CN115948704B - 高温合金机匣锻件的热处理方法及制得的机匣锻件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高温合金热处理技术领域，尤其是涉及一种高温合金机匣锻件的热处理方法及制得的机匣锻件。热处理方法，包括如下步骤：(a)对机匣锻件的上、下端面进行预处理，使上、下端面的热交换系数降低；(b)将机匣锻件进行固溶热处理，然后冷却；(c)将机匣锻件进行时效热处理，然后冷却；其中，所述冷却中，控制所述机匣锻件的内、外壁区域的热交换系数为50～205W/m2·K。本发明通过控制截面不同位置的热交换系数，改变机匣锻件在升温和降温过程中的温度梯度；温度场梯度主要沿径向分布，使四个边角处组织与内外壁保持一致；并且通过温度场梯度的改变，在降低残余应力数值的同时，优化其分布形式，从而解决加工变形的问题。
Description
技术领域
本发明涉及高温合金热处理技术领域，尤其是涉及一种高温合金机匣锻件的热处理方法及制得的机匣锻件。
背景技术
机匣是航空发动机的重要零件之一，它是整个发动机的基座，是航空发动机上的主要承力部件。随着航空发动机性能提升，其机匣类零件的尺寸规格越来越大，形状也逐渐异形化，并对高温合金机匣锻件提出了更高的要求：(1)组织均匀性一致，综合力学性能提升；(2)零件加工过程变形的有效控制，从而提高零件加工精度以及发动机的装配精度。
当前，高温合金机匣锻件的生产流程可概括为：母合金冶炼→开坯→环轧(镦粗、冲孔、预轧制制坯、精密环轧)→热处理→成品检验。其中，热处理通常包括四个步骤：固溶热处理、固溶后冷却、时效热处理、时效后冷却。
当前存在的工程问题：(1)组织均匀性低，锻件不同部位的性能差异大；(2)残余应力数值高(≥300MPa)，且分布形式不合理，并最终导致大型机匣，尤其是异形机匣的加工变形量大，发动机的装配精度降低。
因此，亟需一种实现高温合金机匣锻件组织性能和残余应力协同调控的热处理方法，兼具有效性、工程可操控性和低成本等优势。
公开号为CN103551816A的专利申请提供了一种控制钛铝合金薄壁机匣加工变形的加工方法，通过制定合理的加工工艺参数，采用合适的刀具，使钛铝合金薄壁机匣加工变形得到了控制。但是，高温合金机匣锻件内部残余应力数值更大，因此仅通过加工工艺优化，难以彻底解决不同形状零件加工变形的本质问题，试错成本高。
公开号为CN109047392A、CN112877621A和CN115069902A的专利申请，均提出采用胀形技术，对残余应力进行调控。胀形技术的原理是通过胀形机在机匣锻件中施加径向的胀形应力，当胀形施加的应力和残余应力叠加超过材料的屈服强度后，会发生塑性变形，从而调控残余应力。该类技术的问题在于胀形往往会引发新的残余应力分布——通常心部为拉应力，外缘为压应力，并且引发的塑性变形会成为影响使用力学的风险之一。
公开号为CN114250352A、CN111471944A、CN112016223A的专利申请，通过预旋转技术调控高温合金盘件内部残余应力。但是该类技术难以应用到大尺寸异形结构的机匣锻件。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的一个目的在于提供高温合金机匣锻件的热处理方法，一方面可以实现显微组织调控和综合力学性能提升；另一方面，可降低残余应力的产生，解决加工过程变形的难题。
本发明的另一目的在于提供采用上述热处理方法制得的高温合金机匣锻件。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
高温合金机匣锻件的热处理方法，包括如下步骤：
(a)对待热处理的机匣锻件的上、下端面进行预处理，使上、下端面的热交换系数降低；
(b)将步骤(a)预处理后的机匣锻件进行固溶热处理，然后冷却；所述固溶热处理的温度为Tγ’-80℃～Tγ’-10℃，所述固溶热处理的时间为0.5～3h；
(c)将步骤(b)处理后的机匣锻件进行时效热处理，然后冷却；
其中，步骤(b)和步骤(c)中，所述冷却中，控制所述机匣锻件的内、外壁区域的热交换系数为50～205W/m2·K。
Tγ’为γ’相的完全回溶温度，可根据DSC(Differential Scanning Calorimetry，差示扫描量热法)实验测试或者热力学计算获得。
在本发明的具体实施方式中，步骤(a)中，所述预处理后的上、下端面的热交换系数≤5W/m2·K。进一步的，步骤(a)中，所述预处理包括：分别在所述上、下端面粘贴隔热纤维。
在本发明的具体实施方式中，所述隔热纤维包括陶瓷纤维和/或玻璃纤维。进一步的，所述陶瓷纤维包括但不限于硅酸铝纤维或氧化铝纤维。
在本发明的具体实施方式中，所述隔热纤维的厚度为2～20mm。
在本发明的具体实施方式中，所述固溶热处理的温度为Tγ’-50℃～Tγ’-20℃，所述固溶热处理的时间为0.8～2h。
在本发明的具体实施方式中，通过调节所述机匣锻件的内、外壁面处的风冷流速，控制所述机匣锻件的内、外壁区域的热交换系数为50～205W/m2·K。
在本发明的具体实施方式中，当所述高温合金的γ’相的体积分数≤30％时，控制所述机匣锻件的内、外壁区域的热交换系数为50～160W/m2·K。进一步的，调节所述机匣锻件的内、外壁面处的风冷流速为10～30m/s。
在本发明的具体实施方式中，当所述高温合金的γ’相的体积分数＞30％时，控制所述机匣锻件的内、外壁区域的热交换系数为100～205W/m2·K。进一步的，调节所述机匣锻件的内、外壁面处的风冷流速为20～40m/s。
在本发明的具体实施方式中，所述高温合金包括GH4738合金、GH4251合金、GH4169合金、GH4169D合金和GH4780合金中的任一种或多种。
在本发明的具体实施方式中，所述机匣锻件包括大尺寸等厚机匣和大尺寸异形机匣中的至少一种。
本发明还提供了采用上述任意一种所述高温合金机匣锻件的热处理方法制得的机匣锻件。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明通过控制截面不同位置的热交换系数，改变机匣锻件在升温和降温过程中的温度梯度；温度场梯度主要沿径向分布，使四个边角处组织与内外壁保持一致；并且通过温度场梯度的改变，在降低残余应力数值的同时，优化其分布形式，从而解决加工变形的问题。
(2)采用本发明的热处理方法制得的机匣锻件，其显微组织均匀性和综合力学性能得到显著提升，并且残余应力得到有效降低，解决加工过程变形的问题。
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为本发明实施例提供的高温合金机匣锻件的截面结构示意图；
图2为本发明实施例1提供的高温合金机匣锻件的截面结构示意图；
图3为本发明实施例2提供的高温合金机匣锻件的截面结构示意图；
图4为本发明实施例1提供的高温合金机匣锻件的组织图；
图5为本发明实施例2提供的高温合金机匣锻件的组织图；
图6为本发明比较例1提供的高温合金机匣锻件的组织图；
图7为本发明比较例2提供的高温合金机匣锻件的组织图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明中所指的热交换系数是指锻件相应位置与淬火介质如空气之间的热交换系数。
高温合金机匣锻件的热处理方法，包括如下步骤：
(a)对待热处理的机匣锻件的上、下端面进行预处理，使上、下端面的热交换系数降低；
(b)将步骤(a)预处理后的机匣锻件进行固溶热处理，然后冷却；所述固溶热处理的温度为Tγ’-80℃～Tγ’-10℃，所述固溶热处理的时间为0.5～3h；
(c)将步骤(b)处理后的机匣锻件进行时效热处理，然后冷却；
其中，步骤(b)和步骤(c)中，所述冷却中，控制所述机匣锻件的内、外壁区域的热交换系数为50～205W/m2·K。
Tγ’为γ’相的完全回溶温度，可根据DSC(Differential Scanning Calorimetry，差示扫描量热法)实验测试或者热力学计算获得。
如在不同实施方式中，所述固溶热处理的温度可以示例性的为Tγ’-80℃、Tγ’-70℃、Tγ’-60℃、Tγ’-50℃、Tγ’-40℃、Tγ’-30℃、Tγ’-20℃、Tγ’-10℃等；所述固溶热处理的时间可以示例性的为0.5h、1h、1.5h、2h、2.5h、3h等。
如在不同实施方式中，所述冷却中，控制所述机匣锻件的内、外壁区域的热交换系数可以示例性的为50W/m2·K、60W/m2·K、70W/m2·K、80W/m2·K、90W/m2·K、100W/m2·K、110W/m2·K、120W/m2·K、130W/m2·K、140W/m2·K、150W/m2·K、160W/m2·K、170W/m2·K、180W/m2·K、190W/m2·K、200W/m2·K、205W/m2·K等。
在本发明的具体实施方式中，所述机匣锻件包括大尺寸等厚机匣和大尺寸异形机匣中的至少一种。
本发明的热处理方法适用于大尺寸等厚机匣或大尺寸异形机匣，尤其适用于异形机匣。
图1为本发明实施例提供的高温合金机匣锻件的截面结构示意图。本发明所指的机匣锻件的上、下端面是指α1区域和α2区域；机匣锻件的内、外壁区域分别是指α4和α3区域。
其中，所述大尺寸等厚机匣是指沿轴向方向，机匣的内径或外径始终保持一致；所述大尺寸异形机匣是指沿轴向方向，机匣的内径和/或外径不完全一致。
本发明的方法适宜于大尺寸的机匣锻件结构，其中所述异形机匣尺寸可满足：上端外侧直径≥800mm。
在本发明的具体实施方式中，步骤(a)中，所述预处理后的上、下端面的热交换系数≤5W/m2·K。进一步的，步骤(a)中，所述预处理包括：分别在所述上、下端面粘贴隔热纤维。
如在不同实施方式中，步骤(a)中，所述预处理后的上、下端面的热交换系数可示例性的为5W/m2·K、4W/m2·K、3W/m2·K、2W/m2·K、1W/m2·K等。
在本发明的具体实施方式中，所述隔热纤维包括陶瓷纤维和/或玻璃纤维。进一步的，所述陶瓷纤维包括但不限于硅酸铝纤维或氧化铝纤维。
在本发明的具体实施方式中，所述隔热纤维的厚度为2～20mm。
如在不同实施方式中，所述隔热纤维的厚度可以示例性的为2mm、4mm、5mm、6mm、8mm、10mm、12mm、14mm、15mm、16mm、18mm、20mm等。
在本发明的具体实施方式中，所述固溶热处理的温度为Tγ’-50℃～Tγ’-20℃，所述固溶热处理的时间为0.8～2h。
在本发明的具体实施方式中，通过调节所述机匣锻件的内、外壁面处的风冷流速，控制所述机匣锻件的内、外壁区域的热交换系数为50～205W/m2·K。
在本发明的具体实施方式中，当所述高温合金的γ’相的体积分数≤30％时，控制所述机匣锻件的内、外壁区域的热交换系数为50～160W/m2·K。进一步的，调节所述机匣锻件的内、外壁面处的风冷流速为10～30m/s。
如在不同实施方式中，当所述高温合金的γ’相的体积分数≤30％时，可以控制所述机匣锻件的内、外壁区域的热交换系数为50W/m2·K、60W/m2·K、70W/m2·K、80W/m2·K、90W/m2·K、100W/m2·K、110W/m2·K、120W/m2·K、130W/m2·K、140W/m2·K、150W/m2·K或160W/m2·K等。具体可示例性的通过调节所述机匣锻件的内、外壁面处的风冷流速为10m/s、12m/s、15m/s、18m/s、20m/s、22m/s、25m/s、28m/s、30m/s等，来控制所述机匣锻件的内、外壁区域的热交换系数在上述范围内。
在本发明的具体实施方式中，当所述高温合金的γ’相的体积分数＞30％时，控制所述机匣锻件的内、外壁区域的热交换系数为100～205W/m2·K。进一步的，调节所述机匣锻件的内、外壁面处的风冷流速为20～40m/s。
如在不同实施方式中，当所述高温合金的γ’相的体积分数＞30％时，可以控制所述机匣锻件的内、外壁区域的热交换系数为100W/m2·K、110W/m2·K、120W/m2·K、130W/m2·K、140W/m2·K、150W/m2·K、160W/m2·K、170W/m2·K、180W/m2·K、190W/m2·K、200W/m2·K或205W/m2·K等。具体可示例性的通过调节所述机匣锻件的内、外壁面处的风冷流速为20m/s、22m/s、25m/s、28m/s、30m/s、32m/s、35m/s、38m/s、40m/s等，来控制所述机匣锻件的内、外壁区域的热交换系数在上述范围内。
在本发明的具体实施方式中，所述高温合金包括GH4738合金、GH4251合金、GH4169合金、GH4169D合金和GH4780合金中的任一种或多种。
在实际操作中，所述时效热处理的制度根据合金常规时效热处理制度进行，如可以为750～805℃保温4～16h等。
本发明还提供了采用上述任意一种所述高温合金机匣锻件的热处理方法制得的机匣锻件。
如针对GH4738合金机匣锻件，当采用上述热处理方法后，其不同部位的晶内二次γ’相尺寸基本一致，直径约为200～300nm。如针对GH4251合金机匣锻件，当采用上述热处理方法后，其不同部位的γ’相尺寸基本一致，直径约为50～200nm。
采用上述热处理后，得到的高温合金机匣锻件的内外壁面处弦向残余应力数值均＜100MPa。
实施例1
本实施例提供了GH4738合金大尺寸异形机匣锻件的热处理方法，包括如下步骤：
(1)待热处理的GH4738合金大尺寸异形机匣锻件的截面结构示意图如图2所示，上端外侧半径r1约为670mm，下端外侧半径r2约为900mm，高度h为720mm。在机匣锻件的上、下端面处(如图2所示的A和B两个区域)粘贴厚度为0.5～2mm(如1mm)的硅酸铝纤维，使上、下端面的热交换系数≤5W/m2·K(如3～5W/m2·K)。
(2)对步骤(1)处理后的机匣锻件进行固溶热处理，固溶热处理的温度为1000～1050℃(如1025℃)，固溶热处理的保温时间为2h。然后对固溶热处理后的机匣锻件进行第一阶段的梯度冷却；具体的，通过调节内壁面和外壁面处的风冷流速为20m/s，控制机匣锻件的件的内、外壁区域的热交换系数为100W/m2·K。
(3)将步骤(2)固溶冷却后的机匣锻件，进行时效热处理(845℃/4h，空冷至室温，760℃/16h，空冷至室温)，并对时效热处理后的的机匣锻件进行第二阶段的梯度冷却；具体的，通过调节内壁面和外壁面处的风冷流速为20m/s，控制机匣锻件的件的内、外壁区域的热交换系数为100W/m2·K。得到热处理后的GH4738高温合金机匣锻件。
实施例2
本实施例提供了GH4251合金大尺寸等厚机匣锻件的热处理方法，包括如下步骤：
(1)待热处理的GH4251合金大尺寸等厚机匣锻件的截面结构示意图如图3所示，外侧半径r1约为800mm，内侧半径r2约为600mm，高度h为200mm。在机匣锻件的上、下端面处(如图3所示的A和B两个区域)粘贴厚度为1～2mm(如1.5mm)的硅酸铝纤维，使上、下端面的热交换系数≤5W/m2·K(如3～4W/m2·K)。
(2)对步骤(1)处理后的机匣锻件进行固溶热处理，固溶热处理的温度为1080～1150℃(如1115℃)，固溶热处理的保温时间为2h。然后对固溶热处理后的机匣锻件进行第一阶段的梯度冷却；具体的，通过调节内壁面和外壁面处的风冷流速为30m/s，控制机匣锻件的件的内、外壁区域的热交换系数为160W/m2·K。
(3)将步骤(2)固溶冷却后的机匣锻件，进行时效热处理，并对时效热处理后的的机匣锻件进行第二阶段的梯度冷却；具体的，通过调节内壁面和外壁面处的风冷流速为30m/s，控制机匣锻件的件的内、外壁区域的热交换系数为160W/m2·K。得到热处理后的GH4251高温合金机匣锻件。
比较例1
比较例1提供了GH4251合金大尺寸等厚机匣锻件的热处理方法，包括如下步骤：
(1)待热处理的GH4251合金大尺寸等厚机匣锻件的截面结构示意图如图3所示，外侧半径r1约为800mm，内侧半径r2约为600mm，高度h为200mm。在机匣锻件的上、下端面处(如图3所示的A和B两个区域)粘贴厚度为1～2mm(如1.5mm)的硅酸铝纤维，使上、下端面的热交换系数≤5W/m2·K(如3～4W/m2·K)。
(2)对步骤(1)处理后的机匣锻件进行固溶热处理，固溶热处理的温度为1080～1150℃(如1115℃)，固溶热处理的保温时间为2h。然后对固溶热处理后的机匣锻件进行第一阶段的梯度冷却；具体的，调节内壁面和外壁面处的风冷流速为10m/s，机匣锻件的件的内、外壁区域的热交换系数为50W/m2·K。
(3)将步骤(2)固溶冷却后的机匣锻件，进行时效热处理，并对时效热处理后的的机匣锻件进行第二阶段的梯度冷却；具体的，调节内壁面和外壁面处的风冷流速为10m/s，机匣锻件的件的内、外壁区域的热交换系数为50W/m2·K。得到热处理后的GH4251高温合金机匣锻件。
比较例2
比较例2提供了传统的GH4738合金大尺寸异形机匣锻件的热处理方法，包括如下步骤：
(1)GH4738合金大尺寸异形机匣锻件同实施例1；对GH4738合金大尺寸异形机匣锻件进行固溶热处理，固溶热处理的温度为1000～1050℃，保温时间2h。
(2)对步骤(1)固溶热处理后的锻件进行油淬冷却。
(3)对步骤(2)油淬冷却后的锻件进行时效热处理(845℃/4h，空冷至室温，760℃/16h，空冷至室温)。
实验例1
图4～图7分别为本发明实施例1～2和比较例1～2的高温合金机匣锻件的组织图，本发明实施例1得到的高温合金机匣锻件的不同部位中γ’相尺寸基本一致，直径约为200～300nm；比较例2采用传统工艺处理的高温合金机匣锻件的边角处的冷速过快，得到的如图7所示的异形机匣的边角位置的组织，γ’相的尺寸过于细小，未能达到最佳强化效果。本发明实施例2得到的高温合金机匣锻件的不同部位中γ’相尺寸基本一致，直径约为50～150nm；比较例1未按照本发明的参数控制热交换系数，得到的如图6所示的厚度中心位置的组织中，二次γ’相的尺寸更大，对性能有劣化影响。
实验例2
通过X射线衍射法(GB/T7704)测试实施例1～2和比较例1～2的热处理后的机匣锻件的残余应力。实施例1的机匣锻件内外壁面处弦向残余应力数值均低于100MPa，实施例2的机匣锻件内外壁面处弦向残余应力数值均低于100MPa，比较例2的机匣锻件内外壁面处弦向残余应力数值约为300MPa。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (11)
1.高温合金机匣锻件的热处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
（a）对待热处理的机匣锻件的上、下端面进行预处理，使上、下端面的热交换系数降低；
（b）将步骤（a）预处理后的机匣锻件进行固溶热处理，然后冷却；所述固溶热处理的温度为Tγ’-80℃~Tγ’-10℃，所述固溶热处理的时间为0.5~3h；
（c）将步骤（b）处理后的机匣锻件进行时效热处理，然后冷却；
其中，步骤（b）和步骤（c）中，所述冷却中，控制所述机匣锻件的内、外壁区域的热交换系数为50~205W/m2·K；
步骤（a）中，所述预处理后的上、下端面的热交换系数≤5W/m2·K；
当所述高温合金的γ’相的体积分数≤30%时，控制所述机匣锻件的内、外壁区域的热交换系数为50~160W/m2·K；
当所述高温合金的γ’相的体积分数＞30%时，控制所述机匣锻件的内、外壁区域的热交换系数为100~205W/m2·K。
2.根据权利要求1所述的高温合金机匣锻件的热处理方法，其特征在于，步骤（a）中，所述预处理包括：分别在所述上、下端面粘贴隔热纤维。
3.根据权利要求2所述的高温合金机匣锻件的热处理方法，其特征在于，所述隔热纤维包括陶瓷纤维和/或玻璃纤维。
4.根据权利要求3所述的高温合金机匣锻件的热处理方法，其特征在于，所述陶瓷纤维包括硅酸铝纤维和氧化铝纤维中的任一种。
5.根据权利要求3所述的高温合金机匣锻件的热处理方法，其特征在于，所述隔热纤维的厚度为2~20mm。
6.根据权利要求1所述的高温合金机匣锻件的热处理方法，其特征在于，所述固溶热处理的温度为Tγ’-50℃~Tγ’-20℃，所述固溶热处理的时间为0.8~2h。
7.根据权利要求1所述的高温合金机匣锻件的热处理方法，其特征在于，通过调节所述机匣锻件的内、外壁面处的风冷流速，控制所述机匣锻件的内、外壁区域的热交换系数。
8.根据权利要求7所述的高温合金机匣锻件的热处理方法，其特征在于，当所述高温合金的γ’相的体积分数≤30%时，调节所述机匣锻件的内、外壁面处的风冷流速为10~30m/s。
9.根据权利要求7所述的高温合金机匣锻件的热处理方法，其特征在于，当所述高温合金的γ’相的体积分数＞30%时，调节所述机匣锻件的内、外壁面处的风冷流速为20~40m/s。
10.根据权利要求1所述的高温合金机匣锻件的热处理方法，其特征在于，所述高温合金包括GH4738合金、GH4251合金、GH4169合金、GH4169D合金和GH4780合金中的任一种或多种。
11.根据权利要求1所述的高温合金机匣锻件的热处理方法，其特征在于，所述机匣锻件包括大尺寸等厚机匣和大尺寸异形机匣中的至少一种。
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