CN114574793A - 一种改善gh4706合金性能的热处理工艺 - Google Patents

Abstract

本申请涉及高温合金组织与性能控制的技术领域，具体公开了一种改善GH4706合金性能的热处理工艺。该热处理工艺具体包括以下步骤：将GH4706高温合金进行固溶热处理，出炉冷却；双级时效处理；其中，所述固溶热处理中，固溶热处理温度为在GH4706高温合金晶内强化相析出温度的基础上升高10‑30℃，低于晶界强化相完全溶解温度；固溶热处理的保温时间为高温合金锻件整体达到固溶热处理温度起1h以上；所述出炉冷却中，冷却速度为2‑5℃/min。本申请提供的热处理工艺能够有效提高GH4706高温合金制备的超大尺寸轮盘锻件的拉伸强度和持久性能。

Description

一种改善GH4706合金性能的热处理工艺

技术领域

本申请涉及高温合金组织与性能控制的技术领域，更具体地说，它涉及一种改善GH4706合金性能的热处理工艺。

背景技术

GH4706合金具有可靠的高温服役性能、优异的锻造性能、扩大锭型可行性及良好的机加工性能，是制备超大尺寸轮盘锻件的主要选材之一。超大尺寸涡轮盘锻件被广泛 应用于电力、核能、舰艇等领域。涡轮盘是发动机的核心热端部件。由于涡轮盘的工作 环境复杂，涡轮盘需要承受较高的温度和较大的应力，因此，要求涡轮盘具有高的拉伸 强度和持久性能。然而，随着发动机功率的不断提升，涡轮盘的尺寸逐渐增大，最大尺 寸已到达

以上。这对涡轮盘服役性能的要求及组织控制提出更大挑战。国内 可制备直径在2000mm超大尺寸涡轮盘且服役温度在600℃附近的高温合金仅有 GH4706合金一种，其他牌号的高温合金均无法同时满足规格尺寸与可承受温度的协调 要求，故无法满足发动机功率提升对超大尺寸涡轮盘高温性能与可制备性的综合要求。

目前，为提高涡轮盘的服役寿命与承温能力，对于高温合金组织与性能控制的最主 要环节即为盘锻件的热处理。相关技术中，对于GH4706合金的热处理工艺为在主要强化相全溶温度以上进行固溶处理，保温时间最少为1h，水淬冷却至室温后进行双时效 处理。

基于上述，相关技术中GH4706合金的热处理工艺导致析出的晶界强化相数量较少， 故超大尺寸涡轮盘锻件的拉伸强度和持久寿命有限，超大尺寸涡轮盘锻件还容易产生较 大的内应力，从而使得超大尺寸涡轮盘锻件容易开裂和产生较大的缺口敏感性，故降低了超大尺寸涡轮盘锻件的使用寿命；且在后续机加工及服役过程中，超大尺寸涡轮盘锻 件产生的较大的内应力极易使其产生微变形，进而导致涡轮盘锻件报废。

发明内容

为了提高超大尺寸高温合金轮盘锻件的拉伸强度和持久性能，本申请提供一种改善 GH4706合金性能的热处理工艺。

第一方面，本申请提供的一种改善GH4706合金性能的热处理工艺，采用如下的技术方案：

一种改善GH4706合金性能的热处理工艺，具体包括以下步骤：将高温合金锻件进行固溶热处理，出炉冷却；双级时效处理；其中，所述固溶热处理中，固溶热处理温度 为在高温合金锻件晶内强化相析出温度的基础上升高10-30℃，但低于晶界强化相的完 全溶解温度；固溶热处理的保温时间为高温合金锻件整体达到固溶热处理温度起1h以 上；所述出炉冷却中，冷却速度为2-5℃/min。

通过采用上述技术方案，本申请通过降低GH4706高温合金的固溶热处理温度及固溶后冷却速度，使超大尺寸高温合金轮盘锻件在复杂的服役环境中仍具有较高的拉伸强度和持久性能，以满足高功率发动机涡轮盘的性能要求，同时，减少了超大尺寸高温合 金轮盘锻件冷却过程中各部位的温度梯度，降低了超大尺寸高温合金轮盘锻件在热处理 过程中产生的内应力，从而降低了超大尺寸高温合金轮盘锻件在随后机加工及服役过程 中由内应力产生的微变形及缺口敏感性，提高了超大尺寸高温合金轮盘锻件的服役寿命。

超大尺寸GH4706高温合金轮盘锻件的拉伸强度和持久性能主要取决于晶内强化相及晶界强化相的析出状态，如形貌、尺寸、析出位置等。相关技术中，通常利用JMatpro软件计算得出变形高温合金晶内与晶界强化相的完全溶解温度及析出温度范围。由于相 关技术中对超大尺寸涡轮盘锻件的固溶热处理温度较高，容易使晶粒长大，且冷却速度 较快，导致析出的晶界强化相数量较少，故超大尺寸涡轮盘锻件的拉伸强度和持久性能 有限。并且，超大尺寸涡轮盘锻件从高温状态下快速冷却，还容易导致超大尺寸涡轮盘 锻件产生较大的内应力，从而使得超大尺寸涡轮盘锻件容易开裂和产生较大的缺口敏感 性，进而降低了超大尺寸涡轮盘锻件的使用寿命。

本申请提供的超大尺寸高温合金轮盘锻件的热处理工艺，通过降低超大尺寸轮盘锻 件用高温合金的固溶热处理温度，可降低固溶过程中晶内强化相的原子迁移速度使之在 随后的冷却过程中易于析出，同时要保证晶界强化相不全部溶解，在固溶过程中，晶界强化相起到阻碍晶界扩展的作用，能够细化晶粒。另外，本申请提供的超大尺寸GH4706 高温合金轮盘锻件的热处理工艺，通过降低固溶后冷却速度，可为晶界强化相的析出提 供充足时间，使得在随后的双级时效处理中已析出的第二相长大，形成大尺寸的晶界强 化相，大尺寸的晶界强化相与晶内强化相可使超大尺寸高温合金轮盘锻件具有较高的拉 伸强度和持久性能。

综上所述，本申请提供的超大尺寸GH4706高温合金轮盘锻件的热处理工艺，能够有效提高超大尺寸高温合金轮盘锻件的拉伸强度和持久性能。

优选的，所述固溶热处理温度为920-960℃。

优选的，所述固溶热处理温度为920-940℃。

优选的，所述固溶热处理温度为940-960℃。

在一个具体的实施方式中，所述固溶热处理温度可以是920℃、940℃、960℃。

优选的，所述固溶热处理中，固溶热处理的保温时间为2-8h。

在一个具体的实施方式中，固溶热处理的保温时间可以是2-4h。

在一个具体的实施方式中，固溶热处理的保温时间可以是4-8h。

优选的，所述冷却方式为慢冷。

优选的，所述冷却速度为3-4℃/min。

优选的，所述双级时效处理中，一级时效处理的处理温度为720-740℃，处理时间为8-18h。

在一个具体的实施方式中，所述双级时效处理中，一级时效处理的处理时间可以是 8h、12h、18h。

在一些具体的实施方式中，所述双级时效处理中，一级时效处理的处理时间可以是 8-12h、12-18h。

优选的，所述双级时效处理中，二级时效处理的处理温度为610-630℃，处理时间为8-36h。

在一个具体的实施方式中，所述双级时效处理中，二级时效处理的处理时间可以是 8h、18h、36h。

在一些具体的实施方式中，所述双级时效处理中，二级时效处理的处理时间可以是 8-18h、18-36h。

超大尺寸高温合金轮盘锻件的拉伸强度和持久性能主要取决于晶内及晶界强 化相的析出状态，如形貌、尺寸、析出位置等。然而目前，相关技术中时效处理析 出的晶内强化相及晶界强化相的数量较少、尺寸较小，对合金的强度和持久寿命的 贡献有限。

本申请采用JMatpro软件计算出合金强化相的析出温度范围，并根据计算结果 设计出合理的双级时效温度、时间，采用先高温时效，后低温时效的方式进行，以 确保过饱和固溶体的强化元素可以充分析出。若调换双级时效的处理温度顺序，则 会发生析出强化相尺寸过大的现象，这是因为在低温析出的强化相尤其是晶界强化 相在高温时效时具有较快的扩散速度，新的强化相来不及析出，原有强化相继续长 大，从而会导致合金的性能降低，不利于GH4706合金涡轮盘的长时服役性能。由JMatpro软件计算得合金晶内强化相γ′相与晶界强化相η相析出速率较高的温度范 围均为600-750℃。因此，对于GH4706合金适合的一级时效处理温度为720-740℃， 处理时间为8-18h，炉冷(55℃/min)；二级时效处理温度为610-630℃，处理时间 为8-36h。

利用本申请提供的热处理工艺，可提高GH4706合金轮盘锻件的力学性能及组 织控制，同时减少了轮盘锻件各部位的温度梯度，使轮盘锻件内部的热应力降低， 降低了轮盘锻件在随后机加工及服役过程中由内应力产生的微变形及缺口敏感性。

第二方面，本申请提供一种利用上述热处理工艺制备的GH4706高温合金超大 尺寸轮盘锻件。

综上所述，本申请具有以下有益效果：

本申请通过降低固溶温度可增大晶内强化相γ′相和晶界强化相η相的尺寸及数量， 提高了超大尺寸高温合金轮盘锻件的拉伸强度和持久性能。同时，晶界强化相的存在还 起到阻碍固溶过程晶粒长大的作用，降低固溶后冷却速度可进一步增大晶界强化相尺寸， 提高了超大尺寸高温合金轮盘锻件的持久性能。同时较低的固溶温度和较慢的冷却速度 使超大尺寸高温合金轮盘锻件各部位的温度梯度降低，减少了内应力的产生，使超大尺寸高温合金轮盘锻件具有更加优异的机械加工性能和更长的服役寿命。

本申请通过延长双时效的保温时间，将一级时效处理的处理时间控制在8-18h，二级时效处理的处理时间控制在8-36h，能够提高高温合金的拉伸强度和持久性能。当高 温合金锻件的一级时效处理的处理时间为12h，二级时效处理的处理时间为18h时，相 比于常规时效处理的处理时间(8h)，本申请提供的热处理工艺能够在保持高温合金具 有较为优异的冲击性能的同时，进一步提高高温合金的拉伸强度和持久性能。另外，长 时间的时效处理能够进一步降低盘锻件的内应力，从而进一步提高盘锻件的可机加工性 和服役寿命。

附图说明

图1为实施例3-5处理后的锻件的晶粒组织图(A：实施例3-960℃；B：实施例 4-980℃；C：实施例5-1010℃)。

图2为实施例3-5热处理后的锻件的晶内强化相γ′相的组织形貌图(A：实施例 3-960℃；B：实施例4-980℃；C：实施例5-1010℃)。

图3为实施例3-5热处理后的锻件的晶界强化相η相的组织形貌图(A：实施例 3-960℃；B：实施例4-980℃；C：实施例5-1010℃)。

具体实施方式

本申请提供了一种改善GH4706合金性能的热处理工艺，具体包括以下步骤：

(1)固溶热处理：将高温合金棒材进行固溶热处理，出炉冷却。

其中，所述固溶热处理中，固溶热处理温度为在高温合金锻件晶内强化相析出温度 的基础上升高10-30℃，并低于晶界强化相完全溶解温度。

具体的，固溶热处理温度为920-960℃。

进一步地，固溶热处理温度为920-940℃。

进一步地，固溶热处理温度为940-960℃。

其中，固溶热处理的保温时间为高温合金锻件整体达到固溶热处理温度起1h以上；

具体的，固溶热处理的保温时间为2-8h。

进一步地，固溶热处理的保温时间为2-4h。

其中，冷却方式可以是慢冷、空冷或水冷。

进一步地，冷却方式为慢冷。

其中，所述出炉冷却中，冷却速度为2-5℃/min。

进一步地，冷却速度为3-4℃/min。

(2)一级时效处理：处理温度为720-740℃，处理时间为8h。

(3)二级时效处理：处理温度为610-630℃，处理时间为8h。

GH4706合金是制造超大尺寸轮盘锻件最先进的选材之一，主要化学成分为：Al0.2％、Ti 1.8％、Nb 3％、Co 0.03％、Cr 16％、Fe 38％、Ni余量。利用JMatpro软件计 算得GH4706合金晶内强化相γ′相的初始析出温度为910～930℃，晶界强化相η相的初 始析出温度为940～960℃。

本申请通过对超大尺寸轮盘锻件用GH4706高温合金固溶热处理温度及固溶后冷却速度的降低，同时延长双级时效处理时间，使得超大尺寸高温合金轮盘锻件在复杂的 服役环境中仍具有较高的拉伸强度和持久性能，以满足高功率发动机涡轮盘的性能要求， 同时，减少了超大尺寸高温合金轮盘锻件各部位的温度梯度，降低了超大尺寸高温合金 轮盘锻件在热处理过程中产生的内应力，从而降低了超大尺寸高温合金轮盘锻件在随后 机加工及服役过程中由内应力产生的微变形及缺口敏感性，提高了超大尺寸高温合金轮 盘锻件的服役寿命。

以下结合实施例1-13、附图1-3以及性能检测试验对本申请作进一步详细说明。

实施例

实施例1-5

实施例1-5分别提供了一种改善GH4706合金性能的热处理工艺。具体包括以下步骤：

(1)固溶热处理：将高温合金锻件进行固溶热处理，出炉冷却。其中，固溶热处 理温度、保温时间、冷却方式以及冷却速度如表1所示。

(2)一级时效处理：处理温度为730℃，处理时间为8h。

(3)二级时效处理：处理温度为620℃，处理时间为8h。

实施例1-5的区别之处在于固溶热处理中的温度，具体如表1所示。

表1实施例1-5提供的热处理工艺中的参数

实施例6-7

实施例6-7分别提供了一种改善GH4706合金性能的热处理工艺。实施例6-7与实施例3的区别之处在于固溶热处理的时间，具体如表2所示。

表2实施例3、实施例6-7提供的热处理工艺中的参数

实施例8-9

实施例8-9分别提供了一种改善GH4706合金性能的热处理工艺。实施例8-9与实施例3的区别之处在于冷却速度，具体如表3所示。

表3实施例3、实施例8-9提供的热处理工艺中的参数

性能检测试验一

以利用实施例1-9的热处理工艺处理后的产品为检测对象，分别检测各自的晶粒组 织、晶内强化相γ′相的组织形貌、晶界强化相η相的组织形貌。

检测结果如下：

实施例1-9热处理后的锻件的平均晶粒尺寸如表4所示。

实施例1-9热处理后的锻件的室温拉伸性能如表5所示。

实施例1-9热处理后的锻件650℃/690MPa条件下的持久性能如表6所示。

图1为实施例3-5处理后的锻件的晶粒组织图(A：实施例3-960℃；B：实施例4-980℃；C：实施例5-1010℃)。

图2为实施例3-5热处理后的锻件的晶内强化相γ′相的组织形貌图(A：实施例 3-960℃；B：实施例4-980℃；C：实施例5-1010℃)。

图3为实施例3-5热处理后的锻件的晶界强化相η相的组织形貌图(A：实施例 3-960℃；B：实施例4-980℃；C：实施例5-1010℃)。

表4实施例1-9热处理后的锻件的平均晶粒尺寸

表5实施例1-9热处理后的锻件的室温拉伸性能

表6实施例1-9热处理后的锻件650℃/690MPa条件下的持久性能

结合表4、表5和表6，通过对比实施例1-9的检测结果可知，本申请通过降低高 温合金的固溶热处理温度和冷却速度，并选择合适的保温时间，能够明显降低处理后锻 件的平均晶粒尺寸，并有效提高GH4706合金超大尺寸轮盘锻件的拉伸强度和持久性能。

通过对比实施例1-5的检测结果，结合图1-3，当高温合金锻件的固溶热处理温度为980℃时，处理后锻件的平均晶粒尺寸为63.5μm，拉伸强度为1287MPa，屈服强度 为992MPa，拉伸率为23％，断面收缩率为47％；且在650℃/690MPa的测试条件下的 持久时间为39h，延伸率为5％。当高温合金锻件的固溶热处理温度为1010℃时，处理 后锻件的平均晶粒尺寸为89.8μm，拉伸强度为1249MPa，屈服强度为984MPa，拉伸率 为23％，断面收缩率为40％；且在650℃/690MPa的测试条件下的持久时间为31h，延 伸率为4％。

而将高温合金锻件的固溶热处理温度控制920-960℃的范围内时，处理后锻件的平 均晶粒尺寸达到了11.2μm以下；拉伸强度达到了1296MPa以上，屈服强度达到了1069MPa以上，拉伸率降低至19％以下，断面收缩率降低至42％以下；但在650℃ /690MPa的测试条件下的持久时间延长至48h以上，延伸率提高至13％以上。由上述可 知，通过降低超大尺寸轮盘锻件用GH4706高温合金的固溶热处理温度，可在保证晶内 强化相析出的同时，促进了晶界强化相的形成，晶界强化相能够起到阻碍晶界扩展的作 用，从而实现对晶粒的细化，并能够使得处理后的锻件具有更优的拉伸性能和持久性能。

通过对比实施例3、实施例6-7的检测结果，当高温合金锻件的固溶热处理的保温时间为4h时，处理后锻件的平均晶粒尺寸为68.65μm，拉伸强度为1288MPa，屈服强 度为992MPa，拉伸率为23％，断面收缩率为47％；且在650℃/690MPa的测试条件下 的持久时间为39h，延伸率为5％。当高温合金锻件的固溶热处理的保温时间为8h时， 处理后锻件的平均晶粒尺寸为117.1μm，拉伸强度为1278MPa，屈服强度为1005MPa， 拉伸率为23％，断面收缩率为41％；且在650℃/690MPa的测试条件下的持久时间为32h， 延伸率为6％。而将高温合金锻件的固溶热处理保温时间为2h时，处理后锻件的平均晶 粒尺寸、拉伸强度、屈服强度、拉伸率、断面收缩率以及在650℃/690MPa的测试条件 下的持久时间、延伸率均优于当高温合金锻件的固溶热处理保温时间为4h和8h时的检 测数据。由上述可知，合理控制超大尺寸轮盘锻件用GH4706高温合金的固溶热处理的 保温时间，能够实现晶粒的细化，并提高处理后锻件的拉伸性能和持久性能。

通过对比实施例3、实施例8-9的检测结果，固溶热处理的冷却方式能够影响处理后锻件的平均晶粒尺寸以及拉伸性能和持久性能。当高温合金锻件的固溶热处理的冷却方式为炉冷，冷却速度控制在2-5℃/min时，处理后锻件的平均晶粒尺寸为11.2μm，拉 伸强度为1296MPa，屈服强度为1069MPa，拉伸率为19％，断面收缩率为42％；且在 650℃/690MPa的测试条件下的持久时间为48h，延伸率为13％。当高温合金锻件的固 溶热处理的冷却方式为空冷(冷却速度为10℃/min)、水冷(冷却速度为53℃/min)时， 处理后锻件的平均晶粒尺寸、拉伸强度、屈服强度、拉伸率、断面收缩率以及在650℃ /690MPa的测试条件下的持久时间和延伸率均比冷却方式为炉冷时差。由上述可知，通 过降低固溶后的冷却速度，为晶界强化相的析出提供充足时间，使得在随后的双级时效 处理中析出的第二相发生长大，形成大尺寸的晶界强化相，从而进一步提高轮盘锻件的 拉伸强度和持久性能。

实施例10-13

实施例10-13分别提供了一种改善GH4706合金性能的热处理工艺。实施例10-13与实施例3的区别之处在于双级时效的处理时间，具体如表7所示。

表7实施例3、实施例10-13提供的热处理工艺中的参数

性能检测试验二

以利用实施例3、10-13的热处理工艺处理后的产品为检测对象，分别检测各自室温拉伸性能、650℃/690MPa条件下的持久性能以及冲击性能。

检测结果如下：

实施例10-13热处理后的锻件的室温拉伸性能如表8所示。

实施例10-13热处理后的锻件650℃/690MPa条件下的持久性能如表9所示。

实施例10-13热处理后的锻件的冲击性能如表10所示。

表8实施例3、10-13热处理后的锻件的室温拉伸性能

表9实施例3、实施例10-17热处理后的锻件650℃/690MPa条件下的持久性能

表10实施例3、实施例10-17热处理后的锻件的冲击性能

结合表8、表9和表10，通过对比实施例3、10-13的检测结果可知，本申请通过 控制双级时效处理的保温时间，能够提高超大尺寸GH4706高温合金轮盘锻件的拉伸强 度和持久性能，并且保证锻件具有较好的冲击韧性。

通过对比实施例3、10、11的检测结果可知，本申请将高温合金锻件的二级时效处理时间控制在8-36h的范围内。当高温合金锻件的二级时效处理时间为18h时，处理后 锻件的拉伸强度、屈服强度以及在650℃/690MPa的测试条件下的持久时间均优于当高 温合金锻件的二级时效处理时间为8h、36h时的拉伸强度、屈服强度以及在650℃ /690MPa的测试条件下的持久时间；而随着高温合金锻件的二级时效处理时间的增加， 处理后锻件在拉伸率以及在650℃/690MPa的测试条件下的延伸率方面表现出越来越好 的趋势。然而，随着高温合金锻件的二级时效处理时间的增加，处理后锻件的冲击韧性 则越来越低。因此，选择将高温合金锻件的二级时效处理时间控制在18h，在保证处理 后锻件冲击韧性的前提下，进一步提高了处理后锻件的拉伸强度、屈服强度以及在650℃ /690MPa的测试条件下的持久时间，从而进一步提高了处理后锻件的拉伸性能和持久性 能。

通过对比实施例10、12、13的检测结果可知，本申请将高温合金锻件的一级时效处理时间控制在8-18h的范围内。当高温合金锻件的一级时效处理时间为12h时，处理 后锻件的拉伸强度、在650℃/690MPa试验条件下的持久时间均优于当高温合金锻件的 一级时效处理时间为8h时的拉伸强度、在650℃/690MPa的测试条件下的持久时间， 并与一级时效处理时间为18h的拉伸强度及持久时间相当；而随着高温合金锻件的一级 时效处理时间的增加，热处理后锻件的屈服强度、拉伸率、断面收缩率方面表现出逐渐 降低的趋势。并且，随着高温合金锻件的一级时效处理时间的增加，处理后锻件的冲击 韧性越来越差。因此，选择将高温合金锻件的一级时效处理时间控制在12h，在保证处 理后锻件韧性的前提下，更进一步提高了处理后锻件的拉伸强度以及在650℃/690MPa 的测试条件下的持久时间，从而进一步提高了热处理后锻件的服役性能。

综上所述，本申请将GH4706高温合金锻件的一级时效处理时间控制在8-18h，二级时效处理时间控制在8-36h的范围内，使得高温合金锻件具有较好冲击韧性的同时， 还能够进一步提高高温合金锻件的拉伸强度和持久性能。

本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员 在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本 申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (8)

1.一种改善GH4706合金性能的热处理工艺，其特征在于，具体包括以下步骤：将高温合金锻件进行固溶热处理，出炉冷却；双级时效处理；

其中，所述固溶热处理中，固溶热处理温度为在GH4706高温合金晶内强化相析出温度的基础上升高10-30℃，低于晶界强化相完全溶解温度；固溶热处理的保温时间为GH4706高温合金锻件整体达到固溶热处理温度起1h以上；所述出炉冷却中，冷却速度为2-5℃/min。

2.根据权利要求1所述的改善GH4706合金性能的热处理工艺，其特征在于，所述固溶热处理温度为920-960℃。

3.根据权利要求1所述的改善GH4706合金性能的热处理工艺，其特征在于，所述固溶热处理中，固溶热处理的保温时间为2-8h。

4.根据权利要求1所述的改善GH4706合金性能的热处理工艺，其特征在于，所述冷却方式为慢冷。

5.根据权利要求1所述的改善GH4706合金性能的热处理工艺，其特征在于，所述冷却速度为3-4℃/min。

6.根据权利要求1所述的改善GH4706合金性能的热处理工艺，其特征在于，所述双级时效处理中，一级时效处理的处理温度为720-740℃，处理时间为8-18h。

7.根据权利要求1所述的改善GH4706合金性能的热处理工艺，其特征在于，所述双级时效处理中，二级时效处理的处理温度为610-630℃，处理时间为8-36h。

8.利用权利要求1-7中任一项所述的热处理工艺制备的GH4706高温合金超大尺寸轮盘锻件。

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