CN117358924A - 一种基于粉末热等静压技术的镍基合金晶界工程处理方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于粉末热等静压技术的镍基合金晶界工程处理方法及其应用，该方法包括步骤：1)提供一种镍基高温合金粉末，筛粉得到尺寸为10～200μm的粉末，装入不锈钢包套，高温除气并封焊；2)将不锈钢包套放入热等静压设备中，同时升温升压达到预定条件后开始热等静压实现镍基合金晶界结构的调整与优化，热等静压的工艺条件：温度为1180～1260℃，压力为90～150MPa，达到温度后保温3～6h，冷却。本发明通过热等静压成型实现对镍基合金晶界的精确控制和调整，获得致密、组织均匀、较高低ΣCSL晶界比例的镍基合金坯料，本发明方法在制备一些大型、复杂形状但对力学性能要求较高的构件上具有应用潜力。
Description
技术领域
本发明属于粉末冶金高温合金领域，更具体地涉及一种基于粉末热等静压技术的镍基合金晶界工程处理方法及其应用。
背景技术
晶界工程是一种利用形变热处理来增加低ΣCSL晶界比例，优化晶界网络的方法。获得的低ΣCSL晶界，尤其是Σ3晶界，由于具有较低能量及迁移速率而有较高抗晶间腐蚀的能力。这种方法对于提高长期服役于高温腐蚀环境的核反应堆材料的腐蚀性能具有很大帮助。因此，对合金进行晶界工程处理，以提升材料性能，具有重要的科学意义和应用价值。但是传统晶界工程是通过单次或多次应变后退火实现的，该方法仅适用于简单或较薄板材等部件，不太适用于大型或复杂形状部件的生产加工，且传统晶界工程方法的步骤复杂、要求繁琐、成本较高，热处理过程也易导致晶界结构不均匀。
在提高镍基合金低ΣCSL晶界比例的现有技术中，一种方案是将镍基合金冷轧加工30-70％，然后在1020-1200℃退火5-60分钟，以水淬的方式快速冷却至室温；然后，在垂直原冷轧方向进行30-70％的冷轧加工，在相同的温度退火同样的时间后水淬至室温；接着，再对样品进行3-15％的冷加工变形，在1020-1200℃退火3-120min并水淬快速冷却至室温，从而得到Σ≤29的低ΣCSL晶界比例高于70％的合金。根据该方法制备得到的镍基合金显微组织图和低ΣCSL晶界分布图分别如图1、图2所示。显然，该现有技术不仅存在操作步骤繁杂的缺点，而且通过该技术获得的材料晶粒尺寸不均匀，材料致密度更低，同时该现有技术不适用于形状复杂或大型部件的加工。
近年来，可实现近净成型的粉末热等静压技术由于生产的部件致密、均匀、力学性能良好而得到快速发展并应用于航空航天、核能领域。热等静压温度、压力等参数以及选用的粉末粒度分布对成型合金显微结构有较大影响。粉末粒度分布会通过影响振实密度而影响热等静压时合金的变形程度，粉末热等静压温度及压力会为合金提供再结晶驱动力。当参数选择不合适时，合金粉末可能在粉末热等静压过程中经历较小的变形，储存的变性能不足以驱动晶粒再结晶，从而降低合金ΣCSL比例。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于粉末热等静压技术的镍基合金晶界工程处理方法及其应用，从而解决现有技术中为了提高镍基合金耐晶间腐蚀性能的处理工艺中存在的对大型或复杂形状部件实施困难、工艺复杂、加工效率低以及成本较高的问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
根据本发明的第一方面，提供一种基于粉末热等静压技术的镍基合金晶界工程处理方法，包括以下步骤：1)提供一种镍基高温合金粉末，通过筛粉以得到尺寸在10μm～200μm之间的粉末，将筛分出的粉末装入不锈钢包套，高温除气并封焊；2)将步骤1)制备得到的不锈钢包套放入热等静压设备中，以同时升温升压的方式达到预定条件后开始热等静压，实现镍基合金晶界结构的调整与优化，其中，热等静压的工艺条件为，温度在1180℃～1260℃之间，压力在90MPa～150MPa之间，炉体内达到设定的温度后保温3h～6h，保温完成后冷却至室温。
根据本发明提供的基于粉末热等静压技术的镍基合金晶界工程处理方法，所述方法适用于镍基高温合金的晶界网络优化。
优选的，步骤1)中，通过筛粉以得到尺寸为50μm～150μm的粉末。
优选的，步骤1)中，对不锈钢包套进行高温除气的温度范围为180℃～500℃，除气时间为10h～14h。
优选的，步骤2)中，热等静压的温度为1200℃～1260℃。
更优选的，步骤2)中，热等静压的温度为1220℃～1240℃。
优选的，步骤2)中，热等静压的压力为120MPa～150MPa。
优选的，采用该晶界工程处理方法得到的镍基高温合金的低ΣCSL晶界比例大于等于70％。
根据本发明的第二方面，提供一种所述基于粉末热等静压技术的镍基合金晶界工程处理方法在近净成形制造大型或复杂形状部件中的应用。
根据本发明的第三方面，提供一种所述基于粉末热等静压技术的镍基合金晶界工程处理方法在航空航天领域中的应用。
应当知晓的是，在粉末热等静压研究领域，为了节约材料及降低成本一般都使用全粒度的粉末(0～500μm左右)，粉末的粒度分布会严重影响材料在热等静压阶段的变形程度。已有的对粉末粒度对热等静压材料的影响的研究一般只针对显微结构中晶粒尺寸分布、析出相尺寸分布、碳化物尺寸分布和原始颗粒边界的变化，以及对材料力学性能的影响，仅有较少的研究关注晶界分数，其研究结果的Σ3晶界分数都较低，可能因此忽略其变化。这可能也由于晶界工程主要发生于中低堆垛层错能的面心立方金属中，其研究也在朝着简化加工操作的方向前进。传统的晶界工程需要进行多步骤的形变和热处理工艺才能获得较多ΣCSL晶界比例的合金，而粉末热等静压工艺相对传统锻造，轧制工艺较新颖，这也导致较少研究人员将目光转换到粉末热等静压工艺上。
粉末热等静压工艺目前广泛应用于航空航天领域，在需要较高耐腐蚀性能的材料的核能领域也有少量应用，对于大型或复杂形状部件，采用传统制造需要将铸锭锻造、轧制成形并切削加工，对于复杂形状部件还需要进行焊接。这些步骤虽然应用很成熟，但是流程繁杂，可能带来组织不均匀、偏析、残余应力及焊接缺陷，增加了成本并降低了服役可靠性。为提高通过传统加工方式制造的核用结构材料的抗腐蚀性，一种方式是提高其表面抗腐蚀性能，另一种方式是提升整体材料的抗腐蚀性能。核用部件使用寿命较长，只提高材料表面抗腐蚀性能显然不是最优的方式。
然而，本发明通过提供一种基于粉末热等静压技术的镍基合金晶界工程处理方法，并将其应用于近净成形制造大型或复杂形状部件，进而将其应用于航空航天领域，从长远角度看，极大地降低了成本，具有高性价比。
根据本发明提供的一种基于粉末热等静压技术的镍基合金晶界工程处理方法，主要包含两个步骤：第一步为粉末颗粒的筛选，目的是获得相对均匀、颗粒尺寸分布较窄的粉末；第二步为粉末热等静压，目的在于获得致密、显微组织均匀及较高低ΣCSL比例的合金。
本发明的关键发明点即在于，首次提供这样一种基于粉末热等静压技术的镍基合金晶界工程处理方法，特别是针对粉末颗粒的尺寸优化以及热等静压的工艺条件优化，成功实现了对镍基高温合金晶界结构的调整与优化，得到的镍基高温合金的低ΣCSL晶界比例高于70％。一旦超出本发明限定的热等静压的工艺条件(温度在1180℃～1260℃之间，压力在90MPa～150MPa之间，炉体内达到设定的温度后保温3h～6h)之外，则无法实现低ΣCSL晶界比例大于等于70％的技术效果。
本发明与现有技术相比较，具有如下显著的优越性：
1)通过粉末热等静压技术，可实现对镍基合金晶界结构的精确控制和调整，大幅提高低ΣCSL晶界比例，使晶界结构更均匀，达到提高与晶界相关性能的目的，如抗裂变产物脆性、材料力学性能、耐腐蚀性能等；
2)本发明方法简单实用，可以在传统的热等静压机中实现，不需要添加额外的合金元素，可以实现在不改变合金成分的前提下，提高低ΣCSL晶界比例；
3)本发明方法提高合金致密度及均匀性，可以缩短粉末高温合金构件的制造工序，通过将其应用于近净成形制造大型或复杂形状部件，比如航空航天等领域，降低了生产制造成本。
综上所述，根据本发明提供的一种基于粉末热等静压技术的镍基合金晶界工程处理方法及其应用，可以直接通过热等静压成型实现对镍基合金晶界的精确控制和调整，获得致密、组织均匀、较高低ΣCSL晶界比例(ΣCSL≥70％)的镍基合金坯料，晶界强度和晶界扩散能力得到有效提升，还可以缩短构件制备工序、减少加工量，从而降低制造成本，本发明方法在制备一些大型、复杂形状但对力学性能要求较高的构件上具有应用潜力。
附图说明
图1为现有技术制备的镍基合金的显微组织图；
图2为现有技术制备的镍基合金的不同类型低ΣCSL晶界分布图；
图3为本发明实施例1制备的热等静压状态的镍基合金1(IN625合金)的显微组织图；
图4为本发明实施例1制备的粉末热等静压状态的镍基合金1的不同类型低ΣCSL晶界分布图；
图5为本发明实施例2制备的热等静压状态的镍基合金2(GH3535合金)的显微组织图；
图6为本发明实施例2制备的粉末热等静压状态的镍基合金2的不同类型低ΣCSL晶界分布图；
图7为发明对比例1制备的粉末热等静压状态的镍基合金2的不同类型低ΣCSL晶界分布图；
图8为实施例1、实施例2、对比例1中制备得到的试样所含低ΣCSL晶界比例统计图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的具体实施方式中，基于粉末热等静压技术的镍基合金晶界工程处理方法，具体如下：
1.用气体雾化制备高温合金粉末，通过筛分得到尺寸在10～200μm(较好为大于或等于50μm，且小于或等于150μm)的粉末。将粉末装入不锈钢包套，高温除气后封焊。使用尺寸分布较窄的粉末是为了降低粉末振实密度；使用不锈钢包套是因为在本发明所用的温度范围内，包套材料为完全固态、具有一定强度且不会与粉末发生反应；高温除气是为了最大限度的除掉粉末表面吸附的气体，以降低合金在后续热处理过程中形成热诱导孔洞的倾向，高温除气的温度范围为180℃到500℃，除气时间为10到14小时。
2.将第一步制备的粉末包套放入热等静压设备中，以随炉升温升压或先升温再升压的方式达到设定温度开始热等静压。热等静压的工艺条件为，温度高于1180℃，低于1260℃(温度优选范围为1200～1260℃，最优为1220～1240℃)，压力大于或等于90MPa(压力优选范围为120～150MPa)，炉体内到温后，保温时间大于或等于3小时(保温时间优选范围为3～6小时)。选择这些工艺条件的目的是：第一，使粉末完全致密；第二，上述温度范围不会导致材料内部晶粒尺寸过分长大，可获得相对细小均匀的晶粒尺寸，无明显织构的组织，不影响材料的整体力学性能；第三，在镍基合金中引入较大的塑性变形，为合金再结晶形核长大和应变诱导晶界迁移优化晶界特征分布提供驱动力。第四，保温时间足够长可以使变形合金充分进行再结晶形核并长大，以及发生应变诱导晶界迁移来有效调控晶界网络分布。保温完成后样品随炉冷却至室温，优选快冷，即尽可能快的将样品冷却到室温。
下面将结合具体的实施例对上述方案进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：
实施例1
本实施例中，采用一种基于粉末热等静压技术的镍基合金晶界工程处理方法，镍基合金1的成分如下表所示：
表1.In625合金的成分
| 元素 | Ni | Cr | Mo | Nb | Fe | Co | Si | Mn |
| 质量百分数(％) | bal | 22.12 | 9.19 | 3.75 | 0.39 | 0.10 | 0.15 | 0.072 |
| 元素 | Al | Ti | Cu | P | S | C | O | N |
| 质量百分数(％) | 0.11 | 0.041 | 0.023 | 0.0027 | 0.0022 | 0.021 | 0.0077 | 0.0083 |
本实施例采用氩气雾化制备该合金的粉末，将尺寸在50～150μm的粉末装入不锈钢包套中，真空除气后做热等静压。针对该合金选择了如下的工艺条件：
粉末的热等静压，随炉升温升压，1180℃/150MPa/4小时，完成后随炉冷却；
通过该工艺制备的合金的显微组织和晶界类型分布图如图3和图4所示，可以看出，通过该工艺制备的合金的组织致密且均匀细小，晶粒为等轴状且取向随机，析出相分布均匀，并且几乎看不到原始粉末颗粒的痕迹，降低了析出相和原始颗粒边界对晶界演化的影响，因此合金中包含大量分布均匀的退火孪晶，如图4所示。采用EBSD(ElectronBackscattering Diffraction，电子背散射衍射)方法测定，依据Palumbo-Aust标准采用Aztec Crystal软件分析得到，镍基合金1中的低ΣCSL晶界比例为73.9％。
实施例2
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于采用了不同成分的镍基合金，以及不同的工艺条件。
在本实施例中，采用一种基于粉末热等静压技术的镍基合金晶界工程处理方法，镍基合金2的成分如下表所示：
表2.GH3535合金的成分
本实施例采用氩气雾化制备该合金的粉末，将尺寸在10～200μm的粉末装入不锈钢包套中，真空除气后做热等静压。针对该合金选择了如下的工艺条件：
粉末的热等静压，随炉升温升压，1220℃/150MPa/4小时，完成后随炉冷却；
通过该工艺制备的合金的显微组织和晶界类型分布图如图5和图6所示，可以看出，通过该工艺制备的合金的组织致密且均匀细小，晶粒为等轴状且取向随机，析出相分布均匀，有较少的原始粉末颗粒的痕迹，降低了析出相和原始颗粒边界对晶界演化的影响，因此合金中包含大量分布均匀的退火孪晶，如图6所示。采用EBSD方法测定，依据Palumbo-Aust标准采用Aztec Crystal软件分析得到，镍基合金2中的低ΣCSL晶界比例为74.3％。
对比例1
在本对比例中，采用一种基于粉末热等静压技术的镍基合金晶界工程处理方法，镍基合金2的成分与实施例2相同，采用氩气雾化制备该合金的粉末，将尺寸在10～200μm的粉末装入不锈钢包套中，真空除气后做热等静压。针对该合金选择了如下的工艺条件：
粉末的热等静压，随炉升温升压，1140℃/150MPa/4小时，完成后随炉冷却。
本对比例与实施例2基本相同，唯一不同之处在于热等静压工艺所采用的温度不同。
通过该工艺制备的合金的晶界类型分布图如图7所示，采用EBSD方法测定，可以看出，通过该工艺制备的合金的组织致密且均匀细小，晶粒大部分为等轴状且取向较为随机，有较明显的原始粉末颗粒边界的痕迹，析出相和原始颗粒边界对晶界演化的影响较大，因此合金中包含较少的退火孪晶分数，且孪晶分布不均匀。
依据Palumbo-Aust标准采用Aztec Crystal软件分析EBSD数据得到镍基合金2中的低ΣCSL晶界比例为62.4％。实施例1、实施例2、对比例1中试样所含低ΣCSL晶界比例统计图如图8所示，其中，实施例1制备所得热等静压镍基合金中所含低ΣCSL晶界比例为73.9％，实施例2制备所得热等静压镍基合金所含低ΣCSL晶界比例为74.3％，对比例1制备所得热等静压镍基合金中所含低ΣCSL晶界比例为62.4％。
实施例结果表明，一种基于粉末热等静压技术的镍基合金晶界工程处理方法，可以在不改变材料的成分的情况下优化镍基合金特殊晶界比例，通过优化晶界结构，获得高于70％的低ΣCSL晶界比例的镍基合金，提升了镍基合金的耐晶间腐蚀性能。而一旦超出本发明限定的热等静压的工艺条件(温度在1180℃～1260℃之间，压力在90MPa～150MPa之间，炉体内达到设定的温度后保温3h～6h)之外，则无法实现低ΣCSL晶界比例大于等于70％的技术效果。
与现有的工艺相比，本发明工艺不需要多步加工及长时间退火，操作容易，在制备一些大型、复杂形状但对力学性能要求较高的构件上具有应用潜力，有望在镍基合金材料加工领域得到广泛应用。
应当理解的是，本发明并不限于上述实施例中的镍基合金1和镍基合金2，其他镍基高温合金粉末同样适用于本发明高温合金粉末热等静压工艺。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。
Claims (10)
1.一种基于粉末热等静压技术的镍基合金晶界工程处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)提供一种镍基高温合金粉末，通过筛粉以得到尺寸在10μm～200μm之间的粉末，将筛分出的粉末装入不锈钢包套，高温除气并封焊；
2)将步骤1)制备得到的不锈钢包套放入热等静压设备中，以同时升温升压的方式达到预定条件后开始热等静压，实现镍基合金晶界结构的调整与优化，其中，热等静压的工艺条件为，温度在1180℃～1260℃之间，压力在90MPa～150MPa之间，炉体内达到设定的温度后保温3h～6h，保温完成后冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的镍基合金晶界工程处理方法，其特征在于，所述方法适用于镍基高温合金的晶界网络优化。
3.根据权利要求1所述的镍基合金晶界工程处理方法，其特征在于，步骤1)中，通过筛粉以得到尺寸为50μm～150μm的粉末。
4.根据权利要求1所述的镍基合金晶界工程处理方法，其特征在于，步骤1)中，对不锈钢包套进行高温除气的温度范围为180℃～500℃，除气时间为10h～14h。
5.根据权利要求1所述的镍基合金晶界工程处理方法，其特征在于，其特征在于，步骤2)中，热等静压的温度为1200℃～1260℃。
6.根据权利要求5所述的镍基合金晶界工程处理方法，其特征在于，其特征在于，步骤2)中，热等静压的温度为1220℃～1240℃。
7.根据权利要求1所述的镍基合金晶界工程处理方法，其特征在于，其特征在于，步骤2)中，热等静压的压力为120MPa～150MPa。
8.根据权利要求1所述的镍基合金晶界工程处理方法，其特征在于，其特征在于，采用该晶界工程处理方法得到的镍基高温合金的低ΣCSL晶界比例大于等于70％。
9.一种根据权利要求1～8中任意一项所述的基于粉末热等静压技术的镍基合金晶界工程处理方法在近净成形制造大型或复杂形状部件中的应用。
10.一种根据权利要求1～8中任意一项所述的基于粉末热等静压技术的镍基合金晶界工程处理方法在航空航天领域中的应用。
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