CN115613141A - 一种第二代镍基单晶高温合金的连续升温热处理工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种第二代镍基单晶高温合金的连续升温热处理工艺，通过在低温段采取多级阶梯式升温，高温段采取缓慢连续升温的方法，对工业传统热处理制度进行优化，并提高了峰值热处理温度，有效的减小了Re、W等难溶元素的偏析。同时，高温段的连续升温工艺可以有效避免因提高峰值热处理温度而导致的初熔现象，改善热处理组织，从而提高产品的力学性能和成品率。

Description

一种第二代镍基单晶高温合金的连续升温热处理工艺

技术领域

本发明属于第二代镍基单晶高温合金热处理技术领域，尤其涉及一种第二代镍基单晶高温合金的连续升温热处理工艺。

背景技术

高温合金是指以铁、镍、钴为基，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，具有良好的高温强度、蠕变抗力和组织稳定性。而单晶高温合金减少了晶界强化元素使用，其综合性能也有很大改进，并广泛应用于先进航空发动机和燃气轮机叶片上。第二代单晶高温合金由于加入了2-3 wt.%的Re元素，大幅提升了承温能力与高温蠕变性能。目前我国已经在第二代镍基单晶高温合金材料的研发上取得了重要进展。经由定向凝固技术获得的镍基单晶高温合金，其微观组织中通常存在着大量粗大的γ/γ′共晶，破坏了单晶的完整性，容易产生应力集中，影响合金的力学性能。此外，在枝晶干与枝晶间区域存在元素偏析，且主要强化相γ′相的尺寸和分布也非常不均匀，因此工业上通常采取多级固溶处理工艺以消除共晶、减小元素偏析，并采取多步时效处理工艺以调控γ′相立方度，改善合金的微观组织。

而随着镍基单晶高温合金的发展，合金内难熔元素含量不断提高，其添加元素种类多，比例大，尤其是第二代以后的单晶高温合金，伴随着Re的引入，增大了合金体系的不稳定性，显著提高合金中各元素的互扩散系数，加重了合金的元素偏析。偏析的增大使枝晶间容易发生初熔，同时在服役时更容易析出TCP相，危害合金的力学性能，而工业传统的热处理工艺难以满足当下日益增长的对组织性能的要求，亟需进行改进。

由于偏析的加剧会导致初熔现象的发生，极大缩小了热处理窗口。但难熔元素本身扩散系数高出其他元素几个数量级，均匀化过程需要的时间和温度大大增加。而传统二代单晶高温合金并的峰值热处理温度并不能达到此温度条件，并且长时间的固溶处理也会导致固溶微孔的增加。同时，Ta元素也被证实在第二代镍基单晶高温合金中具上坡扩散行为，不同的热处理工艺也会对γ′相形状、尺寸、比例、错配关系以及共晶相、以及基体通道宽度等产生影响，这些因素都大大增加了固溶处理的难度。因此，在镍基单晶高温合金领域，如何同时做到既能改善元素偏析情况，又能避免初熔现象的发生，优化热处理组织，亟需提出具体的解决方案。

经过对现有技术的文献检索发现：文献“S.R.Hegde, R.M.Kearsey等人在Materials Science and Engineering: A发表的” Designing homogenization–solutionheat treatments for single crystal superalloys”，首次发现相比于传统的台阶式升温固溶处理，在一定温度区间以较低升温速率进行连续升温固溶处理，可以降低初熔发生倾向，减少残余枝晶间析出，但文中并未对具体的温度区间和温度梯度进行讨论。

文献“Yanbin Zhang, Lin Liu等人在Journal of Alloys and Compounds发表的nvestigation on a ramp solution heat treatment for a third generation nickel-based single crystal superalloy”针对第三代以上的高Re镍基单晶高温合金进行了连续升温热处理，然而经发明者验证，这种直接进行连续升温的热处理方式并不适用于低Re含量的第二代镍基单晶高温合金。

公开号为CN 104561867 A的专利对相关合金原有工艺进行了优化，但只是简单提高了合金的原有固溶温度，其改善偏析与优化组织的效果有限。

公开号为CN 113528993 A的专利涉及了一种针对第三代镍基单晶高温合金的热处理方法，虽然有效的降低了难溶元素偏析水平，但合金中存在大量固溶孔洞，并且容易发生初熔。

发明内容

为了减少元素偏析，提高产品的服役性能，同时避免初熔的发生，改善合金的热处理组织，本发明提出了一种第二代镍基单晶高温合金的固溶处理方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

提供一种第二代镍基单晶高温合金的连续升温热处理工艺，包括：

将第二代镍基单晶高温合金试棒放置于热处理炉内；在所述热处理炉中，将所述第二代镍基单晶高温合金试棒从室温升高至1280℃，并保温60min；保温结束后升温至1290℃，并保温120min；保温结束后升温至1300℃，并保温180min；保温结束后升温至1305℃，并保温180min；保温结束后升温至1310℃，并以1℃/h的升温速率缓慢升温至1315℃，到温后开炉取出，将所述第二代镍基单晶高温合金试棒空冷至室温，得到经固溶处理的第二代镍基单晶高温合金试棒。

作为本发明的进一步说明，所述热处理工艺还包括：

将所述经过固溶处理后的第二代镍基单晶高温合金试棒放置于所述热处理炉内；在所述热处理炉中，将所述第二代镍基单晶高温合金试棒从室温升高至1140℃，并保温240min；保温结束后开炉取出，将所述第二代镍基单晶高温合金试棒空冷至室温，得到一次时效处理的第二代镍基单晶高温合金试棒。

作为本发明的进一步说明，所述热处理工艺还包括：

将经过所述一次时效处理后的第二代镍基单晶高温合金试棒放置于热处理炉内；在热处理炉中，将所述第二代镍基单晶高温合金试棒从室温升高至870℃，并保温960min；保温结束后开炉取出，将所述第二代镍基单晶高温合金试棒空冷至室温，得到二次时效处理的第二代镍基单晶高温合金试棒。

作为本发明的进一步说明，所述第二代镍基单晶高温合金的组成按重量百分比包括：Al：5.45%~5.75%；Co：9.3%-10.0%；Cr：6.2%-6.6%；Hf：0.07%-0.12%；Mo：0.5%-0.7%；Re：2.8%-3.2%；Ta：6.3%-6.7%；Ti：0.7%-1.2%；W：6.2%-6.6%。

作为本发明的进一步说明，所述热处理工艺在真空条件下进行，并通入惰性气体。

作为本发明的进一步说明，所述热处理工艺的升温速率为：在1000℃以下，升温速率为9-10℃/min，在1000℃以上，升温速率为2-3℃/min。

作为本发明的进一步说明，所述第二代镍基单晶高温合金试棒每次置于热处理炉内进行热处理前，需去除表面氧化皮。

本发明的目的是改进一种第二代镍基单晶高温合金热处理工艺，旨在进一步降低元素偏析水平，同时避免合金在固溶处理过程中发生初熔，优化产品微观组织，以提高产品的力学性能和成品率。

在本发明中，在1280℃-1305℃温度区间内，采取逐级保温工艺的目的在于，可以使合金内各元素发生初步的扩散，提升均匀化程度，从而逐级提高合金的初熔温度。

在本发明中，在1310℃-1315℃温度区间内，采取连续升温工艺的目的在于，减少合金在高温段发生初熔的倾向，进一步提升热处理窗口上限温度，从而大大减少元素偏析程度。

通过对比具有相同峰值温度和热处理时间的传统阶梯式升温的组织图3和使用本发明固溶处理后的组织图2可以看出，采用传统固溶处理后的图3出现大量初熔共晶，而采用本发明固溶处理的图2没有发生初熔。说明本发明的固溶处理方法能有效的避免初熔的发生。

通过对比具有相同峰值温度和热处理时间的连续式升温的组织图4和使用本发明固溶处理后的组织图2可以看出，采用连续式升温后的图4存在大量粗大球状共晶，且γ′相立方度较差，存在粗化合并与次生γ′相析出行为，而采用本发明固溶处理的图2没有发生上述现象。说明本发明所改进的方法可以有效改善合金的热处理组织，成功实现将连续升温思路应用于第二代镍基单晶高温合金中。

通过对比图5中本发明所述工艺与工业现有工艺下元素偏析系数可以看出，本发明所采取工艺对元素偏析的改善明显，普遍提高了合金中各元素的均匀化程度。

本发明采用一种不同于传统的多步固溶处理工艺中固溶处理温度逐步上升的工艺，而是在低温段低温段采取阶梯式升温，高温段采取连续式升温的热处理方式。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

（1）本发明将合金的热处理窗口上限温度由1300℃提升到了1315℃，使合金中各元素的扩散更加充分，大大降低了元素偏析程度，组织均匀化程度更好，合金的力学性能更加优异。

（2）本发明提供的工艺可有效避免初熔组织的产生，在固溶过程中可以有效促进具有粗大的γ′相与γ/γ′相与的溶解，时效后析出的γ′相细小均匀，立方度高，无定向粗化现象和次生γ′相析出，组织性能好。

（3）本发明的热处理方法易于操作和实现，在不改变成分的情况下，通过本发明获得的镍基单晶高温合金不仅元素偏析度低，同时热处理组织优异，具有优秀的综合性能和成品率，具有良好的应用前景。

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是本发明实施例所述第二代镍基单晶高温合金的热处理方法的示意图；

图2是本发明实施例所述第二代镍基单晶高温合金固溶处理后的微观组织示意图，其中（a）微观组织结构图，（b）γ′相组织结构图；

图3是与本发明对比的具有相同峰值温度和热处理时间的传统阶梯式升温的微观组织示意图，其中（a）微观组织结构图，（b）γ′相组织结构图，固溶制度为：1280℃/1h+1290℃/2h+1300℃/3h+1305℃/3h+1310℃/3h+1315℃/2h；

图4是与本发明对比的具有相同峰值温度和热处理时间的连续式升温的微观组织示意图，其中（a）微观组织结构图，（b）γ′相组织结构图，固溶制度为： 1280 ℃-5h-1300℃-6h-1310℃-5h-1315℃；

图5是本发明所述工艺与工业现有工艺下元素偏析系数分布图（枝晶干/枝晶间，wt%），其中工业传统工艺的固溶制度为：1280℃/1h+1290℃/2h+1300℃/6h。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

本发明为一种第二代镍基单晶高温合金的热处理方法，根据图所示讲述以下实施例：

实施例1

本实施例所采用的第二代镍基单晶高温合金为CMSX-4合金，经测试，其实际成分为Al：5.7%；Co：9.7%；Cr：6.4%；Hf：0.1%；Mo：0.6%；Re：3.0%；Ta：6.4%；Ti：0.9%；W：6.4%。

（1）采用真空感应炉熔炼母合金，采用定向凝固技术制备CMSX-4合金铸棒。

（2）通过线切割得到所需合适尺寸的试样，通过机械打磨去除表面的氧化皮。

（3）通过石英管真空封管机进行真空封装处理，同时充入高纯氩气。

（4）将所述CMSX-4合金试棒放置于KSL-1400X-A2箱式热处理炉内；在热处理炉中，将所述CMSX-4合金试棒从室温升高至1280℃，并保温60min；保温结束后升温至1290℃，并保温120min；保温结束后升温至1300℃，并保温180min；保温结束后升温至1305℃，并保温180min；保温结束后升温至1310℃，并以1℃/h的升温速率缓慢升温至1315℃，到温后开炉取出，将所述CMSX-4合金试棒空冷至室温，得到经固溶处理的CMSX-4合金试棒。其中，在1000℃以下，升温速率为10℃/min，在1000℃以上，升温速率为3℃/min。

（5）清洁固溶处理后的CMSX-4合金试棒表面的氧化皮，并重新通过石英管真空封管机进行真空封装处理，同时充入高纯氩气。

（6）将经固溶处理后的CMSX-4合金试棒放置于KSL-1400X-A2箱式热处理炉内；在热处理炉中，将所述CMSX-4合金试棒从室温升高至1140℃，并保温240min；保温结束后开炉取出，将所述CMSX-4试棒空冷至室温，得到一次时效处理的CMSX-4合金试棒。其中，在1000℃以下，升温速率为10℃/min，在1000℃以上，升温速率为3℃/min。

（7）将经过一次时效处理后的CMSX-4试棒放置于KSL-1400X-A2箱式热处理炉内；在热处理炉中，将所述CMSX-4合金试棒从室温升高至870℃，并保温960min；保温结束后开炉取出，将所述CMSX-4合金试棒空冷至室温，得到二次时效处理的CMSX-4合金试棒，其中升温速率为10℃/min。

热处理完毕后得到的组织如图2所示。

在本实施例中，通过对比具有相同峰值温度和热处理时间的传统阶梯式升温的组织图3和使用本发明固溶处理后的组织图2可以看出，采用传统固溶处理后的图3出现大量初熔共晶，而采用本发明固溶处理的图2没有发生初熔。说明本发明的固溶处理方法能有效的避免初熔的发生。

通过对比具有相同峰值温度和热处理时间的连续式升温的组织图4和使用本发明固溶处理后的组织图2可以看出，采用连续式升温后的图4存在大量粗大球状共晶，且γ′相立方度较差，存在粗化合并与次生γ′相析出行为，而采用本发明固溶处理的图2没有发生上述现象。说明本发明所改进的方法可以有效改善合金的热处理组织，成功实现将连续升温思路应用于第二代镍基单晶高温合金中。

图5为本实施例与工业现有工艺下元素偏析系数分布图（枝晶干/枝晶间，wt%），

相比于现有工艺，本工艺对难熔元素的偏析改善尤为明显。在本工艺下，Re元素的偏析系数由2.10下降到了1.45；W元素的偏析系数由1.25下降到了1.13；Ta元素的偏析系数由0.67提高到了0.95；Ti元素的偏析系数由0.66提高到了0.91（偏析系数越接近1，表明该元素的均匀化程度越高）。

总之，相比于现有工艺，本发明中的工艺在提高峰值热处理温度的同时减少了初熔倾向的发生，从而有效改善元素偏析水平，有效提高了产品的高温性能和成品率，具有良好的应用前景。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种第二代镍基单晶高温合金的连续升温热处理工艺，其特征在于，包括：

将第二代镍基单晶高温合金试棒放置于热处理炉内；在所述热处理炉中，将所述第二代镍基单晶高温合金试棒从室温升高至1280℃，并保温60min；保温结束后升温至1290℃，并保温120min；保温结束后升温至1300℃，并保温180min；保温结束后升温至1305℃，并保温180min；保温结束后升温至1310℃，并以1℃/h的升温速率缓慢升温至1315℃，到温后开炉取出，将所述第二代镍基单晶高温合金试棒空冷至室温，得到经固溶处理的第二代镍基单晶高温合金试棒。

2.根据权利要求1所述的第二代镍基单晶高温合金的连续升温热处理工艺，其特征在于，所述热处理工艺还包括：

将所述经过固溶处理后的第二代镍基单晶高温合金试棒放置于所述热处理炉内；在所述热处理炉中，将所述第二代镍基单晶高温合金试棒从室温升高至1140℃，并保温240min；保温结束后开炉取出，将所述第二代镍基单晶高温合金试棒空冷至室温，得到一次时效处理的第二代镍基单晶高温合金试棒。

3.根据权利要求2所述的第二代镍基单晶高温合金的连续升温热处理工艺，其特征在于，所述热处理工艺还包括：

将经过所述一次时效处理后的第二代镍基单晶高温合金试棒放置于热处理炉内；在热处理炉中，将所述第二代镍基单晶高温合金试棒从室温升高至870℃，并保温960min；保温结束后开炉取出，将所述第二代镍基单晶高温合金试棒空冷至室温，得到二次时效处理的第二代镍基单晶高温合金试棒。

4.根据权利要求1所述的第二代镍基单晶高温合金的连续升温热处理工艺，其特征在于，所述第二代镍基单晶高温合金的组成按重量百分比包括：Al：5.45%~5.75%；Co：9.3%-10.0%；Cr：6.2%-6.6%；Hf：0.07%-0.12%；Mo：0.5%-0.7%；Re：2.8%-3.2%；Ta：6.3%-6.7%；Ti：0.7%-1.2%；W：6.2%-6.6%。

5.根据权利要求1所述的第二代镍基单晶高温合金的连续升温热处理工艺，其特征在于，所述热处理工艺在真空条件下进行，并通入惰性气体。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的第二代镍基单晶高温合金的连续升温热处理工艺，其特征在于，所述热处理工艺的升温速率为：在1000℃以下，升温速率为9-10℃/min，在1000℃以上，升温速率为2-3℃/min。

7.根据权利要求1-3中任一项所述的第二代镍基单晶高温合金的连续升温热处理工艺，其特征在于，所述第二代镍基单晶高温合金试棒每次置于热处理炉内进行热处理前，需去除表面氧化皮。

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