CN116145061B - 一种增材制造gh4099大型结构件的多场耦合热处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种增材制造GH4099大型结构件的多场耦合热处理工艺，涉及增材制造技术领域，包括如下步骤：将增材制造GH4099结构件进行表面清理；将结构件置于炉膛工作室内，使结构件处于固溶状态；将结构件两端连接上脉冲电流；通入电流的同时，停止加热；电流以每5min降低电流强度20A的速度作用于结构件；电流作用一段时间后，关闭脉冲电源，随即将结构件从炉膛工作室取出，使结构件进行空冷，得到处理后结构件。本发明调控强化相在组织中析出行为。最终在脉冲电流和热场的共同作用下，晶界上获得细小非连续的M23C6型碳化物，提高γ基体和γ'相的晶格相干性，改善增材制造GH4099结构件的沉淀相析出局部不均匀，以获得优异的力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，具体而言，尤其涉及一种增材制造GH4099大型结构件的多场耦合热处理工艺。
背景技术
GH4099合金是一种沉淀硬化型镍基高温合金，由于其优异的耐腐蚀性能和高温力学性能，广泛的应用在航空航天领域中热端结构件的制备。并且其具有良好的焊接性能，常被用在一些异质焊接的工作中。目前对于该合金也被用于增材制造制备一些复杂的结构件，用于一些短时服役的的高温环境中。在高温环境中服役对于结构件的组织有着非常高的要求。GH4099合金其主要的析出相包括γ'相，少量的M23C6型以及MC碳化物碳化物。其主要强化相为γ'相，其理论含量可达21％，只有当强化相析出足够的数量以及合适的尺寸时，才能有效对基体进行强化。碳化物存在类型和形貌分布也会严重影响力学性能。
由于增材制造技术快速凝固和具有复杂的热环境的特点，会使得增材制造GH4099合金出现第二相析出不充分和分布不均匀性的问题，这种问题的存在会使力学性能变差。传统工艺中利用马弗炉对沉积态试样进行热处理，来调控其组织获得良好的力学性能。
然而，传统工艺解决GH4099合金第二相析出不充分和分布不均匀性问题所采用的方法存在着一定的不足之处。利用马弗炉对沉积态试样的方法，由于马弗炉是通过热辐射传热对试样进行热护理，这会使得要想获得足够的第二相数量和合适的尺寸，热处理的时间冗长。热处理时间长后会是原本晶界上的M23C6型碳化物由原本的离散颗粒状变成链状，随后变成较厚的M23C6碳化物层，严重影响其机械性能。利用电场的作用抑制连续链状M23C6型碳化物的析出，同时促进MC碳化物向γ'相和M23C6型碳化物转化，获得优异强化相分布组织。传统热处理也会使得获得足够γ'相析出时，γ'相出现严重的粗化及筏化，降低对基体的强化效果。同时在利用传统的热处理方式时，长时间暴露在热环境下，其表面状态会严重受到炉内气氛的影响，严重影响工件的表面质量。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种增材制造GH4099大型结构件的多场耦合热处理工艺，以解决利用传统热处理对增材制造GH4099合金件析出强化时带来的晶界上出现较厚M23C6碳化物层，以及γ'相筏化，从而降低材料机械性能问题。
本发明采用的技术手段如下：
一种增材制造GH4099大型结构件的多场耦合热处理工艺，包括如下步骤：
将增材制造GH4099结构件进行表面清理，清扫表面残余粉料以及打磨表面粗糙部分；
将清理后结构件置于炉膛工作室内，对清理后结构进行加热，炉膛温度的设定范围为1000～1150℃，保温范围为0.5～2小时，使结构件处于固溶状态；
将固溶状态的结构件两端连接上脉冲电流，所述脉冲电流的电流强度范围为20～200A；
通入脉冲电流的同时，停止加热；
所述脉冲电流以每5min降低电流强度20A的速度作用于结构件；
所述脉冲电流作用总时间5～50min后，关闭脉冲电源，取下结构件两端的脉冲电流装置；
随后立即将结构件从炉膛工作室取出，使结构件进行空冷，得到处理后结构件。
进一步地，所述处理后结构件中的γ'相呈球形，所述处理后结构件中晶界上的M23C6型碳化物为非连续颗粒状。
进一步地，所述脉冲电流的强度为100A。
进一步地，所述炉膛温度为1100℃，保温时间为1小时。
进一步地，所述脉冲电流以每5min降低电流强度20A的速度作用于结构件。
进一步地，所述脉冲电流的作用总时间为25min。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提出一种脉冲电流能量场和热场耦合的方法，利用电场在不均匀第二相处存在高电流密度产生局部焦耳热抑制大颗粒第二相的析出，提高γ基体和γ’相的晶格相干性，以获得弥散均匀的强化相分布。加入电流的作用可以减少热处理的时间，保持晶界上M23C6型碳化物良好的形态分布，抑制碳化物层在晶界上形成。增材制造GH4099合金中γ'相可在短时间内在基体中均匀大量的析出且具备合适的形貌，提高增材制造GH4099合金结构件的处理效率，并且能很好的保持良好的表面状态。
基于上述理由本发明可在增材制造等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明装置结构图。
图2为本发明实施例一中晶界上碳化物形貌的扫描电镜组织图。
图3为本发明实施例一中γ'相形貌及分布的扫描电镜组织图。
图4为本发明实施例二中晶界上碳化物形貌的扫描电镜组织图。
图5为本发明实施例二中γ'相形貌及分布的扫描电镜组织图。
图6为本发明实施例三中晶界上碳化物形貌的扫描电镜组织图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。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，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本发明提供了一种增材制造GH4099大型结构件的多场耦合热处理工艺，采用图1所示装置实现。
本发明借助脉冲电流能量场和热场的耦合热处理作用，进一步调控增材制造GH4099合金的析出相析出行为，利用电场在不均匀第二相出存在高电流密度产生局部焦耳热抑制大颗粒第二相的析出，提高γ基体和γ'相的晶格相干性，以获得弥散均匀的强化相分布。电流的输入也抑制连续链状M23C6型碳化物的析出，促进MC碳化物向γ'相和M23C6型碳化物转化，获得优异强化相分布组织，进而获得优异的力学性能。克服原有的热处理工艺需要的时间长，γ'相和碳化物强化在对热处理时间响应存在对立性导致的力学性能提升受限的问题，避免工件严重受到热环境影响工件表面质量的问题。
本发明解决利用传统热处理对增材制造GH4099合金件析出强化时带来的晶界上出现较厚M23C6碳化物层，以及γ'相筏化，从而降低材料机械性能问题。最终在脉冲电流和热场的共同作用下，晶界上获得细小非连续的M23C6型碳化物，提高γ基体和γ'相的晶格相干性，改善增材制造GH4099结构件的沉淀相析出局部不均匀，以获得优异的力学性能。
本发明通过在热处理过程中加入电流的作用，利用合适的电流参数获得增材制造GH4099合金最佳的第二相析出数量及形貌，并且均匀分布在整个试样中，同时调控晶界上M23C6型碳化物的形貌。进一步提高增材制造GH4099合金结构件的综合力学性能。
实施例1
本发明提供了一种增材制造GH4099大型结构件的多场耦合热处理工艺，包括如下步骤：
将增材制造GH4099结构件进行表面清理；
将结构件置于炉膛工作室内，炉膛温度设定为1100℃，保温1小时，使结构件处于固溶状态；
将结构件两端连接上脉冲电流，脉冲电流设定参数为：电流强度100A；
通入电流的同时，停止马弗炉加热；
电流以每5min降低电流强度20A的速度作用于结构件；
电流作用总时间25min后，关闭脉冲电源，取下工件两端的脉冲电流装置；
随后立即将结构件从炉膛工作室取出，使结构件进行空冷。
最后获得的显微组织扫描图片如图2，3所示。具有与γ基体有良好共格关系且弥散分布均匀的点状γ'相，晶界处分布细小非连续的M23C6型碳化物。本发明提供一种相比传统热处理更高效，组织更优异的增材制造GH4099结构件后处理方法。
实施例2
本发明提供了一种增材制造GH4099大型结构件的多场耦合热处理工艺，包括如下步骤：
将增材制造GH4099结构件进行表面清理；
将结构件置于炉膛工作室内，炉膛温度设定为1150℃，保温2小时，使结构件处于固溶状态；
将结构件两端连接上脉冲电流，脉冲电流设定参数为：电流强度200A；
通入电流的同时，停止马弗炉加热；
电流以每5min降低电流强度20A的速度作用于结构件；
电流作用总时间50min后，关闭脉冲电源，取下工件两端的脉冲电流装置；
随后立即将结构件从炉膛工作室取出，使结构件进行空冷。
最后获得的显微组织扫描图片如图4，5所示。晶界处分布细小非连续的M23C6型碳化物，基体中均匀分布γ'相，其尺寸比实施例1中γ'相大，但未出现筏化现象，仍与γ基体有良好共格关系。
实施例3
本发明提供了一种增材制造GH4099大型结构件的多场耦合热处理工艺，包括如下步骤：
将增材制造GH4099结构件进行表面清理；
将结构件置于炉膛工作室内，炉膛温度设定为1000℃，保温0.5小时，使结构件处于固溶状态；
将结构件两端连接上脉冲电流，脉冲电流设定参数为：电流强度20A；
通入电流的同时，停止马弗炉加热；
电流以每5min降低电流强度20A的速度作用于结构件；
电流作用总时间5min后，关闭脉冲电源，取下工件两端的脉冲电流装置；
随后立即将结构件从炉膛工作室取出，使结构件进行空冷。
最后获得的显微组织扫描图片如图6所示，少量M23C6型碳化物附着在晶界处，基体中未见γ'相的析出。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
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 (4)
1.一种增材制造GH4099大型结构件的多场耦合热处理工艺，其特征在于，包括如下步骤：
将增材制造GH4099结构件进行表面清理，清扫表面残余粉料以及打磨表面粗糙部分；
将清理后结构件置于炉膛工作室内，对清理后结构件进行加热，炉膛温度的设定范围为1000~1150℃，保温范围为0.5~2小时，使结构件处于固溶状态；
将固溶状态的结构件两端连接上脉冲电流，所述脉冲电流的电流强度范围为20~200A；
通入脉冲电流的同时，停止加热；
所述脉冲电流以每5min降低电流强度20A的速度作用于结构件；
所述脉冲电流作用总时间5~50min后，关闭脉冲电源，取下结构件两端的脉冲电流装置；
随后立即将结构件从炉膛工作室取出，使结构件进行空冷，得到处理后结构件，所述处理后结构件中的γ'相呈球形，所述处理后结构件中晶界上的M23C6型碳化物为非连续颗粒状。
2.根据权利要求1所述的增材制造GH4099大型结构件的多场耦合热处理工艺，其特征在于，所述脉冲电流的强度为100A。
3.根据权利要求1所述的增材制造GH4099大型结构件的多场耦合热处理工艺，其特征在于，所述炉膛温度为1100℃，保温时间为1小时。
4.根据权利要求1所述的增材制造GH4099大型结构件的多场耦合热处理工艺，其特征在于，所述脉冲电流的作用总时间为25min。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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