CN115011825A - 一种0Cr20Ni55Mo3Nb5Ti镍基合金成型方法 - Google Patents
一种0Cr20Ni55Mo3Nb5Ti镍基合金成型方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种0Cr20Ni55Mo3Nb5Ti镍基合金成型方法，包括步骤：步骤S1，熔炼；步骤S2，熔融态的合金加热1580~1730℃内保温，冷却1410~1630℃内；步骤S3，坯料铸造成型：得到铸件；步骤S4，固溶强化，包括以下工步：第一阶段：加热990~996℃保温；第二阶段：铸件加热1002~1007℃保温；第三阶段：加热1010~1013℃保温；第四阶段：加热1015~1019℃保温；步骤S5，时效强化，包括以下工步：第一阶段时效强化：加热到717~738℃保温；第二阶段时效强化：加热677~692℃保温，冷却到室温，本发明优点是促进晶粒细化，提高合金的高温拉伸和蠕变性能。
Description
技术领域
本发明涉及镍基合金制造领域，尤其涉及一种0Cr20Ni55Mo3Nb5Ti镍基合金成型方法。
背景技术
0Cr20Ni55Mo3Nb5Ti镍基合金属于北美标号718型镍基超级合金类，属于镍基沉淀强化型变形合金，该类合金在高温状态时具有较高强度、良好的韧性以及在高低温环境中均具有很好的耐腐蚀性等优良特性，因此该类合金广泛应用在航空航天设备制造领域，石油化工设备制造，核能设备制造等高精尖工业领域，用于制造航空发动机的轮轴、叶片、高强度螺栓等紧固件和设备机匣等。
随着科学技术发展和合金应用领域的不断扩大，对于这种高性能合金的用量也不断扩大，由于高精尖设备所处工作环境越来越严苛，也就意味着要求该类合金制品具有更好的力学性能、更高的组织外稳定性、更佳的高温性能。但是由于合金本身具有较高的温度敏感度，容易在冶金的过程出现缺陷，导致合金的成品率有限。国内外的学者和企业主要在该种合金的成分优化以及相关工艺做相应的研究。
目前该种合金主要以固溶强化作为主要强化手段的铸造与锻造工艺为主，但是目前存在以下问题：
1、传统工艺选择在940~980℃的温度范围中进行固溶强化，导致析出过量的δ相，δ相自身体积大，影响组织晶粒细化，还因为δ相占用大量的Nb元素，导致其他强化相的析出，影响沉淀强化效果。
2、在高温的工作环境下，合金组织的晶界处往往容易滑动变形，当滑动变形积累到一定程度，就会诱发出现裂痕，并且由于δ相容易富集在晶界处，容易在晶界处发生孔洞，也会加剧裂痕的扩大。
发明内容
针对上述现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种0Cr20Ni55Mo3Nb5Ti镍基合金成型方法，其优点在于解决在传统工艺处理出现的缺陷，提高晶粒的均一性，并且优化合金的组分，减少因Ni等基体元素发生富集现象，更加充分地促进晶粒细化，提高合金的高温拉伸和蠕变性能，满足更加严苛的服役环境要求。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
步骤S1，熔炼：将各元素原料加入到真空感应炉中进行熔炼，得熔融态的合金；
步骤S2，坯料初步均匀化处理：将熔融态的合金加热到1580~1730℃内保温，之后熔融态的合金冷却到1410~1630℃内保温；
步骤S3，坯料铸造成型：将熔融态的合金注入到模具中，冷却得到铸件；
步骤S4，铸件固溶强化，包括以下工步：
（1）第一阶段固溶：铸件加热到990~996℃并保温，之后铸件冷却处理；
（2）第二阶段固溶：铸件加热到1002~1007℃并保温，之后铸件冷却处理；
（3）第三阶段固溶：铸件加热到1010~1013℃并保温，之后铸件冷却处理；
（4）第四阶段固溶：铸件加热到1015~1019℃并保温，之后铸件冷却处理；
步骤S5，铸件时效强化，包括以下工步：
（1）第一阶段时效强化：固溶处理之后的铸件入炉加热到717~738℃并且保温，之后铸件炉内冷却到入炉温度；
（2）第二阶段时效强化：铸件加热到677~692℃并且保温，之后铸件出炉冷却到室温。
进一步的，在步骤S1中，合金包括按质量百分数计数元素成分：Cr：16.3~20.5%；Ni：49.8~56.4%；Mo：2.7~3.3%；Nb：4.7~5.36%；Al：0.2~0.65%；Ti：0.6~1.2%；Cu≤0.1%；Co≤0.1%；C≤0.05%；Si≤0.25%；Mn≤0.25%，余量为Fe。
进一步的，在步骤S2中，坯料在1580~1730℃阶段的保温时间范围是6~10h，坯料在1410~1630℃阶段的保温时间范围是8~9h。
进一步的，在步骤S3中，在步骤S3中，模具预热温度为1160~1200℃，模具型壳与铸件之间导热系数为900W/（m*K）。
进一步的，在步骤S4的第一阶段固溶中，保温时间为1~1.5h，铸件通过风冷方式冷却到625~635℃，冷却时间控制在6~8h。
进一步的，在步骤S4的第二阶段固溶中，保温时间为1~1.5h，铸件通过风冷方式冷却到625~635℃，冷却时间控制在6~8h。
进一步的，在步骤S4的第三阶段固溶中，保温时间为1~1.5h，铸件通过风冷方式冷却到625~635℃，冷却时间控制在6~8h。
进一步的，在步骤S4的第四阶段固溶中，保温时间为1~1.5h，铸件通过风冷方式冷却到625~635℃，冷却时间控制在6~8h。
进一步的，在步骤S5的第一阶段时效强化阶段，保温时间为7.5~8.5h，炉内冷却时间控制在8~9.5h。
进一步的，在步骤S5的第二阶段时效强化阶段，保温时间为6~8h，铸件采用水冷的方式冷却到室温，冷却水温度控制在18~26℃。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1.通过多阶段固溶强化手段大量消除δ相，在第一固溶阶段和第二固溶阶段中δ相逐步析出，此时δ相与合金开始固溶的原始阶段相比，δ相增多，在第三固溶阶段，富集在晶界上δ相发生回溶，在第四固溶阶段，驱使δ相大量回溶，由于δ相含量的逐渐减少，晶界滑移过程中产生裂纹的概率下降，在裂纹处的纤维区减小，提高晶体组织的蠕变持久性，同时避免δ相引起的晶体组织强度下降，导致使用寿命缩短；并且少量的δ相钉扎在晶界处，可以起到抑制晶粒长大的作用，有利于晶粒细化，综合起到合金的强化作用。
2. 通过两阶段时效强化，促进强化相γ″相和γ＇相在枝晶组织中析出，从而提高合金的韧性和强度，并且由于在之前固溶过程中大量δ相回溶，释放出δ相占用的Nb元素，Nb元素是强化相γ″相和γ＇相析出的必要元素，有力更多的强化相γ″相和γ＇相析出，γ″相和γ＇相与Ni结合形成γ-Ni3组织，发生沉淀强化的效果，进而提高合金的强化效果。
3.最后一阶段时效强化选择水冷方式，与风冷方式相比，冷却速度更快，有利于时效强化析出的γ″相和γ＇相更多保留在合金的室温组织中，保证时效强化效果。
4.通过严格控制模具预热时间以及熔融态的合金的注入温度，减少模具与熔融态的合金之间的温度梯度，保证熔融态的合金的流动性，有利于熔融态的合金充分填满模具的型腔，并且在熔融态的合金冷却定型的过程中，不可避免会出现缩松现象，而流动性好的熔融态的合金可以及时填补铸件缩松处，提高铸件的致密度。
5.合理设计合金元素组分配比，由于主要元素中Fe、Cr、Al是负偏析元素，Nb、Ti、Mo是正偏析元素，Nb、Ti、Mo的原子半径大于Ni的原子半径，γ固溶体对大于Ni的原子半径的原子都有排斥作用，会导致γ相基体溶解度小，引起枝晶间偏析，所以提高Al/Ti比值，减少枝晶间偏析； Al和Ti是γ相主要强化元素，其中越70~90%的Al和Ti熔入到γ＇相中，提高Al/Ti比值增加，γ＇相的含量增加，γ″相的含量减少，由于γ＇相的共格效应低于γ″相，导致γ″相在高温的环境下容易出现不稳定的情况，引起晶粒聚集长大，降低合金组织的稳定性，所以提高Al/Ti比值增加γ＇相，提高合金的高温性能；提高Nb含量，并且严格控制杂质元素含量，有利于在强化处理的过程中，提高强化相γ″相和γ＇相析出量。
附图说明
图1是0Cr20Ni55Mo3Nb5Ti镍基合金成型方法的步骤示意图。
图2是实施例1的金相检测图。
图3是实施例2的金相检测图。
图4是实施例3的金相检测图。
图5是实施例1~3的检测结果表。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的装置作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。
实施例1：
一种0Cr20Ni55Mo3Nb5Ti镍基合金成型方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤S1，熔炼：将各元素原料加入到真空感应炉中进行熔炼，得熔融态的合金。熔炼原料为硅铁锭，各稀有金属锭，其纯度要求为99.5%。
其中合金包括按质量百分数计数元素成分：Cr：16.3%；Ni：49.8%；Mo：2.7%；Nb：4.7%；Al：0.2%；Ti：0.6%；Cu：0.1%；Co：0.1%；C：0.05%；Si：0.25%；Mn：0.25%，余量为Fe。
步骤S2，坯料初步均匀化处理：将熔融态的合金加热到1600℃内保温，保温时间为7h，之后熔融态的合金冷却到1450℃内保温，保温8h。
步骤S3，坯料铸造成型：将熔融态的合金注入到模具中，控制模具预热温度为1160℃，模具型壳与铸件之间导热系数为900W/（m*K），得到铸件。
步骤S4，铸件固溶强化，包括以下工步：
（1）第一阶段固溶：铸件加热到992℃并保温，保温时间为1h，之后铸件冷却处理，铸件通过风冷方式冷却到625℃，冷却时间控制在6h；
（2）第二阶段固溶：铸件加热到1003℃并保温，保温时间为1h，之后铸件冷却处理，铸件通过风冷方式冷却到625℃，冷却时间控制在6h；
（3）第三阶段固溶：铸件加热到1010℃并保温，保温时间为1h，之后铸件冷却处理，铸件通过风冷方式冷却到625℃，冷却时间控制在6h；
（4）第四阶段固溶：铸件加热到1015℃并保温，保温时间为1h，之后铸件冷却处理，铸件通过风冷方式冷却到625℃，冷却时间控制在6h。
步骤S5，铸件时效强化，包括以下工步：
（1）第一阶段时效强化：固溶处理之后的铸件入炉加热到717℃并且保温，入炉控制在620℃以上，保温时间为8h，之后铸件炉内冷却到入炉温度，炉内冷却时间控制在8h。
（2）第二阶段时效强化：铸件加热到677℃并且保温，保温时间为6h，之后铸件出炉水冷到室温，冷却水温度控制在18~26℃。得到合金产品。
步骤S6，机加工：将合金产品通过机械切削的方式加工到设计尺寸。
实施例2：
与实施例1不同的步骤，如下：
合金包括按质量百分数计数元素成分：Cr：17.5%；Ni：52.7%；Mo：3.0%；Nb：5.0%；Al：0.44%；Ti：0.9%；Cu：0.1%；Co：0.1%；C：0.05%；Si：0.25%；Mn：0.25%，余量为Fe。
步骤S2，坯料初步均匀化处理：将熔融态的合金加热到1650℃内保温，保温时间为8h，之后熔融态的合金冷却到1520℃内保温，保温8h。考虑到各种金属原料的熔点不同，并且融化后流动性也具有差异，所以采用两阶段加热熔炼方式，保证金属原料熔化，给予足够的保温时间，保证金属原料充分混合。
步骤S3，坯料铸造成型：将熔融态的合金注入到模具中，控制模具预热温度为1180℃，模具型壳与铸件之间导热系数为900W/（m*K），得到铸件。
步骤S4，铸件固溶强化，包括以下工步：
（1）第一阶段固溶：铸件加热到994℃并保温，保温时间为1h，之后铸件冷却处理，铸件通过风冷方式冷却到631℃，冷却时间控制在7h；
（2）第二阶段固溶：铸件加热到1005℃并保温，保温时间为1h，之后铸件冷却处理，铸件通过风冷方式冷却到631℃，冷却时间控制在7h；
（3）第三阶段固溶：铸件加热到1011℃并保温，保温时间为1h，之后铸件冷却处理，铸件通过风冷方式冷却到631℃，冷却时间控制在7h；
（4）第四阶段固溶：铸件加热到1017℃并保温，保温时间为1h，之后铸件冷却处理，铸件通过风冷方式冷却到631℃，冷却时间控制在7h。
步骤S5，铸件时效强化，包括以下工步：
（1）第一阶段时效强化：固溶处理之后的铸件入炉加热到725℃并且保温，入炉控制在625℃以上，保温时间为8.5h，之后铸件炉内冷却到入炉温度，炉内冷却时间控制在8h。
（2）第二阶段时效强化：铸件加热到683℃并且保温，保温时间为7h，之后铸件出炉水冷到室温，冷却水温度控制在18~26℃。得到合金产品。
步骤S6，机加工：将合金产品通过机械切削的方式加工到设计尺寸。
实施例3：
与实施例1不同的步骤，如下：
合金包括按质量百分数计数元素成分：Cr： 20.5%；Ni： 56.4%；Mo： 3.3%；Nb：5.36%；Al： 0.65%；Ti： 1.2%；Cu：0.1%；Co：0.1%；C：0.03%；Si：0.22%；Mn：0.23%，余量为Fe。
步骤S2，坯料初步均匀化处理：将熔融态的合金加热到1700℃内保温，保温时间为10h，之后熔融态的合金冷却到1600℃内保温，保温9h。
步骤S3，坯料铸造成型：将熔融态的合金注入到模具中，控制模具预热温度为1200℃，模具型壳与铸件之间导热系数为900W/（m*K），得到铸件。
步骤S4，铸件固溶强化，包括以下工步：
（1）第一阶段固溶：铸件加热到995℃并保温，保温时间为1.5h，之后铸件冷却处理，铸件通过风冷方式冷却到635℃，冷却时间控制在8h；
（2）第二阶段固溶：铸件加热到1006℃并保温，保温时间为1.5h，之后铸件冷却处理，铸件通过风冷方式冷却到635℃，冷却时间控制在8h；
（3）第三阶段固溶：铸件加热到1013℃并保温，保温时间为1.5h，之后铸件冷却处理，铸件通过风冷方式冷却到635℃，冷却时间控制在8h；
（4）第四阶段固溶：铸件加热到1019℃并保温，保温时间为1.5h，之后铸件冷却处理，铸件通过风冷方式冷却到631℃，冷却时间控制在8h。
步骤S5，铸件时效强化，包括以下工步：
（1）第一阶段时效强化：固溶处理之后的铸件入炉加热到735℃并且保温，入炉控制在630℃以上，保温时间为8.5h，之后铸件炉内冷却到入炉温度，炉内冷却时间控制在8h。
（2）第二阶段时效强化：铸件加热到690℃并且保温，保温时间为7h，之后铸件出炉水冷到室温，冷却水温度控制在18~26℃。得到合金产品。
步骤S6，机加工：将合金产品通过机械切削的方式加工到设计尺寸。
铸件金相组织检测：
检测仪器：上海光学仪器厂产金相显微镜SG-51。
金相显微规格：100μm。
图2为实验组1的金相组织（a），晶粒度为9级, 金相组织细密并均匀，没有疏松和断裂等缺陷。
图3为实验组2的金相组织（b），晶粒度为10级, 金相组织细密并均匀，没有疏松和断裂等缺陷。
图4为实验组3的金相组织（c），晶粒度为10级, 金相组织细密并均匀，没有疏松和断裂等缺陷。
铸件综合力学检测：
实验标准：GB/T 228.1-2021。
试样尺寸：圆形棒料，长度1200mm，截面直径150mm。
检测设备：苏州谦通仪器设备有限公司产QT-612OS综合力学试验机。
屈服强度检测方法：对试样两端逐渐增加拉力，当应力超过弹性极限后，变形增加较快，此时除了产生弹性变形外，还产生部分塑性变形，塑性应急剧增加，曲线出现一个波动的小平台，这种现象称为屈服。这一阶段的最大、最小应力分别称为上屈服点和下屈服点。由于下屈服点的数值较为稳定，以下屈服点的数值为屈服强度。
抗拉强度检测方法：对试样两端逐渐增加拉力，当试样断裂时，记录设备显示的最大拉力强度。
伸长率检测方法：当试样断裂时，记录试样的总长度，将该长度和原始的试样长度相比，计算两者之间的变化差值，差值/原始的试样长度得到伸长率。
收缩率：计算原始试样的截面积备用，当试样断裂后，测量断口位置的尺寸，计算断口面积，计算两者之间的变化差值，得到断面收缩率。
持久性能：对试样两端施加恒定的拉力，之后等待试样断裂，记录花费的时间，之后观察断面情况记录。
检测组：从实施例1~3随机抽取样品。
实验室温度：恒温25℃。
检测结果：详情见图5。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种0Cr20Ni55Mo3Nb5Ti镍基合金成型方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，熔炼：将各元素原料加入到真空感应炉中进行熔炼，得熔融态的合金；
步骤S2，坯料初步均匀化处理：将熔融态的合金加热到1580~1730℃内保温，之后熔融态的合金冷却到1410~1630℃内保温；
步骤S3，坯料铸造成型：将熔融态的合金注入到模具中，冷却得到铸件；
步骤S4，铸件固溶强化，包括以下工步：
（1）第一阶段固溶：铸件加热到990~996℃并保温，之后铸件冷却处理；
（2）第二阶段固溶：铸件加热到1002~1007℃并保温，之后铸件冷却处理；
（3）第三阶段固溶：铸件加热到1010~1013℃并保温，之后铸件冷却处理；
（4）第四阶段固溶：铸件加热到1015~1019℃并保温，之后铸件冷却处理；
步骤S5，铸件时效强化，包括以下工步：
（1）第一阶段时效强化：固溶处理之后的铸件入炉加热到717~738℃并且保温，之后铸件炉内冷却到入炉温度；
（2）第二阶段时效强化：铸件加热到677~692℃并且保温，之后铸件出炉冷却到室温。
2.根据权利要求1所述的一种0Cr20Ni55Mo3Nb5Ti镍基合金成型方法，其特征在于：在步骤S1中，合金包括按质量百分数计数元素成分：Cr：16.3~20.5%；Ni：49.8~56.4%；Mo：2.7~3.3%；Nb：4.7~5.36%；Al：0.2~0.65%；Ti：0.6~1.2%；Cu≤0.1%；Co≤0.1%；C≤0.05%；Si≤0.25%；Mn≤0.25%，余量为Fe。
3.根据权利要求2所述的一种0Cr20Ni55Mo3Nb5Ti镍基合金成型方法，其特征在于：在步骤S2中，坯料在1580~1730℃阶段的保温时间范围是6~10h，坯料在1410~1630℃阶段的保温时间范围是8~9h。
4.根据权利要求3所述的一种0Cr20Ni55Mo3Nb5Ti镍基合金成型方法，其特征在于：在步骤S3中，模具预热温度为1160~1200℃，模具型壳与铸件之间导热系数为900W/（m*K）。
5.根据权利要求4所述的一种0Cr20Ni55Mo3Nb5Ti镍基合金成型方法，其特征在于：在步骤S4的第一阶段固溶中，保温时间为1~1.5h，铸件通过风冷方式冷却到625~635℃，冷却时间控制在6~8h。
6.根据权利要求5所述的一种0Cr20Ni55Mo3Nb5Ti镍基合金成型方法，其特征在于：在步骤S4的第二阶段固溶中，保温时间为1~1.5h，铸件通过风冷方式冷却到625~635℃，冷却时间控制在6~8h。
7.根据权利要求6所述的一种0Cr20Ni55Mo3Nb5Ti镍基合金成型方法，其特征在于：在步骤S4的第三阶段固溶中，保温时间为1~1.5h，铸件通过风冷方式冷却到625~635℃，冷却时间控制在6~8h。
8.根据权利要求7所述的一种0Cr20Ni55Mo3Nb5Ti镍基合金成型方法，其特征在于：在步骤S4的第四阶段固溶中，保温时间为1~1.5h，铸件通过风冷方式冷却到625~635℃，冷却时间控制在6~8h。
9.根据权利要求8所述的一种0Cr20Ni55Mo3Nb5Ti镍基合金成型方法，其特征在于：在步骤S5的第一阶段时效强化阶段，保温时间为7.5~8.5h，炉内冷却时间控制在8~9.5h。
10.根据权利要求9所述的一种0Cr20Ni55Mo3Nb5Ti镍基合金成型方法，其特征在于：在步骤S5的第二阶段时效强化阶段，保温时间为6~8h，铸件采用水冷的方式冷却到室温，冷却水温度控制在18~26℃。
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Denomination of invention: A Forming Method for 0Cr20Ni55Mo3Nb5Ti Nickel Base Alloy Granted publication date: 20221122 Pledgee: Bank of China Wuxi Binhu sub branch Pledgor: Wuxi Kester Casting Co.,Ltd. Registration number: Y2024980006419 |