CN114250519B - 降低高铼镍基单晶高温合金固溶孔洞含量固溶热处理方法 - Google Patents

降低高铼镍基单晶高温合金固溶孔洞含量固溶热处理方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114250519B
CN114250519B CN202210023432.9A CN202210023432A CN114250519B CN 114250519 B CN114250519 B CN 114250519B CN 202210023432 A CN202210023432 A CN 202210023432A CN 114250519 B CN114250519 B CN 114250519B
Authority
CN
China
Prior art keywords
single crystal
temperature
alloy
nickel
crystal superalloy
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202210023432.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114250519A (zh
Inventor
温志勋
卢广先
李相辉
刘川
李萌
岳珠峰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Northwestern Polytechnical University
Original Assignee
Northwestern Polytechnical University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Northwestern Polytechnical University filed Critical Northwestern Polytechnical University
Priority to CN202210023432.9A priority Critical patent/CN114250519B/zh
Publication of CN114250519A publication Critical patent/CN114250519A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114250519B publication Critical patent/CN114250519B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/52—Alloys
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/02—Making non-ferrous alloys by melting
    • C22C1/023—Alloys based on nickel
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C19/00—Alloys based on nickel or cobalt
    • C22C19/03—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel
    • C22C19/05—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium
    • C22C19/051—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W
    • C22C19/057—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W with the maximum Cr content being less 10%
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B11/00—Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B11/00—Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method
    • C30B11/003—Heating or cooling of the melt or the crystallised material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B33/00—After-treatment of single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure
    • C30B33/02—Heat treatment
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

本发明提供一种降低高铼镍基单晶高温合金固溶孔洞含量的固溶热处理方法，属于热处理工艺领域，包括：将合金原料进行真空熔炼，获得母合金锭，放入真空感应熔炼炉中进行重熔；采用快速冷却法和螺旋选晶法浇注制备单晶合金试棒；将浇注之后的高铼镍基单晶高温合金试棒铸件进行切割，得到高铼镍基单晶高温合金试棒；在所述高铼镍基单晶高温合金试棒的中段切取一小试块进行差热分析实验；将所述高铼镍基单晶高温合金试棒进行均匀化处理；将经均匀化处理的高铼镍基单晶高温合金试棒进行高温固溶处理。本发明所述热处理工艺操作简单，可实施性高，能大幅度降低高铼镍基单晶高温合金中的固溶孔洞含量，提高合金的组织致密性。

Description

降低高铼镍基单晶高温合金固溶孔洞含量固溶热处理方法
技术领域
本发明涉及热处理技术领域，特别是涉及降低高铼镍基单晶高温合金固溶孔洞含量固溶热处理方法。
背景技术
镍基单晶高温合金以其优异的高温力学性能，而被广泛的应用于制备航空发动机与地面燃机的涡轮叶片。目前镍基单晶高温合金已成功应用至第三代，而铼元素含量是划分合金代次的主要依据，第一代、第二代与第三代镍基单晶高温合金中分别加入了0、3wt.％、6wt.％左右的铼元素，单晶合金叶片的服役寿命与综合力学性能得到了显著的提高。
镍基单晶高温合金主要由γ基体相与γ’强化相组成，由于铸态镍基单晶高温合金中成分与组织分布不均匀，Re、W、Mo等难熔元素更多的偏析于枝晶干，因此，镍基单晶高温合金在服役之前必须进行固溶与时效(一般包含两级时效)两种热处理，以优化合金组织。其中，固溶热处理的目的主要是(1)溶解或大部分溶解主要γ’相，为后续时效时析出均匀细小弥散分布的γ’相做准备；(2)通过高温下元素扩散作用消除或降低显微偏析。目前，镍基单晶高温合金的固溶热处理一般采用分步式升温方式，即在合金初熔温度以下、γ’相固溶温度以上(热处理窗口)选择某一温度开始保温，然后按照一定的温度梯度逐步提高合金的固溶温度，在避免合金初熔的前提下不断提高合金的组织与成分均匀性。
目前镍基单晶高温合金的固溶热处理温度接近合金初熔点，较高的温度导致高铼镍基单晶高温合金在固溶热处理后产生大量固溶孔洞(尤其是三代及以上代次合金)，其尺寸在1～100μm之间，其含量约为0.3％～0.8％，固溶孔洞将劣化合金的高温力学性能，降低合金有效承载面积且造成应力集中，易导致合金过早产生裂纹，对合金的疲劳性能影响尤为显著。目前工程上采用热等静压的方式消除单晶合金叶片中的固溶孔洞，但使用热等静压闭合孔洞极大地增加了叶片的生产成本。
现阶段镍基单晶高温合金中固溶孔洞的成因主要归因于合金枝晶干与枝晶间的非平衡扩散作用(Kirkendall效应)：受高温固溶时元素扩散化学势作用，枝晶干处的Re、W、Mo等元素向枝晶间扩散，而枝晶间的Al、Ti等元素向枝晶干扩散，扩散方式主要为空位扩散，然而Re、W、Mo等难溶元素的扩散速率远低于Al、Ti等元素，两者的扩散速率几乎相差两个数量级，其中Re元素的扩散速率是镍基单晶高温合金所有元素中最低的，并且高铼含量也会降低其他元素的扩散速率，从而导致枝晶间向枝晶干的扩散通量更大，枝晶间存在大量空位，高温下空位相互聚集形成固溶孔洞。
因此，优化合金热处理工艺，探究一种降低高铼镍基单晶高温合金固溶孔洞的固溶热处理方法具有重要的意义，在不提高单晶叶片成本的同时减少合金在固溶热处理过程中形成的固溶孔洞含量。
中国专利文献号CN201710523008.X“一种低铼单晶铸件的组织及性能优化新工艺”，记载了一种低铼镍基单晶高温合金的固溶、热等静压与时效处理结合的热处理工艺，该方法虽然能够达到消除铸件中显微疏松与缩孔等铸造缺陷，同时避免表面再结晶的目的，但是并不适用于高铼单晶合金，在热等静压处理后再进行固溶处理将导致合金中再次出现固溶孔洞，并且热等静压技术费用高，提高了合金的生产成本。
中国专利文献号CN 113528993 A“一种镍基单晶高温合金的热处理方法”，记载了一种针对DD476镍基单晶高温合金的热处理方法，该合金Re元素成分含量范围为：3.5％-4.5％，该方法虽然能够在三级固溶热处理之后达到降低合金偏析系数的方法，但是合金中产生大量固溶孔洞，并且易于发生初熔，形成初熔组织。
发明内容
(1)要解决的技术问题
本发明实施例提供了降低高铼镍基单晶高温合金固溶孔洞含量固溶热处理方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
(2)技术方案
第一方面，本发明的实施例提出了降低高铼镍基单晶高温合金固溶孔洞含量固溶热处理方法，所述固溶热处理方法包括以下步骤：
步骤S1、母合金熔炼，包括：将按照合金成分计算好质量的镍粒、铬粒、钴粒、钼粒、钨粒、钽粒、铼块、铪粒、铝块和钛块合金元素的高铼镍基单晶高温合金原料置于坩埚中进行真空熔炼，获得母合金锭；
步骤S2、重熔浇注，包括：将所述母合金锭放入真空感应熔炼炉的坩埚中进行重熔；采用快速冷却法和螺旋选晶法浇注制备单晶合金试棒；将浇注之后带有单晶合金试棒的型壳抽拉出真空感应熔炼炉，获得高铼镍基单晶高温合金试棒铸件；
步骤S3、将所述高铼镍基单晶高温合金试棒铸件进行切割，使用砂轮切去切去螺旋选晶器与上下弯曲部分部分，得到高铼镍基单晶高温合金试棒；
步骤S4、在所述高铼镍基单晶高温合金试棒的中段切取一小试块，使用该小试块进行差热分析实验，测定合金的γ’相固溶温度Ts；
步骤S5、将所述高铼镍基单晶高温合金试棒进行均匀化处理；
步骤S6、将经均匀化处理的高铼镍基单晶高温合金试棒进行高温固溶处理。
进一步地，所述高铼镍基单晶高温合金原料按质量分数计的成分组成为：Cr3.1％～3.7％，Co 9.5％～11.0％，Mo 0.71％～0.75％，W 4.9％～5.5％，Ta 8.1％～9.3％，Re 4.5％～6.0％，Al 5.6％～6.5％，Hf 0.09％～0.15％，Ti 0.10％～0.16％，余量为Ni。
进一步地，所述高铼镍基单晶高温合金原料包括以下重量份原料：Cr 3.31％，Co10.50％，Mo 0.72％，W 5.01％，Ta 8.84％，Re 5.11％，Al 6.00％，Hf 0.11％，Ti 0.10％，余量为Ni。
进一步地，所述高铼镍基单晶高温合金原料置于坩埚中进行真空熔炼，获得母合金锭，包括：
S1.1、首先将按照合金成分计算好质量的镍粒、铬粒、钴粒、钼粒、钨粒、钽粒、铼块、铪粒的高铼镍基单晶高温合金原料置于坩埚中进行真空熔炼，将各配料完全熔化；
S1.2、然后边搅拌边精炼，精炼时间为30～35min；
S1.3、再加入铝块和钛块合金元素并继续熔炼15～20min；
S1.4、最后停止加热并随炉冷却，金属液温度降至1750±50℃时浇注形成母合金锭。
进一步地，所述将母合金锭放入真空感应熔炼炉的坩埚中进行重熔，包括：
将真空感应熔炼炉分为上、下两加热区，用以提高熔炼效率并提高抽拉时的温度梯度；母合金真空熔炼温度为1570℃±10℃，真空熔炼时间为3min，真空熔炼过程中翻转坩埚两次以去除金属液表面氧化膜，获得浇注熔液；真空熔炼过程中，真空度保持在0.01Pa以下；
所述将浇注之后带有单晶合金试棒的型壳抽拉出真空感应熔炼炉，获得高铼镍基单晶高温合金试棒铸件，包括：
浇注之后静置2min，然后以3.5mm/min的抽拉速率抽拉型壳，将浇注之后的型壳抽拉出感应炉，制备获得高铼镍基单晶高温合金试棒铸件，抽拉过程中，真空度保持在0.01Pa以下。
进一步地，所述采用快速冷却法和螺旋选晶法浇注制备单晶合金试棒，包括：
采用快速冷却法浇注，包括：将带有螺旋选晶器结构的刚玉砂单晶试棒型壳放在水冷盘上，水冷盘采用低温水进行冷却，保证水冷盘温度在20～25℃；
采用螺旋选晶法控制合金在凝固过程中生长为单晶合金，包括：螺旋选晶器包括引晶段与选晶段，选晶段为一周半螺旋，真空感应熔炼炉上加热器温度为1510℃±10℃，下加热器温度为1530℃±10℃，浇注温度为1510℃±10℃，将浇注液浇注到刚玉砂单晶试棒型壳里，控制试棒生长为[001]取向的单晶合金试棒。
进一步地，所述小试块的长、宽、高分别为1.5mm、1.5mm、1mm，且高度方向与试棒轴向方向重合。
进一步地，所述将所述高铼镍基单晶高温合金试棒进行均匀化处理，包括：
S5.1、将高铼镍基单晶高温合金试棒在室温条件下放入控温精度为±1℃的箱式高温炉炉膛中央，尽量位于炉膛中心区域，试棒放置于耐火砖之上，使试棒与炉底保持至少2cm空隙，距左右加热棒的距离不小于5cm；
S5.2、以10℃/min升温速率升温至1150℃±50℃；
S5.3、后以5℃/min升温速率升温至均匀化处理第一阶段温度；所述均匀化处理第一阶段温度为(Ts-70℃)～(Ts-50℃)，其中Ts为DSC所测得的合金的γ’相固溶温度，保温时间为3h～5h；
S5.4、均匀化热处理第一阶段保温结束后，将合金以5℃/min升温速率升温至均匀化处理第二阶段温度；所述均匀化处理第二阶段温度为(Ts-30℃)～Ts，保温时间为6±1h；
其中，均匀化处理第一阶段与第二阶段的总保温时间为8h～12h。
进一步地，所述高温固溶处理包括：
S6.1、将合金先以5℃/min升温速率升温至1305℃±5℃，保温4h±1h；
S6.2、再以2℃/min升温速率升温至1320℃±5℃，保温8h±1h；
S6.3、最后以2℃/min升温速率升温至1335℃±5℃，保温16h±1h；
S6.4、保温结束后，高温下打开炉门，将高铼镍基单晶高温合金试棒从高温炉中取出，分散置于耐火砖上空冷；
S6.5、上述保温过程中，温度升至每个目标温度后，需保温2分钟，待炉膛温度均匀后开始计算保温时间。
第二方面，本发明还提供了一种降低高铼镍基单晶高温合金固溶孔洞含量固溶热处理方法在铼元素含量为4.5％～6.0％的第三代镍基单晶高温合金或更高代次合金上的应用。
(3)有益效果
1、本发明提供的一种固溶热处理方法，能够显著降低高铼镍基单晶高温合金在固溶热处理过程中形成的固溶孔洞含量，提高合金热处理之后的致密性，有利于提高合金的高温力学性能，尤其是疲劳性能。
2、本发明提供的固溶热处理方法在高温固溶处理之前增加了数小时均匀化处理过程，提高了合金的初熔温度，使高铼镍基单晶高温合金的初熔温度增加至1335℃以上，避免了合金在1335℃固溶时出现初熔组织，提高合金的固溶热处理窗口，降低其显微偏析程度，减少残余共晶含量，有利于提高高铼镍基单晶高温合金的组织与成分均匀性。
3、本发明提供的固溶热处理方法通过优化固溶热处理工艺，抑制了合金在固溶热处理过程中形成固溶孔洞的倾向，避免由于增加热等静压工艺导致合金的制备成本的提高。
4、本发明提供的固溶热处理工艺优化了高铼镍基单晶高温合金的显微组织结构，提高了合金枝晶干处γ’相的立方度与体积分数，同时该方法操作简单，可实施性强，具有极高的工程应用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述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为实施例1中涉及的高铼镍基单晶高温合金的DSC曲线；
图2为实施例1中涉及的高铼镍基单晶高温合金的铸态孔洞形貌；
图3为实施例1中涉及的高铼镍基单晶高温合金经固溶热处理后的孔洞形貌；
图4为实施例1中涉及的高铼镍基单晶高温合金经固溶热处理后的显微组织；
图5为对比例1中涉及的高铼镍基单晶高温合金经固溶热处理后的孔洞形貌；
图6为对比例1中涉及的高铼镍基单晶高温合金经固溶热处理后的显微组织。
图7为铸态高铼镍基单晶高温合金试棒砂轮切割位置示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。
实施例1
高铼镍基单晶高温合金原料按质量分数计的成分组成为：Cr 3.1％～3.7％，Co9.5％～11.0％，Mo 0.71％～0.75％，W 4.9％～5.5％，Ta 8.1％～9.3％，Re 4.5％～6.0％，Al 5.6％～6.5％，Hf 0.09％～0.15％，Ti 0.10％～0.16％，余量为Ni。
本实施例的降低高铼镍基单晶高温合金固溶孔洞含量的固溶热处理方法，所述高铼镍基单晶高温合金的组成成分按质量分数计如下：Cr 3.31％，Co 10.50％，Mo 0.72％，W5.01％，Ta 8.84％，Re 5.11％，Al 6.00％，Hf 0.11％，Ti 0.10％，余量为Ni。
示例性地，将纯净化处理后的3015g镍粒、165.5g铬粒、525g钴粒、36g钼粒、250.5g钨粒、442g钽粒、255.5g铼块、5.5g铪粒放入真空感应熔炼炉的氧化铝坩埚中进行真空熔炼。
该固溶热处理方法包括以下步骤：
步骤S1、母合金熔炼：
将按照合金成分计算好质量的镍粒、铬粒、钴粒、钼粒、钨粒、钽粒、铼块、铪粒、铝块和钛块合金元素的高铼镍基单晶高温合金原料置于坩埚中进行真空熔炼，获得母合金锭。具体包括以下步骤：
S1.1、首先将按照合金成分计算好质量的镍粒、铬粒、钴粒、钼粒、钨粒、钽粒、铼块、铪粒的高铼镍基单晶高温合金原料置于坩埚中进行真空熔炼，将各配料完全熔化；
S1.2、然后边搅拌边精炼，精炼时间为30～35min；
S1.3、再加入铝块和钛块合金元素并继续熔炼15～20min；
S1.4、最后停止加热并随炉冷却，金属液温度降至1750±50℃时浇注形成母合金锭。
具体地，首先将按照合金成分计算好质量的镍粒、铬粒、钴粒、钼粒、钨粒、钽粒、铼块、铪粒的高铼镍基单晶高温合金原料置于坩埚中进行真空熔炼，将各配料完全熔化；
然后边搅拌边精炼，精炼时间为35min；
再加入铝块和钛块合金元素并继续熔炼20min；
最后停止加热并随炉冷却，金属液温度降至1750℃时浇注形成母合金锭。
步骤S2、重熔浇注：
S2.1、将母合金锭放入真空感应熔炼炉的坩埚中进行重熔；
S2.2、采用快速冷却法和螺旋选晶法浇注制备单晶合金试棒；
S2.3、将浇注之后带有单晶合金试棒的型壳抽拉出真空感应熔炼炉，获得高铼镍基单晶高温合金试棒铸件。
具体包括：
S2.1、将母合金锭放入真空感应熔炼炉的坩埚中进行重熔，包括：
真空感应熔炼炉分为上、下两加热区，用以提高熔炼效率并提高抽拉时的温度梯度；母合金真空熔炼温度为1570℃±10℃，真空熔炼时间为3min，真空熔炼过程中翻转坩埚两次以去除金属液表面氧化膜，获得浇注熔液；真空熔炼过程中，真空度保持在0.01Pa以下。
S2.2、采用快速冷却法和螺旋选晶法浇注制备单晶合金试棒，包括：
采用快速冷却法浇注，包括：将带有螺旋选晶器结构的刚玉砂单晶试棒型壳放在水冷盘上，水冷盘采用低温水进行冷却，保证水冷盘温度在20～25℃；采用螺旋选晶法控制合金在凝固过程中生长为单晶合金，包括：螺旋选晶器包括引晶段与选晶段，选晶段为一周半螺旋，真空感应熔炼炉上加热器温度为1510℃±10℃，下加热器温度为1530℃±10℃，浇注温度为1510℃±10℃，将浇注液浇注到刚玉砂单晶试棒型壳里，控制试棒生长为[001]取向的单晶合金试棒。
S2.3、将浇注之后带有单晶合金试棒的型壳抽拉出真空感应熔炼炉，获得高铼镍基单晶高温合金试棒铸件，包括：
浇注之后静置2min，然后以3.5mm/min的抽拉速率抽拉型壳，将浇注之后的型壳抽拉出感应炉，制备获得高铼镍基单晶高温合金试棒铸件。抽拉过程中，真空度保持在0.01Pa以下。
步骤S3、将所述高铼镍基单晶高温合金试棒铸件进行切割，使用砂轮切去螺旋选晶器与上下弯曲部分，得到高铼镍基单晶高温合金试棒。
切割位置如图7中A1、A2所示位置。
步骤S4、在所述高铼镍基单晶高温合金试棒的中段切取一小试块，使用该小试块进行差热分析实验(DSC)，测定合金的γ’相固溶温度Ts；
所述步骤四中所述小试块的长、宽、高分别为1.5mm、1.5mm、1mm，且高度方向与试棒轴向方向重合。
使用该试块进行差热分析实验(DSC)测定合金的γ’相固溶温度Ts，所述DSC实验过程全程通高纯氩气保护试样不发生氧化，升温过程为：从室温升温至1100℃，升温速率为10℃/min，从1100℃升温至1450℃，升温速率为2℃/min；本实施例中的高铼镍基单晶高温合金的DSC曲线见图1，由吸热峰可知本实施例中的高铼镍基单晶高温合金的γ’固溶温度Ts为1265℃。
步骤S5、将所述高铼镍基单晶高温合金试棒进行均匀化处理。
具体包括：
S5.1、将高铼镍基单晶高温合金试棒在室温条件下放入控温精度为±1℃的箱式高温炉炉膛中央，尽量位于炉膛中心区域，试棒放置于耐火砖之上，使试棒与炉底保持至少2cm空隙，距左右加热棒的距离不小于5cm；
S5.2、以10℃/min升温速率升温至1150℃±50℃；
S5.3、后以5℃/min升温速率升温至均匀化处理第一阶段温度；所述均匀化处理第一阶段温度为(Ts-70℃)～(Ts-50℃)，其中Ts为DSC所测得的合金的γ’相固溶温度，保温时间为3h～5h；
S5.4、均匀化热处理第一阶段保温结束后，将合金以5℃/min升温速率升温至均匀化处理第二阶段温度；所述均匀化处理第二阶段温度为(Ts-30℃)～Ts，保温时间为6±1h；
其中，均匀化处理第一阶段与第二阶段的总保温时间为8h～12h。
为证明本发明提出的降低高铼镍基单晶高温合金固溶孔洞的固溶热处理方法的有效性，首先对步骤S2中的高铼镍基单晶高温合金试棒铸件进行铸态显微组织观察(见图2)；将步骤S4中得到的高铼镍基单晶高温合金试棒进行均匀化处理，具体为：
将高铼镍基单晶高温合金试棒在室温条件下放入控温精度为±1℃的箱式高温炉炉膛中央，试棒放置于耐火砖之上，使试棒与炉底保持至少2cm空隙；
以10℃/min升温速率升温至1150℃；
后以5℃/min升温速率升温至均匀化处理第一阶段温度，均匀化处理第一阶段温度为1210℃；保温时间为4h；
均匀化热处理第一阶段保温结束后，将合金以5℃/min升温速率升温至均匀化处理第二阶段温度，均匀化处理第二阶段温度为1250℃，保温时间为6h；
其中，均匀化处理第一阶段与第二阶段的总保温时间为10h。
上述保温过程中，温度升至每个目标温度后，需保温2分钟，待炉膛温度均匀后开始计算保温时间。
步骤S6、将经均匀化处理的高铼镍基单晶高温合金试棒进行高温固溶处理。
所述高温固溶处理包括：
S6.1、将合金先以5℃/min升温速率升温至1305℃±5℃，保温4h±1h；
S6.2、再以2℃/min升温速率升温至1320℃±5℃，保温8h±1h；
S6.3、最后以2℃/min升温速率升温至1335℃±5℃，保温16h±1h；
S6.4、保温结束后，高温下打开炉门，将高铼镍基单晶高温合金试棒从高温炉中取出，分散置于耐火砖上空冷。
上述保温过程中，温度升至每个目标温度后，需保温2分钟，待炉膛温度均匀后开始计算保温时间。
在对经过上述固溶热处理的高铼镍基单晶高温合金试棒的显微组织进行观察，合金的固溶孔洞形貌见图3。
经Image ProPlus统计合金铸态孔洞照片(图2)与固溶热处理后的照片(图3)，得到本实施例中合金的铸态孔洞含量为0.09％，合金的经固溶热处理后的孔洞含量为0.16％，合金在固溶过程中增加的孔洞含量仅为0.07％；
合金经固溶热处理后的γ’相形貌见图4，经Image ProPlus统计10幅图片，得到本实施例中合金的γ’相的体积分数为61.2％。由统计结果可知，采用本发明提出的降低高铼镍基单晶高温合金固溶孔洞含量的固溶热处理方法有效抑制了合金中固溶孔洞的形成，且合金γ’相呈立方状，证明本实施例中的固溶热处理制度达到了降低固溶孔洞的目的，且固溶效果好。
本发明实施例1中对高铼镍基单晶高温合金的显微组织进行观察的具体方法如下：
(1)打磨抛光：在经过固溶热处理后高铼镍基单晶高温合金试棒中段切割尺寸为10mm*10mm*10mm的试块，依次使用400#、800#、1200#、2000#水砂纸对合金试块进行打磨，每一步保证试块所打磨面平整且划痕深浅一致，然后依次使用3μm和0.5μm的金刚石抛光液进行抛光，最后使用0.04μm的二氧化硅抛光液进行抛光，保证试块打磨面在光学显微镜下无明显划痕，用水和无水乙醇依次将试块打磨面清洗干净并用吹风机吹干；
(2)孔洞观察：使用ZEISS系列光学金相显微镜对合金试块打磨面的固溶孔洞形貌进行观察，在放大50X后进行拍照，使用Image Pro-Plus软件对合金中的固溶孔洞含量进行统计；
(3)化学腐蚀：使用配比为20gCuSO4+5mlH2SO4+100mlHCl+80mlH2O的腐蚀液对试块表面进行腐蚀，将试块放入腐蚀液中浸泡3s，而后迅速用水清洗，并用酒精冲洗后吹干；
(4)组织观察：使用型号为ZEISS Gemini300的场发射扫描电子显微镜对合金固溶热处理后的合金显微组织形貌进行观察，在放大10000X后进行拍照，并使用Image Pro-Plus软件对合金固溶后的γ’相体积分数进行统计。
实施例2
与实施例1不同是高铼镍基单晶高温合金的组成成分按质量分数计如下：Cr3.1％，Co 9.50％，Mo 0.71％，W 4.9％，Ta 8.1％，Re 4.5％，Al 5.6％，Hf 0.09％，Ti0.10％，余量为Ni；
母合金精炼温度为1560℃，浇注温度为1500℃，上加热器温度为1500℃，下加热器温度为1520℃，以3.4mm/min的抽拉速率制备所述高铼镍基单晶高温合金铸件试棒。
实施例3
与实施例1不同是高铼镍基单晶高温合金的组成成分按质量分数计如下：Cr3.7％，Co 11.0％，Mo 0.75％，W 5.5％，Ta 9.3％，Re 6.0％，Al 6.5％，Hf 0.15％，Ti0.16％，余量为Ni；
母合金精炼温度为1580℃，浇注温度为1520℃，上加热器温度为1520℃，下加热器温度为1540℃，以3.6mm/min的抽拉速率制备所述高铼镍基单晶高温合金铸件试棒。
对比例1
为验证本发明的优异性，进行区别于发明方法的对比实验，所用高铼镍基单晶高温合金的组成成分按质量分数计如下(与实施例1相同)：Cr 3.31％，Co 10.50％，Mo0.72％，W 5.01％，Ta 8.84％，Re 5.11％，Al 6.00％，Hf 0.11％，Ti 0.10％，余量为Ni；该固溶热处理方法包括以下步骤：
步骤一、与实施例1中步骤一相同。
步骤二、与实施例1中步骤二相同。
步骤三、与实施例1中步骤三相同。
步骤四、与实施例1中步骤四相同。
步骤五、将铸态高铼镍基单晶高温合金试棒进行高温固溶处理，所述高温固溶处理的具体过程为：将铸态合金试棒在室温条件下放入箱式高温炉中，以10℃/min升温速率升温至1300℃，在该温度下保温4h，再以2℃/min升温速率升温至1310℃，保温4h，后以2℃/min升温速率升温至1325℃，保温6h，最后以2℃/min升温速率升温至1335℃，保温16h，然后将高铼镍基单晶高温合金试棒从高温炉中取出，分散置于地面空冷。
本对比例中对高铼镍基单晶高温合金所进行的固溶热处理的制度为参照中国发明专利“确定镍基单晶高温合金均匀化/固溶热处理制度的方法”(专利号为CN 111763897B)与中国发明专利“一种镍基单晶高温合金的热处理方法”(专利号为CN 113528993 A)所设置的。
步骤四的保温过程中，温度升至每个目标温度后，需保温2分钟，待炉膛温度均匀后开始计算保温时间。
步骤四中，高铼镍基单晶高温合金试棒在高温炉中的位置已经尽量位于炉膛中心区域，距左右加热棒的距离不小于5cm。
在对经过上述固溶热处理的高铼镍基单晶高温合金试棒的显微组织进行观察，合金的固溶孔洞形貌见图5。
经Image ProPlus统计合金固溶热处理后的照片(图5)，得到本对比例中合金经固溶热处理后的孔洞含量为0.58％，可见该对比例所述的固溶热处理相比实施例1使合金的固溶孔洞含量显著增加。
合金经固溶热处理后的γ’相形貌见图6，经本对比例所述固溶热处理后，合金γ’相尺寸相比实施例1明显减小，经Image ProPlus统计10幅图片，得到本对比例中合金的γ’相的体积分数为55.2％，体积分数相比实施例1同样降低。
经实施例1与对比例1热处理结果进行比较，实施例1中所述本发明的固溶热处理制度对高铼镍基单晶高温合金更为合适，能够抑制合金在固溶热处理过程中固溶孔洞的增加，同时提高合金γ’相的尺寸与体积分数，提高固溶热处理效果，本发明所述固溶热处理制度对降低高铼镍基单晶高温合金固溶热处理过程中的固溶孔洞含量具有优异效果。
需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。对于方法的实施例而言，相关之处可参见设备实施例的部分说明。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (8)

1.降低高铼镍基单晶高温合金固溶孔洞含量固溶热处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、母合金熔炼，包括：将按照合金成分计算好质量的镍粒、铬粒、钴粒、钼粒、钨粒、钽粒、铼块、铪粒、铝块和钛块合金元素的高铼镍基单晶高温合金原料置于坩埚中进行真空熔炼，获得母合金锭；
步骤S2、重熔浇注，包括：将所述母合金锭放入真空感应熔炼炉的坩埚中进行重熔；采用快速冷却法和螺旋选晶法浇注制备单晶合金试棒；将浇注之后带有单晶合金试棒的型壳抽拉出真空感应熔炼炉，获得高铼镍基单晶高温合金试棒铸件；
步骤S3、将所述高铼镍基单晶高温合金试棒铸件进行切割，使用砂轮切去螺旋选晶器与上下弯曲部分，得到高铼镍基单晶高温合金试棒；
步骤S4、在所述高铼镍基单晶高温合金试棒的中段切取一小试块，使用该小试块进行差热分析实验，测定合金的γ’相固溶温度Ts；
步骤S5、将所述高铼镍基单晶高温合金试棒进行均匀化处理；
步骤S6、将经均匀化处理的高铼镍基单晶高温合金试棒进行高温固溶处理；
所述将所述高铼镍基单晶高温合金试棒进行均匀化处理，包括：
S5.1、将高铼镍基单晶高温合金试棒在室温条件下放入控温精度为±1℃的箱式高温炉炉膛中央，尽量位于炉膛中心区域，试棒放置于耐火砖之上，使试棒与炉底保持至少2cm空隙，距左右加热棒的距离不小于5cm；
S5.2、以10℃/min升温速率升温至1150±50℃；
S5.3、后以5℃/min升温速率升温至均匀化处理第一阶段温度；所述均匀化处理第一阶段温度为（Ts-70℃）～（Ts-50℃），其中Ts为DSC所测得的合金的γ’相固溶温度，保温时间为3h～5h；
S5.4、均匀化热处理第一阶段保温结束后，将合金以5℃/min升温速率升温至均匀化处理第二阶段温度；所述均匀化处理第二阶段温度为（Ts-30℃）～Ts，保温时间为6±1h；
其中，均匀化处理第一阶段与第二阶段的总保温时间为8h～12h；
所述高温固溶处理包括：
S6.1、将合金先以5℃/min升温速率升温至1305±5℃，保温4±1h；
S6.2、再以2℃/min升温速率升温至1320±5℃，保温8±1h；
S6.3、最后以2℃/min升温速率升温至1335±5℃，保温16±1h；
S6.4、保温结束后，高温下打开炉门，将高铼镍基单晶高温合金试棒从高温炉中取出，分散置于耐火砖上空冷；
S6.5、上述保温过程中，温度升至每个目标温度后，需保温2分钟，待炉膛温度均匀后开始计算保温时间。
2.根据权利要求1所述的降低高铼镍基单晶高温合金固溶孔洞含量固溶热处理方法，其特征在于，所述高铼镍基单晶高温合金原料按质量分数计的成分组成为：Cr3.1%～3.7%，Co9.5%～11.0%，Mo0.71%～0.75%，W4.9%～5.5%，Ta8.1%～9.3%，Re4.5%～6.0%，Al5.6%～6.5%，Hf0.09%～0.15%，Ti0.10%～0.16%，余量为Ni。
3.根据权利要求2所述的降低高铼镍基单晶高温合金固溶孔洞含量固溶热处理方法，其特征在于，所述高铼镍基单晶高温合金原料包括以下重量份原料：Cr3.31%，Co10.50%，Mo0.72%，W5.01%，Ta8.84%，Re5.11%，Al6.00%，Hf0.11%，Ti0.10%，余量为Ni。
4.根据权利要求1所述的降低高铼镍基单晶高温合金固溶孔洞含量固溶热处理方法，其特征在于，所述高铼镍基单晶高温合金原料置于坩埚中进行真空熔炼，获得母合金锭，包括：
S1.1、首先将按照合金成分计算好质量的镍粒、铬粒、钴粒、钼粒、钨粒、钽粒、铼块、铪粒的高铼镍基单晶高温合金原料置于坩埚中进行真空熔炼，将各配料完全熔化；
S1.2、然后边搅拌边精炼，精炼时间为30～35min；
S1.3、再加入铝块和钛块合金元素并继续熔炼15～20min；
S1.4、最后停止加热并随炉冷却，金属液温度降至1750±50℃时浇注形成母合金锭。
5.根据权利要求1所述的降低高铼镍基单晶高温合金固溶孔洞含量固溶热处理方法，其特征在于，将母合金锭放入真空感应熔炼炉的坩埚中进行重熔，包括：
将真空感应熔炼炉分为上、下两加热区，用以提高熔炼效率并提高抽拉时的温度梯度；母合金真空熔炼温度为1570±10℃，真空熔炼时间为3min，真空熔炼过程中翻转坩埚两次以去除金属液表面氧化膜，获得浇注熔液；真空熔炼过程中，真空度保持在0.01Pa以下；
所述将浇注之后带有单晶合金试棒的型壳抽拉出真空感应熔炼炉，获得高铼镍基单晶高温合金试棒铸件，包括：
浇注之后静置2min，然后以3.5±1mm/min的抽拉速率抽拉型壳，将浇注之后的型壳抽拉出感应炉，制备获得高铼镍基单晶高温合金试棒铸件，抽拉过程中，真空度保持在0.01Pa以下。
6.根据权利要求1所述的降低高铼镍基单晶高温合金固溶孔洞含量固溶热处理方法，其特征在于，所述采用快速冷却法和螺旋选晶法浇注制备单晶合金试棒，包括：
采用快速冷却法浇注，包括：将带有螺旋选晶器结构的刚玉砂单晶试棒型壳放在水冷盘上，水冷盘采用低温水进行冷却，保证水冷盘温度在20～25℃；
采用螺旋选晶法控制合金在凝固过程中生长为单晶合金，包括：螺旋选晶器包括引晶段与选晶段，选晶段为一周半螺旋，真空感应熔炼炉上加热器温度为1510±10℃，下加热器温度为1530±10℃，浇注温度为1510±10℃，将浇注液浇注到刚玉砂单晶试棒型壳里，控制试棒生长为[001]取向的单晶合金试棒。
7.根据权利要求1所述的降低高铼镍基单晶高温合金固溶孔洞含量固溶热处理方法，其特征在于，所述小试块的长、宽、高分别为1.5mm、1.5mm、1mm，且高度方向与试棒轴向方向重合。
8.一种如权利要求1-7任一项所述降低高铼镍基单晶高温合金固溶孔洞含量固溶热处理方法在铼元素含量为4.5%～6.0%的第三代镍基单晶高温合金或更高代次合金上的应用。
CN202210023432.9A 2022-01-10 2022-01-10 降低高铼镍基单晶高温合金固溶孔洞含量固溶热处理方法 Active CN114250519B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210023432.9A CN114250519B (zh) 2022-01-10 2022-01-10 降低高铼镍基单晶高温合金固溶孔洞含量固溶热处理方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210023432.9A CN114250519B (zh) 2022-01-10 2022-01-10 降低高铼镍基单晶高温合金固溶孔洞含量固溶热处理方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114250519A CN114250519A (zh) 2022-03-29
CN114250519B true CN114250519B (zh) 2023-05-23

Family

ID=80799578

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210023432.9A Active CN114250519B (zh) 2022-01-10 2022-01-10 降低高铼镍基单晶高温合金固溶孔洞含量固溶热处理方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114250519B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116083756B (zh) * 2023-04-11 2023-06-16 中国航发北京航空材料研究院 一种抗氢脆的镍基单晶高温合金及其制备方法

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4222540B2 (ja) * 2000-08-30 2009-02-12 独立行政法人物質・材料研究機構 ニッケル基単結晶超合金、その製造方法およびガスタービン高温部品
CN102418147A (zh) * 2010-09-27 2012-04-18 中国科学院金属研究所 高强度且完全抗氧化的第三代单晶高温合金及制备方法
CN104928604B (zh) * 2015-06-30 2016-10-05 西北工业大学 镍基单晶高温合金固溶处理方法
CN104975248B (zh) * 2015-06-30 2017-01-25 西北工业大学 一种第三代镍基单晶高温合金的固溶处理方法
CN107460419B (zh) * 2017-06-30 2019-08-02 江苏大学 一种低铼单晶铸件的组织及性能优化新工艺
CN111074332B (zh) * 2019-12-31 2022-08-02 东莞材料基因高等理工研究院 一种快速消除单晶高温合金中微观偏析的热处理方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN114250519A (zh) 2022-03-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111455220B (zh) 一种组织稳定的第三代镍基单晶高温合金及制备方法
US3494709A (en) Single crystal metallic part
TW446594B (en) Unidirectionally solidified cast article and method of making
JP5475961B2 (ja) チタン合金融解用るつぼ
CN111364096B (zh) 基底触发单晶高温合金定向凝固工艺
CN114250519B (zh) 降低高铼镍基单晶高温合金固溶孔洞含量固溶热处理方法
CN103817313A (zh) 一种整体细晶向心叶轮铸件的制备方法
CN112176225A (zh) 一种镍基单晶高温合金及其制备方法
CN109576532A (zh) 持久强度高且抗氧化性优良的第三代单晶高温合金及制备
CN111074332B (zh) 一种快速消除单晶高温合金中微观偏析的热处理方法
CN113564717B (zh) 一种Ni3Al基单晶高温合金及其制备方法
EP0855449A1 (en) Columnar crystalline Ni-base heat-resistant alloy having high resistance to intergranular corrosion at high temperature, method of producing the alloy, large-size article, and method of producing large-size article from the alloy
JP4222540B2 (ja) ニッケル基単結晶超合金、その製造方法およびガスタービン高温部品
CN111850327B (zh) 一种基于选择性溶解的多孔NiTi合金的制备方法及产品
CN111379028A (zh) 一种Ni-Al二元单晶合金、Ni-Al二元模型单晶合金及其制备方法
CN115613141A (zh) 一种第二代镍基单晶高温合金的连续升温热处理工艺
CN108913945B (zh) 一种高强钛合金及其制备方法
KR102142439B1 (ko) 고온 크리프 특성과 내산화성이 우수한 니켈기 초내열 합금 및 그 제조방법
CN111270105A (zh) 均匀化处理gh4780合金铸锭的方法和gh4780合金铸件及其应用
TWI838965B (zh) 鈦鋁介金屬的製備方法
US11878342B1 (en) Vacuum smelting device with mold temperature control design and method for manufacturing a titanium-aluminum intermetallic alloy
RU2824506C1 (ru) Сплав на основе интерметаллида Ni3Al, способ его получения и способ изготовления из него изделия
CN115537694B (zh) 一种第二代镍基单晶高温合金的重熔热处理工艺
CN116262964A (zh) 一种铸造TiAl合金中碳化物的细化方法
CN115094360B (zh) 一种具有抗变形抗再结晶效果的单晶高温合金的热处理工艺

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant