CN117107175A - 一种优化gh4169合金蠕变性能的热机械处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种优化GH4169合金蠕变性能的热机械处理方法，包括以下步骤：步骤1：对GH4169合金进行固溶处理，固溶处理温度高于GH4169合金中碳化物析出温度，在T1=960℃附近‑5℃~5℃，保温时间t1=（d×0.6+30）min~（d×0.6+70）min，d为GH4169合金样品的横截面直积，单位为mm；步骤2：对固溶处理后的GH4169合金施加10%的轧制变形，轧制温度为室温；步骤3：将炉温升至1050℃，放入冷轧变形后的GH4169合金，待炉温稳定后，保温20‑30 min；步骤4：取出GH4169合金，放入水中淬火，淬火温度为10~25℃。本发明通过冷轧+热处理相结合的方法，优化了合金的晶界类型，进而大幅度提升GH4169合金的高温蠕变性能。其特点是冷轧+热处理相结合，所需时间短，对蠕变性能提升幅度明显。
Description
技术领域
本发明涉及高温合金技术领域，具体涉及一种优化GH4169合金蠕变性能的热机械处理方法。
背景技术
高温合金是指以Fe、Ni、Co为基体，能在600℃及以上的高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料，并具有良好的抗氧化、抗腐蚀、和抗疲劳性能，因而成为能源化工、装备制造、国防等领域不可缺少的一类材料。高温合金种类繁多，在众多高温合金中，镍基高温合金使用量最大，使用范围也最为广泛。例如航空发动机的关键零部件：燃烧室、涡轮叶片、甚至涡轮增压器，多采用Ni基高温合金制备。在Ni基高温合金中，根据强化方式不同，可将其分为固溶强化型以及沉淀强化型合金。GH4169合金（Inconel 718合金）是以体心四方的γ"和面心立方的γ′相沉淀强化的Ni基高温合金，在-253～700℃温度范围内具有良好的综合性能。650℃以下的屈服强度居变形高温合金的首位，并具有良好的抗疲劳、抗辐射、抗氧化、耐腐蚀性能，以及良好的加工性能、焊接性能和长期组织稳定性，因此GH4169合金也是前用量最大的高温合金，亦被称为“高温合金之王”。
随着航空发动机推进比的增加，航空发动机服役条件变得越来越苛刻，对合金的抗高温蠕变和疲劳性能，以及抗高温氧化性能提出了更高的要求。目前优化GH4169合金性能的方式依然以合金化处理为主。例如期刊文献Deformation twinning during hightemperature compression tests of the Ni-base superalloy ATI 718Plus ®（ActaMaterialia，2022，225: 115743）通过调整合金中 Ti / Al 原子比，从而提高了γ′ 相的含量以及相稳定性，制备出 Allvac® 718Plus™合金，成功的将可靠服役温度提升至 700℃以上。期刊文献Microstructure and mechanical properties of additivemanufactured Inconel 718 alloy strengthened by oxide dispersion with 0.3 wt%Sc addition（Journal of Alloys and Compounds，2022，918：165763）在GH4169合金中添加少量稀土元素Sc，有效地提升了合金的室温及高温拉伸性能。合金化处理虽然可提高合金的高温服役性能，但会使材料的成本不断攀升，回收利用变得更加困难。
伴随着全球工业化进程，材料可持续发展越来越受到世界各国科学家的重视。因此，探究低成本、绿色环保的方法以提高GH4169合金的高温综合性能，尤其是高温蠕变性能成为亟待解决的科学问题。
发明内容
基于以上背景技术中存在的技术问题，本发明提供了一种优化GH4169合金蠕变性能的热机械处理方法；通过冷轧+热处理相结合的方法，优化了合金的晶界类型，进而大幅度提升GH4169合金的高温蠕变性能。其特点是冷轧+热处理相结合，所需时间短，对蠕变性能提升幅度明显。
具体的，本发明提供了一种优化GH4169合金蠕变性能的热机械处理方法，包括以下步骤：
步骤1：对GH4169合金进行固溶处理，所述固溶处理温度高于GH4169合金中碳化物析出温度，在T1 = 960℃附近-5℃~5℃，保温时间t1=（d×0.6+30）min ~（d×0.6+70）min，d为GH4169合金样品的横截面直积，单位为mm；
步骤2：对固溶处理后的GH4169合金施加10%的轧制变形，轧制温度为室温；
步骤3：将炉温升至1050℃，放入冷轧变形后的GH4169合金，待炉温稳定后，保温20-30 min；
步骤4：取出所述GH4169合金，放入水中淬火，淬火温度为10 ~ 25℃。
作为本发明的进一步说明，步骤1中，在进行固溶处理时，将机械加工好的GH4169合金样品（将样品机械加工成指定尺寸，满足炉膛需求，确保样品受热均匀），放入箱式电阻炉中，并给所述GH4169合金样品底部垫入耐火砖，所述耐火砖厚度以保证所述GH4169合金样品位于炉膛中部为准。
作为本发明的进一步说明，步骤1中，在进行固溶处理时，炉温上升至目标固溶处理温度后，再将GH4169合金样品放入炉膛中，炉温稳定后开始计时。
作为本发明的进一步说明，步骤1中，固溶处理时的升温方法为：以10℃/分钟的速度升温至500℃，再以5℃/分钟速度升温至800℃。再以3°每分钟速度升温至目标固溶处理温度。
作为本发明的进一步说明，步骤1中，到达固溶处理的保温时间后，立即从热处理炉中取出所述GH4169合金样品，放入水中淬火，淬火水温为10℃ ~ 25℃。
作为本发明的进一步说明，步骤3中的升温方法为：以10℃/分钟的速度升温至500℃，再以5℃/分钟速度升温至800℃。再以3°每分钟速度升温至1050℃。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供了一种优化GH4169合金蠕变性能的热机械处理方法；通过冷轧+热处理相结合的方法，优化了合金的晶界类型，进而大幅度提升GH4169合金的高温蠕变性能。其特点是冷轧+热处理相结合，所需时间短，对蠕变性能提升幅度明显。
附图说明
图1（a）为本发明实施例1中固溶+时效处理后的GH4169合金显微组织图；图1（b）为本发明实施例1中固溶+热机械处理+时效处理后的GH4169合金显微组织图；红色线条代表重合点阵晶界（CSL）晶界，黑色线条为非重合点阵晶界。
图2为本发明实施例1中固溶+时效处理后的GH4169合金和固溶+热机械处理+时效处理后的GH4169合金在650℃/700MPa工况下的蠕变时间-应变曲线。
图3（a）为本发明实施例2中固溶+时效处理后的GH4169合金显微组织图；图3（b）为本发明实施例2中固溶+热机械处理+时效处理后的GH4169合金显微组织图；红色线条代表重合点阵晶界（CSL）晶界，黑色线条为非重合点阵晶界。
图4为本发明实施例2中固溶+时效处理后的GH4169合金和固溶+热机械处理+时效处理后的GH4169合金在650℃/750MPa工况下的蠕变时间-应变曲线。
具体实施方式
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，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种优化GH4169合金蠕变性能的热机械处理方法，包括以下步骤：
S1：对GH4169合金在960℃保温1h进行固溶处理。
S2：对固溶处理后的GH4169合金施加10%的轧制变形，轧制温度为室温。
S3: 将炉温升至1050℃，放入冷轧变形后的GH4169合金，待炉温稳定后，保温20min。
S4：取出GH4169合金，放入水中淬火，淬火温度为10 ~ 25℃。
如图1（a）所示，固溶+时效处理后的GH4169合金显微组织由等轴晶组成，晶粒尺寸约为170μm，红色线条代表CSL晶界，其体积分数为34.3%。如图1（b）所示，固溶+热机械处理+时效处理后的GH4169合金显微组织依然由等轴晶组成，晶粒尺寸约为162μm，但CSL晶界体积分数大幅度提升，达到55%。
如图2所示，经固溶+时效处理后GH4169合金在650℃/700MPa工况下的蠕变寿命为173 h，引入热机械处理后，蠕变寿命提升至385 h，提升幅度超过200 %。这是由于GH4169合金在高温蠕变过程中主要蠕变机制为晶界滑移，相比非重合点阵晶界，重合点阵晶界（CSL）吉布斯自由能低、稳定性强，在高温蠕变过程中，滑移速率低，因此通过热机械处理的方式提升CSL晶界体积分数可有效改善合金的蠕变性能。
实施例2
一种优化GH4169合金蠕变性能的热机械处理方法，包括以下步骤：
S1：对GH4169合金在965℃保温1h进行固溶处理
S2：对固溶处理后的GH4169合金施加10%的轧制变形，轧制温度为室温。
S3: 将炉温升至1050℃，放入冷轧变形后的GH4169合金，待炉温稳定后，保温30min。
S4：取出GH4169合金，放入水中淬火，淬火温度为10 ~ 25℃。
如图3（a）所示，固溶+时效处理后的GH4169合金显微组织由等轴晶组成，晶粒尺寸约为170μm，红色线条代表CSL晶界，其体积分数为34.3%。如图3（b）所示，固溶+热机械处理+时效处理后的GH4169合金显微组织依然由等轴晶组成，晶粒尺寸约为171 μm，但CSL晶界体积分数大幅度提升，达到56%。
如图4所示，固溶+时效处理后GH4169合金在650℃/750MPa工况下的蠕变寿命为32h，引入热机械处理后，蠕变寿命提升至105 h，提升幅度超过300 %。
需要说明的是，在本文中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.一种优化GH4169合金蠕变性能的热机械处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：对GH4169合金进行固溶处理，所述固溶处理温度高于GH4169合金中碳化物析出温度，在T1 = 960℃附近-5℃~5℃，保温时间t1=（d×0.6+30）min ~（d×0.6+70）min，d为GH4169合金样品的横截面直积，单位为mm；
步骤2：对固溶处理后的GH4169合金施加10%的轧制变形，轧制温度为室温；
步骤3：将炉温升至1050℃，放入冷轧变形后的GH4169合金，待炉温稳定后，保温20-30min；
步骤4：取出所述GH4169合金，放入水中淬火，淬火温度为10 ~ 25℃。
2.根据权利要求1所述的优化GH4169合金蠕变性能的热机械处理方法，其特征在于：步骤1中，在进行固溶处理时，将机械加工好的GH4169合金样品，放入箱式电阻炉中，并给所述GH4169合金样品底部垫入耐火砖，所述耐火砖厚度以保证所述GH4169合金样品位于炉膛中部为准。
3.根据权利要求1所述的优化GH4169合金蠕变性能的热机械处理方法，其特征在于：步骤1中，在进行固溶处理时，炉温上升至目标固溶处理温度后，再将GH4169合金样品放入炉膛中，炉温稳定后开始计时。
4.根据权利要求3所述的优化GH4169合金蠕变性能的热机械处理方法，其特征在于：步骤1中，固溶处理时的升温方法为：以10℃/分钟的速度升温至500℃，再以5℃/分钟速度升温至800℃。再以3°每分钟速度升温至目标固溶处理温度。
5.根据权利要求1所述的优化GH4169合金蠕变性能的热机械处理方法，其特征在于：步骤1中，到达固溶处理的保温时间后，立即从热处理炉中取出所述GH4169合金样品，放入水中淬火，淬火水温为10℃ ~ 25℃。
6.根据权利要求1所述的优化GH4169合金蠕变性能的热机械处理方法，其特征在于，步骤3中的升温方法为：以10℃/分钟的速度升温至500℃，再以5℃/分钟速度升温至800℃。再以3°每分钟速度升温至1050℃。
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