CN114250432B - 高温合金盘件或环形件的防开裂方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高温合金加工技术领域，尤其是涉及一种高温合金盘件或环形件的防开裂方法及其应用。高温合金盘件或环形件的防开裂的方法，包括如下步骤：对高温合金盘件或环形件表面进行热喷涂，然后进行固溶热处理；所述热喷涂的材料为γ′相体积分数＜30％的镍基高温合金。本发明采用特定的热喷涂材料，在对工件进行固溶热处理前，对工件表面进行热喷涂处理，能够同时解决引发开裂的内因和外因，既避免了淬火过程工件的开裂，又保证了工件的力学性能等。
Description
技术领域
本发明涉及高温合金加工技术领域，尤其是涉及一种高温合金盘件或环形件的防开裂方法及其应用。
背景技术
高温合金盘件或环形件主要用来制备航空发动机和航天发动机的转子和机匣，是重要的热端承力部件，需要在一定温度下长时承受巨大的离心力和热应力。为了获得足够的强化水平，高温合金盘盘件或环形件在固溶热处理后需要以一定速率快速冷却，确保γ′或γ″强化相在连续冷却过程中不发生粗化，以获得足够的力学性能。当前在工程上，高温合金盘件或环形件通常采用快速冷却的方式，而这会导致淬火开裂问题。
导致高温合金盘件或环形件淬火开裂的主要原因：(1)外因：淬火过程的开始阶段，工件内部与表面无法同步冷却，表层材料优先冷却、体积收缩，因此在表层中产生较大数值的拉应力；(2)内因：高γ′含量的高温合金普遍存在着中温脆性问题，使得材料在淬火过程中塑性降低，易开裂。当淬火热应力导致的塑性变形量超过材料的塑性极限(临界塑性变形值)时，发生开裂。
现有技术中主要通过以下几种方式解决上述问题：(1)增加从热处理炉到淬火介质之间的转移时间；优点是可以降低开裂倾向，但不能完全解决开裂风险；缺点是增加转移时间会使得冷却速度不够，从而导致时效后的力学性能不合格；(2)提高淬火介质的温度，其优缺点同(1)一致。而现有的这些方法均无法解决引发开裂的内因和外因。
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高温合金盘件或环形件的防开裂的方法，以解决现有技术中存在的无法解决引发开裂的内因和外因的技术问题。
本发明的第二目的在于提供上述防开裂方法在制备高温合金盘件或环形件中的应用。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
高温合金盘件或环形件的防开裂的方法，包括如下步骤：
对高温合金盘件或环形件表面进行热喷涂，然后进行固溶热处理；所述热喷涂的材料为γ′相体积分数＜30％的镍基高温合金。
本发明的方法，在对工件进行固溶热处理前，对工件表面进行热喷涂处理，采用特定的热喷涂材料，能够兼顾保证与工件基体的热膨胀系数差值，并且具有合适的熔点，能够保证热喷涂效率，同时具有良好的中温塑性和高温塑性，保证涂层不易开裂。并且，由于涂层与工件基体之间属于机械/冶金结合，强度不高，即使涂层发生淬火开裂，裂纹也不会穿过涂层/工件基体界面而扩散到工件基体中。
采用本发明的方法，能够同时解决引发开裂的内因和外因，既避免了淬火过程工件的开裂，又保证了工件的力学性能等。
在本发明的具体实施方式中，所述热喷涂的材料的热膨胀系数与所述高温合金的热膨胀系数之间的差值＜10％。
在本发明的具体实施方式中，所述热喷涂的材料的熔点为1280～1490℃。
在本发明的具体实施方式中，所述热喷涂的材料包括GH4169合金、GH3230合金和GH3536合金中的任一种或多种。
在本发明的具体实施方式中，所述热喷涂的材料为粉末。进一步的，所述粉末的粒径为40～110μm。
在本发明的具体实施方式中，所述热喷涂的涂层的厚度为0.01～1mm。进一步的，对所述高温合金盘件或环形件的上下端面、凹角或内外壁面区域进行热喷涂。优选的，对所述高温合金盘件或环形件的全部外表面进行热喷涂。
在本发明的具体实施方式中，所述热喷涂的方式包括等离子喷涂、电弧喷涂和火焰喷涂中的至少一种。进一步的，所述热喷涂的方式为大气等离子喷涂。
在本发明的具体实施方式中，所述等离子喷涂的参数包括：采用Ar+H2作为等离子工作气体，Ar作为载粉气体；功率为20～80kW，主气流流速为20～60L/min，载粉气体流速为1～5L/min，送粉速率为10～50g/min。
在本发明的具体实施方式中，所述等离子喷涂中，喷涂功率为20～40kW，喷涂电压为20～60V，电流为100～1500A。
在本发明的具体实施方式中，所述电弧喷涂的参数包括：电源功率为5～20kW，电弧电压为20～80V，丝材直径为1.6～6mm，沉积速率为50～1500g/min，喷涂距离为50～200mm，采用N2作为雾化气体，雾化气体压力为0.2～1MPa。
在本发明的具体实施方式中，所述火焰喷涂的参数包括：采用乙炔(C2H2)和氧气的混合气体作为工作气体，Ar作为载粉气体；燃烧室压力为0.3～5MPa，喷涂粉末尺寸为5～90μm，送粉速率为15～150g/min，喷涂距离120～300mm。
在本发明的具体实施方式中，所述高温合金的γ′相的体积分数≥30％。进一步的，所述高温合金包括FGH95、GH4151、FGH96、GH4720Li、GH4065A和GH4251中的任一种或多种。
上述高温合金为高γ′相含量的高温合金，中温塑性较差，引发开裂的临界塑性变形值较低，更容易引发淬火开裂。
在实际操作中，所述固溶热处理的保温温度及保温时间可根据盘件或环形件的高温合金成分进行常规调整。
在本发明的具体实施方式中，所述固溶热处理的冷却中，采用快速冷却的方式，冷却速度≥20℃/min。进一步的，所述快速冷却的方式包括油淬、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，在所述固溶热处理中，在10～120s内转移至淬火介质中进行所述快速冷却。
在本发明的具体实施方式中，所述环形件的制备方法包括：冶炼制得高温合金母合金，然后制粉，再进行热等静压成型，机加工得到环形件。进一步的，采用PREP的方式进行所述制粉。
在本发明的具体实施方式中，所述盘件的制备方法包括：采用真空感应熔炼、电渣重熔和真空自耗重熔制备高温合金铸锭，然后进行均匀化热处理，锻造开坯得到棒材，墩饼、模锻成型，机加工得到盘件。
在实际操作中，所述环形件和盘件的制备中，各步骤工艺参数可采用现有常规方法。所述环形件和盘件的制备方法不局限于此，其余常规方法均可。
本发明还提供了上述任意一种所述高温合金盘件或环形件的防开裂方法在制备高温合金盘件或环形件中的应用。
本发明的方法不仅能避免工件淬火过程中的开裂问题，还能够保证工件的力学性能。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明的方法，采用特定的热喷涂材料，在对工件进行固溶热处理前，对工件表面进行热喷涂处理，能够兼顾保证与工件基体的热膨胀系数差值，并且具有合适的熔点，能够保证热喷涂效率，同时具有良好的中温塑性和高温塑性，保证涂层不易开裂。并且，由于涂层与工件基体之间属于机械/冶金结合，强度不高，即使涂层发生淬火开裂，裂纹也不会穿过涂层/工件基体界面而扩散到工件基体中。
(2)采用本发明的方法，能够同时解决引发开裂的内因和外因，既避免了淬火过程工件的开裂，又保证了工件的力学性能等。
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提供的环形件的结构示意图；
图2为本发明实施例2提供的盘件的结构示意图；
图3为本发明实施例1和比较例2处理得到的环形件上下端面处淬火过程中热应力随时间变化图；
图4为比较例1处理得到的环形件的裂纹形貌；
图5为比较例2处理得到的环形件的裂纹形貌；
图6为比较例3处理得到的环形件的裂纹形貌；
图7为比较例4处理得到的环形件的裂纹形貌。
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。
高温合金盘件或环形件的防开裂的方法，包括如下步骤：
对高温合金盘件或环形件表面进行热喷涂，然后进行固溶热处理；所述热喷涂的材料为γ′相体积分数＜30％的镍基高温合金。
本发明的方法，在对工件进行固溶热处理前，对工件表面进行热喷涂处理，采用特定的热喷涂材料，能够兼顾保证与工件基体的热膨胀系数差值，并且具有合适的熔点，能够保证热喷涂效率，同时具有良好的中温塑性和高温塑性，保证涂层不易开裂。并且，由于涂层与工件基体之间属于机械/冶金结合，强度不高，即使涂层发生淬火开裂，裂纹也不会穿过涂层/工件基体界面而扩散到工件基体中。
采用本发明的方法，能够同时解决引发开裂的内因和外因，既避免了淬火过程工件的开裂，又保证了工件的力学性能等。
在本发明的具体实施方式中，在所述热喷涂前，可先对所述高温合金盘件或环形件表面进行喷砂处理。在实际操作中，所述喷砂用于对高温合金盘件或环形件表面的粗化，在一定程度上进一步保证热喷涂的涂层在盘件或环形件表面的结合性。
在本发明的具体实施方式中，所述热喷涂的材料的热膨胀系数与所述高温合金的热膨胀系数之间的差值＜10％。具体的，此处的差值是指|α1-α0|/α0，其中，α1和α0分别是指热喷涂的材料的热膨胀系数和所述高温合金的热膨胀系数。
在本发明的具体实施方式中，所述热喷涂的材料的熔点为1280～1490℃。
在本发明的具体实施方式中，所述热喷涂的材料包括GH4169合金、GH3230合金和GH3536合金中的任一种或多种。
在本发明的具体实施方式中，所述热喷涂的材料为粉末。进一步的，所述粉末的粒径为40～110μm。
在本发明的具体实施方式中，所述热喷涂的涂层的厚度为0.01～1mm，如0.1～0.4mm。
如在不同实施方式中，所述热喷涂的涂层的厚度可以为0.01mm、0.05mm、0.1mm、0.15mm、0.2mm、0.25mm、0.3mm、0.35mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1mm等等。
在本发明的具体实施方式中，对所述高温合金盘件或环形件的上下端面、凹角或内外壁面区域进行热喷涂。优选的，对所述高温合金盘件或环形件的全部外表面进行热喷涂。
对于高温合金盘件或环形件，现有淬火阶段裂纹主要集中于上下端面。在本发明中，可对高温合金盘件或环形件的主要裂纹发生区，如上下端面、凹角或内外壁面等区域进行热喷涂，优选对全部外表面进行热喷涂。
在本发明的具体实施方式中，所述热喷涂的方式包括等离子喷涂、电弧喷涂和火焰喷涂中的至少一种。进一步的，所述热喷涂的方式为大气等离子喷涂。
在本发明的具体实施方式中，所述等离子喷涂的参数包括：采用Ar+H2作为等离子工作气体，Ar作为载粉气体；功率为20～80kW，主气流流速为20～60L/min，载粉气体流速为1～5L/min，送粉速率为10～50g/min。
在本发明的具体实施方式中，所述等离子喷涂中，喷涂功率为20～40kW，喷涂电压为20～60V，电流为100～1500A。
在本发明的具体实施方式中，所述电弧喷涂的参数包括：电源功率为5～20kW，电弧电压为20～80V，丝材直径为1.6～6mm，沉积速率为50～1500g/min，喷涂距离为50～200mm，采用N2作为雾化气体，雾化气体压力为0.2～1MPa。
在本发明的具体实施方式中，所述火焰喷涂为超音速火焰喷涂。所述超音速火焰喷涂的参数包括：采用乙炔(C2H2)和氧气的混合气体作为工作气体，Ar作为载粉气体；燃烧室压力为0.3～5MPa，喷涂粉末尺寸为5～90μm，送粉速率为15～150g/min，喷涂距离120～300mm。
在本发明的具体实施方式中，所述高温合金的γ′相的体积分数≥30％。进一步的，所述高温合金包括FGH95、GH4151、FGH96、GH4720Li、GH4065A和GH4251中的任一种或多种。
上述高温合金为高γ′相含量的高温合金，中温塑性较差，引发开裂的临界塑性变形值较低，更容易引发淬火开裂。
在实际操作中，所述固溶热处理的保温温度及保温时间可根据盘件或环形件的高温合金成分进行常规调整。如对于FGH95合金，其固溶热处理的保温温度可以为1140±10℃，保温时间可以为2～8h；如对于GH4151合金，其固溶热处理的温度可以为1080～1150℃，保温时间可以为2～10h。
在本发明的具体实施方式中，所述固溶热处理的冷却中，采用快速冷却的方式，冷却速度≥20℃/min。进一步的，所述快速冷却的方式包括油淬、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，在所述固溶热处理中，保温处理后，在10～120s内转移至淬火介质中进行所述快速冷却。
采用本发明的方法，可采用较短的转移时间，兼顾保证避免开裂倾向，同时保证时效后的力学性能。
在本发明的具体实施方式中，还包括：在所述固溶热处理后，进行时效热处理。
在实际操作中，所述时效热处理的热处理制度根据合金种类进行常规调整。
在本发明的具体实施方式中，所述环形件的制备方法包括：冶炼制得高温合金母合金，然后制粉，再进行热等静压成型，机加工得到环形件。进一步的，采用PREP的方式进行所述制粉。
在本发明的具体实施方式中，所述盘件的制备方法包括：采用真空感应熔炼、电渣重熔和真空自耗重熔制备高温合金铸锭，然后进行均匀化热处理，锻造开坯得到棒材，墩饼、模锻成型，机加工得到盘件。
在实际操作中，所述环形件和盘件的制备中，各步骤工艺参数可采用现有常规方法。所述环形件和盘件的制备方法不局限于此，其余常规方法均可。
本发明还提供了上述任意一种所述高温合金盘件或环形件的防开裂方法在制备高温合金盘件或环形件中的应用。
实施例1
本实施例提供了FGH95合金环形件的防开裂的方法，包括如下步骤：
(1)冶炼得到FGH95母合金，采用PREP制粉，热等静压成型，然后机加工得到如图1所示的环形件(为了显示截面，图1为移除部分的视图，实际环形件为完整的环形结构)，环形件尺寸：外径≥630mm，内径≤550mm，厚度18～35mm。
(2)对步骤(1)得到的环形件表面进行喷砂处理，然后对环形件全部表面(包括上下端面和内外壁面)进行大气等离子喷涂，形成0.2±0.01mm厚度的涂层；具体的，热喷涂的材料为GH4169合金粉末，熔点为1260～1320℃，粉末粒径为50～106μm；
大气等离子喷涂采用Ar+H2作为工作气体，Ar为载粉气体，具体参数如表1所示；
表1大气等离子喷涂参数
(3)将步骤(2)热喷涂处理后的环形件进行固溶热处理1140℃/5h，然后在20s内转移至淬火介质聚合物淬火剂中冷却，得到处理后的FGH95合金环形件。
实施例2
本实施例提供了GH4151合金盘件的防开裂的方法，包括如下步骤：
(1)采用真空感应熔炼+电渣重熔+真空自耗重熔冶炼得到GH4151合金铸锭，然后进行均匀化热处理，锻造开坯得到棒材，墩饼、模锻成型，机加工得到如图2所示的盘件(为了显示截面，图2为移除部分的视图，实际盘件为完整的盘件结构)，盘件尺寸：外径≥550mm，厚度≥80mm。
(2)对步骤(1)得到的环形件表面进行喷砂处理，然后对盘件全部外表面(包括上下端面、内外壁面、凹角等)进行大气等离子喷涂，形成0.2±0.01mm厚度的涂层；具体的，热喷涂的材料为GH4169合金粉末，熔点为1260～1320℃，粉末粒径为50～106μm；
大气等离子喷涂采用Ar+H2作为工作气体，Ar为载粉气体，具体参数如表2所示；
表2大气等离子喷涂参数
(3)将步骤(2)热喷涂处理后的环形件进行固溶热处理1100℃/6h，然后在120s内转移至25℃淬火油中冷却30min，得到处理后的GH4151合金环形件。
比较例1
比较例1参考实施例1的方法，区别在于：热喷涂的材料不同。比较例1的热喷涂的材料为IN738合金粉末(γ′相体积分数为55％)。
比较例2
比较例2参考实施例1的方法，区别在于：不包括步骤(2)的喷砂及热喷涂处理，仅包括步骤(1)和(3)。
比较例3
比较例3参考实施例1的方法，区别在于：步骤(2)不同。
比较例3的步骤(2)包括：对步骤(1)得到的环形件表面进行喷砂处理，然后对环形件全部表面喷涂形成厚度约为1mm的聚合型受阻酚抗氧化剂CPL的涂层。
比较例4
比较例4参考实施例1的方法，区别在于：步骤(2)不同。
比较例3的步骤(2)包括：对步骤(1)得到的环形件表面进行喷砂处理。然后直接进行步骤(3)。
实验例1
为了对比说明不同实施例和比较例的方法处理得到的盘件或环形件的开裂性能，对不同实施例和比较例处理得到的固溶冷却后的盘件或环形件进行目视检查和超声波探伤检查，检查结果见表3。
图4～图7分别为比较例1～4得到的固溶冷却后的环形件的裂纹形貌。由图4可知，比较例1处理后的合金在淬火过程中，表面出现开裂，进一步分析裂纹已经进入基体；由图5可知，比较例2处理后的合金在端面出现贯穿的弦向裂纹，经超声波探伤，裂纹深度达10mm；由图6可知，比较例3处理后的合金在端面出现贯穿的弦向裂纹；由图7可知，比较例4处理后的合金在端面开裂，且裂纹较深。上述开裂均是在固溶后冷却过程中开裂—淬火开裂。
表3不同处理得到的盘件或环形件的开裂情况
| 编号 | 目视检查 | 超声波探伤检查 |
| 实施例1 | 无裂纹 | 无裂纹 |
| 实施例2 | 无裂纹 | 无裂纹 |
| 比较例1 | 轻微开裂 | 裂纹深度达3mm |
| 比较例2 | 端面出现弦向裂纹 | 裂纹深度达8～10mm |
| 比较例3 | 端面出现弦向裂纹 | 裂纹深度达8～10mm |
| 比较例4 | 端面开裂 | 裂纹深度达约10mm |
以实施例1和比较例2为例对比说明，图3为实施例1和比较例2处理得到的环形件上下端面处淬火过程中热应力随淬火时间变化图，从图中可知，采用本发明的方法能够显著降低淬火过程中的热应力。
本发明的方法能够在保证合金件力学性能的前提下，防止开裂。
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 (13)
1.高温合金盘件或环形件的防开裂的方法，其特征在于，包括如下步骤：
对高温合金盘件或环形件表面进行热喷涂，然后进行固溶热处理；所述热喷涂的材料为γ′相体积分数＜30%的镍基高温合金；
所述高温合金的γ′相的体积分数≥30%；
所述固溶热处理的冷却中，采用快速冷却的方式，冷却速度≥20℃/min；
所述热喷涂的材料的热膨胀系数与所述高温合金的热膨胀系数之间的差值＜10%；
所述热喷涂的材料的熔点为1280~1490℃。
2.根据权利要求1所述的高温合金盘件或环形件的防开裂的方法，其特征在于，所述热喷涂的材料包括GH4169合金、GH3230合金和GH3536合金中的任一种或多种。
3.根据权利要求1所述的高温合金盘件或环形件的防开裂的方法，其特征在于，所述热喷涂的材料为粉末，所述粉末的粒径为40~110μm。
4.根据权利要求1所述的高温合金盘件或环形件的防开裂的方法，其特征在于，所述热喷涂的涂层的厚度为0.01~1mm。
5.根据权利要求1所述的高温合金盘件或环形件的防开裂的方法，其特征在于，对所述高温合金盘件或环形件的上下端面、凹角或内外壁面区域进行热喷涂。
6.根据权利要求1所述的高温合金盘件或环形件的防开裂的方法，其特征在于，对所述高温合金盘件或环形件的全部外表面进行热喷涂。
7.根据权利要求1所述的高温合金盘件或环形件的防开裂的方法，其特征在于，所述热喷涂的方式包括等离子喷涂、电弧喷涂和火焰喷涂中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的高温合金盘件或环形件的防开裂的方法，其特征在于，所述热喷涂的方式为大气等离子喷涂。
9.根据权利要求7所述的高温合金盘件或环形件的防开裂的方法，其特征在于，所述等离子喷涂的参数包括：采用Ar+H2作为等离子工作气体，Ar作为载粉气体；功率为20~80kW，主气流流速为20~60L/min，载粉气体流速为1~5L/min，送粉速率为10~50g/min；
所述电弧喷涂的参数包括：电源功率为5~20kW，电弧电压为20~80V，丝材直径为1.6~6mm，沉积速率为50~1500g/min，喷涂距离为50~200mm，采用N2作为雾化气体，雾化气体压力为0.2~1MPa；
所述火焰喷涂的参数包括：采用乙炔和氧气的混合气体作为工作气体，Ar作为载粉气体；燃烧室压力为0.3~5MPa，送粉速率为15~150g/min，喷涂距离120~300mm。
10.根据权利要求1-9任一项所述的高温合金盘件或环形件的防开裂的方法，其特征在于，所述高温合金包括FGH95、GH4151、FGH96、GH4720Li、GH4065A和GH4251中的任一种。
11.根据权利要求1所述的高温合金盘件或环形件的防开裂的方法，其特征在于，所述快速冷却的方式包括油淬、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。
12.根据权利要求11所述的高温合金盘件或环形件的防开裂的方法，其特征在于，在所述固溶热处理中，在10~120s内转移至淬火介质中进行快速冷却。
13.权利要求1-12任一项所述的高温合金盘件或环形件的防开裂的方法在制备高温合金盘件或环形件中的应用。
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