CN115110013A

CN115110013A - 一种改善高温合金锻材全截面晶粒度均匀性的固溶处理方法

Info

Publication number: CN115110013A
Application number: CN202210667268.5A
Authority: CN
Inventors: 牛建科; 王立; 张宏; 周立新; 王文革; 雷应华; 谢伟; 张永强
Original assignee: Daye Special Steel Co Ltd
Current assignee: Daye Special Steel Co Ltd
Priority date: 2022-06-13
Filing date: 2022-06-13
Publication date: 2022-09-27
Anticipated expiration: 2042-06-13
Also published as: CN115110013B

Abstract

本申请涉及一种高温合金锻材全截面晶粒度均匀的固溶处理方法，属于金属材料热处理技术领域。该高温合金锻材全截面晶粒度均匀的固溶处理方法，包括第一保温阶段和第二保温阶段，第一保温阶段的保温温度低于第二保温阶段的保温温度。采用本申请提供的方法制备的高温合金可以兼顾高温合金锻材表面和心部的组织和晶粒度，在保证固溶效果的同时，兼顾表面和心部的晶粒度，获得截面上均匀的晶粒分布，避免出现内外晶粒不均匀。

Description

一种改善高温合金锻材全截面晶粒度均匀性的固溶处理方法

技术领域

本发明属于金属材料热处理技术领域，具体涉及一种改善高温合金锻材全截面晶粒度均匀性的固溶处理方法。

背景技术

高温合金是能在600℃以上的高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料，具有较高的高温强度，良好的抗氧化和抗腐蚀性能，良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能。高温合金为单一奥氏体组织，在各种温度下具有良好的组织稳定性和使用可靠性。基于上述性能特点，高温合金广泛应用于航空、航天、石油、化工、舰船等。

气阀用高温合金主要应用于生产发动机气阀，对固溶处理后的晶粒度有一定的要求，以保证使用性能。

采用现有的固溶处理方法，容易出现表面和心部晶粒度差别较大，晶粒不均匀的问题。

发明内容

针对上述问题，本申请的目的在于提供一种高温合金锻材全截面晶粒度均匀的固溶处理方法。

采用本申请提供的固溶处理方法，可以兼顾高温合金锻材表面和心部的组织和晶粒度，避免出现内外晶粒不均匀。

为实现上述目的，本申请采用以下技术方案：

一种高温合金锻材全截面晶粒度均匀的固溶处理方法，所述固溶处理方法包括：

第一保温阶段：将所述高温合金在第一保温温度保温；

第二保温阶段：将经过所述第一保温阶段处理的所述高温合金在第二保温温度保温，其中，所述第一保温温度低于所述第二保温温度；

冷却阶段：将经过所述第二保温阶段处理的所述高温合金出炉水冷。

通过将固溶保温处理分为两个阶段进行，第一阶段使表面和心部达到去应力的目的，以免材料在后序加工过程中出现弯曲。通过控制保温时间，使材料心部达到工艺温度，确保去应力效果。同时，使心部晶粒尺寸不发生明显变化。然后，通过控制第二阶段的保温温度和保温时间，使表面和近表面组织发生完全再结晶，同时近表面和表面晶粒适度长大，在保证固溶效果的同时，兼顾表面和心部的晶粒度，获得截面上均匀的晶粒分布。

将第一保温温度设置为低于第二保温温度，确保在第一温度下心部晶粒度不发生明显变化，同时达到高温合金的固溶效果。

在一些实施方案中，所述第一保温温度的保温时间大于所述第二保温温度的保温时间。

将第一保温温度的保温时间设置为大于所述第二保温温度的保温时间，确保第二保温温度下，高温合金的表面和近表面充分再结晶以及晶粒适当长大，同时不影响心部晶粒度，从而心部晶粒不发生明显变化。

在一些实施方案中，在进行第一保温阶段前，所述高温合金≤600℃入炉，升温至所述第一保温温度。

在一些实施方案中，所述高温合金为镍基高温合金，优选为Nimonic80A。

在一些实施方案中，所述高温合金的成分以质量百分比计包括：C：0.04-0.10％，Si：≤1.0％，Mn：≤1.0％，P：≤0.020％，S：≤0.015％，Cr：18.0-21.0％，Fe：≤3.0％，Ti：1.8-2.7％，Al：1.0-1.8％，Co：≤2.0％，Cu：≤0.2％，B：≤0.008％，Ni≥65％。

在一些实施方案中，所述高温合金的尺寸为Φ100mm-Φ250mm(比如110mm、130mm、150mm、170mm、190mm、210mm、230mm、240mm)。

采用本申请的固溶处理方法进行固溶处理的高温合金为锻态合金，固溶处理后的高温合金的全截面晶粒度在5级以上。解决了现有固溶处理方法不能使Nimonic80A合金锻材在固溶处理后全截面晶粒度均细于5级的问题。

在一些实施方案中，所述第一保温温度为980-1000℃(比如985℃、900℃、995℃)。

在一些实施方案中，所述第一保温阶段的保温时间为60-150分钟(比如65min、75min、85min、95min、105min、115min、125min、130min、140min、145min)。

将第一保温温度和保温时间进行控制，以确保均热效果，使心部达到固溶效果且晶粒不明显长大。

在一些实施方案中，所述第二保温温度为1010-1080℃(比如1015℃、1025℃、1035℃、1045℃、1055℃、1065℃、1075℃)。

在一些实施方案中，所述第二保温阶段的保温时间为15-60分钟(比如20min、25min、35min、45min、55min)。

将第二保温温度和保温时间进行控制，保温温度高，合金表面或近表面温度升高快，能使边缘未再结晶组织发生完全再结晶，同时因保温时间短对合金心部温度提升影响小，确保心部晶粒不明显长大。

在一些实施方案中，所述出炉冷却的冷却方式为水冷，所述水冷的冷却速度10-25℃/分钟(比如12℃/分钟、18℃/分钟、24℃/分钟)，冷却至室温，出水。

本申请还提供一种由上述固溶处理方法制备的高温合金。

在一些实施方案中，经上述固溶处理方法处理获得的所述高温合金的晶粒度为5.5-6.5级。

上述高温合金作为高温合金气阀钢，可应用于生产发动机气阀。

与现有技术相比，本申请的有益效果是：

1)通过两段式固溶处理，在较低温度保温适当时间，保证表面和心部达到固溶效果，但心部晶粒度不发生明显长大，然后在较高温度保温适当时间，确保近表面组织发生完全再结晶，同时近表面和表面晶粒适当长大，而心部晶粒不发生明显变化，可减小近表面与心部晶粒度级差，使全截面晶粒度均匀。

2)解决了一段式固溶处理存在的高固溶温度下心部晶粒度长大，低固溶温度下边缘晶粒度不能发生完全再结晶，不能同时兼顾部件表面和心部晶粒度，截面晶粒度不均匀的问题，获得了晶粒度适中且均匀的高温合金材料，使材料的综合性能均衡，提高材料使用寿命。

3)通过本申请的技术方案处理的高温合金，材料全截面的晶粒度可达到5.5-6.5级。

4)本申请制备的高温合金材料使用温度750℃，得到的晶粒度适中、均匀，使材料获得了良好的高温综合性能，材料的强度和塑性配合良好，可提高材料在的高温下使用寿命。

5)本申请制备的高温合金材料可用于发动机气阀，均匀的晶粒度使该材料生产的气阀具有良好的高温综合性能，确保发动机长期安全运行。

附图说明

图1为本申请实施例1制备的高温合金的表面微观组织形貌示意图。

图2为本申请实施例1制备的高温合金的心部微观组织形貌示意图。

图3为采用一段式固溶处理制备的对比例1高温合金的表面微观组织形貌示意图。

图4为采用一段式固溶处理制备的对比例2高温合金的心部晶例形貌示意图。

具体实施方式

以下实施例对本申请的内容做进一步的详细说明，本申请的保护范围包含但不限于下述各实施例。以下实施例仅用于对本申请技术方案的优点和效果进行说明，不构成对本申请保护范围的限制。本领域技术人员基于本申请所做出的等同替换都属于本申请保护范围。

实施例1

本实施例中用于固溶处理的高温合金的化学成分见表1，为锻后状态，合金是直径为115mm的棒材，晶粒度为心部晶粒度5.5级，边缘部位为未再结晶组织。

表1 Nimonic80A合金化学成分(wt％)

C	Si	Mn	P	S	Cr	Fe	Ti	Al	Co	Cu	B	Ni
													0.054	0.03	0.01	0.004	0.0009	20.03	0.23	2.50	1.63	0.01	0.01	0.004	75

高温合金的固溶处理方法如下：

1)固溶处理第一保温阶段550℃入炉，炉温升至990±10℃保温90min。

2)固溶处理第二保温阶段：将第一保温阶段处理后的高温合金随炉升温至1020±10℃保温25min。

3)冷却：将第二保温阶段处理后的高温合金出炉，进行水冷，水冷速度15-25℃/分钟，冷却至室温，出水。

图1为表面的晶粒度示意图，表面晶粒度6.5级，图2为心部的晶粒度示意图，心部晶粒度5.5级，晶粒尺寸在整个截面上比较均匀且细于5级。

实施例2

本实施例固溶处理的棒材为锻后状态，直径为250mm的棒材，晶粒度为心部晶粒度5.5级，边缘部位为未再结晶组织。棒材成分同表1。

高温合金的固溶处理方法如下：

1)固溶处理第一保温阶段550℃入炉，炉温升至990℃保温150min。

2)固溶处理第二保温阶段：将第一保温阶段处理后的高温合金随炉升温至1030℃保温55min。

3)冷却：将第二保温阶段处理后的高温合金出炉，进行水冷，水冷速度10-20℃/分钟，冷却至室温，出水。

本实施例固溶处理后的棒材，心部晶粒度5.5级，晶粒尺寸在整个截面上比较均匀且细于5级。

对比例1：

未进行实施例1中的固溶处理第二保温阶段，且本对比例的第一保温阶段的保温时间为160分钟，出炉水冷到室温，其余工艺和棒材尺寸、成分同实施例1。取样检验边缘部位晶粒度依然没有发生再结晶。

图3为对比例1表面的晶例形貌示意图，表面未进行再结晶，仍为锻后拉长的晶粒组织。

对比例2：

未进行实施例1的固溶处理第一阶段保温处理，且本对比例的固溶处理第二阶段保温时间100分钟，出炉水冷到室温，其余工艺和棒材尺寸、成分同实施例1。取样检验心部晶粒度，结果心部晶粒度长大到4级，不合格。

图4为对比例2心部的晶例形貌示意图，心部晶粒粗大，晶粒明显长大，晶粒度4级，不满足要求。

对比例3：

固溶处理第二保温阶段的保温时间120min；其余工艺和棒材尺寸、成分同实施例1。

当第二保温阶段的保温时间过长时，材料心部晶粒度会长大，心部晶粒度4级，导致晶粒度不合格。

对比例4：

固溶处理第二保温阶段的保温温度1100℃，其余工艺和棒材尺寸、成分同实施例1。

当第二保温阶段的保温温度过高时，材料边缘和近表面未再结晶组织先发生再结晶，然后再结晶晶粒长大。心部晶粒直接长大，最终使全截面晶粒度达3级，不合格。

Claims

1.一种高温合金锻材全截面晶粒度均匀的固溶处理方法，其特征在于，所述固溶处理方法包括：

第一保温阶段：将所述高温合金在第一保温温度保温；

第二保温阶段：将经过所述第一保温阶段处理的所述高温合金在第二保温温度保温，所述第一保温温度低于所述第二保温温度；

2.如权利要求1所述的固溶处理方法，其特征在于，所述第一保温温度的保温时间大于所述第二保温温度的保温时间；以及

在进行第一保温阶段前，所述高温合金≤600℃入炉，升温至所述第一保温温度。

3.如权利要求2所述的固溶处理方法，其特征在于，所述高温合金为镍基高温合金，优选为Nimonic80A。

4.如权利要求1-3任一项所述的固溶处理方法，其特征在于，所述高温合金的成分以质量百分比计包括：C：0.04-0.10％，Si：≤1.0％，Mn：≤1.0％，P：≤0.020％，S：≤0.015％，Cr：18.0-21.0％，Fe：≤3.0％，Ti：1.8-2.7％，Al：1.0-1.8％，Co：≤2.0％，Cu：≤0.2％，B：≤0.008％，Ni≥65％。

5.如权利要求4所述的固溶处理方法，其特征在于，所述高温合金的尺寸为Φ100mm-Φ250mm。

6.如权利要求5所述的固溶处理方法，其特征在于，所述第一保温温度为980-1000℃。

7.如权利要求6所述的固溶处理方法，其特征在于，所述第一保温阶段的保温时间为60-150分钟。

8.如权利要求6或7所述的固溶处理方法，其特征在于，所述第二保温温度为1010-1080℃，所述第二保温阶段的保温时间为15-60分钟。

9.如权利要求7所述的固溶处理方法，其特征在于，所述出炉冷却的冷却方式为水冷，所述水冷的冷却速度10-25℃/分钟，冷却至室温，出水。

10.由权利要求1-9任一项的固溶处理方法制备的高温合金，所述高温合金的晶粒度为5.5-6.5级。