中可知，采用本发明的方法得到的轮盘在盘心和盘缘部位的变形明显低于比较例1得到的轮盘在盘心和盘缘部位的变形。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.提高高温合金盘件或环形件服役稳定性的方法，其特征在于，包括如下步骤：
将高温合金盘件或环形件进行固溶热处理，然后进行旋转使轮毂部位产生0.005～0.1的塑性变形量，再进行时效热处理。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述旋转在室温～700℃下进行；
优选的，所述旋转的时间≤10min。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过模拟计算使轮毂部位产生所述塑性变形量的转速。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，基于轮毂部位材料的旋转时对应温度下的材料应力-应变曲线，结合有限元模拟仿真，计算使轮毂部位产生所述塑性变形量的转速。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述应力-应变曲线为材料在固溶态的应力-应变曲线。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，通过模拟计算使轮毂部位产生所述塑性变形量的转速，以所述转速对所述固溶热处理后的高温合金盘件或环形件进行旋转，监测所述高温合金盘件或环形件在所述旋转的过程中内径和外径的实时变形量。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述旋转使轮毂部位产生0.005～0.1的塑性变形量，且卸载后轮毂部位的弦向残余应力为-300～-100MPa；
优选的，卸载后轮缘部位的弦向残余应力为50～200MPa。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，通过模拟计算采用使轮毂部位产生所述塑性变形量的转速旋转，卸载后轮毂部位的弦向残余应力。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述固溶热处理中的冷却步骤，冷却速率快于空冷的冷却速率。
10.采用权利要求1-9任一项所述的提高高温合金盘件或环形件服役稳定性的方法得到的高温合金盘件或环形件。
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