改善高铌强化型单晶高温合金使用性能的热处理方法

摘要

本发明公开一种改善高铌强化型单晶高温合金使用性能的热处理方法。它针对单晶合金无晶界的特点以及高铌强化型合金固有的组织结构特点，制定均匀化和时效热处理工艺，可按如下步骤操作：1)高温均匀化处理：将试样置入1140～1170℃温度环境下，保温5～30小时，消除有害相及铌偏析，冷却；2)常规时效处理析出强化相，即得产品。本发明可大幅度地提高了高铌强化型高温合金铸件的强度并一定程度地改善了其塑性，同时保留铸造合金连接点少、易于成型和加工周期短的特点，因此合金的使用性能获得明显的改善。

说明书

技术领域

本发明涉及一种改善高铌强化型单晶高温合金使用性能的热处理方法。

背景技术

高温合金是制造航空、航天、舰船发动机，以及热电厂燃气轮机的关键材料。以航空发动机为例，提高进气口温度，增加推重比，减轻发动机重量，以及提高发动机使用的安全性和耐久性等，是改善和提高发动机性能水平的关键。而实现这些目的直接依赖于具有优良组织和性能的高温合金的生产和使用。在种类繁多的高温合金中，以铌为主要强化元素的高温合金占有重要的地位。这类合金可以析出大量与基体共格应力较高的γ″(Ni₃Nb)相，强化效果显著，因而具有强度较高的特点(文献1：M.Khler，U.Heuber，The effect of final heat treatment and chemical composition onsensitization，strength and thermal stability of alloy 625.in‘Superalloys 718，625，706 and Various Derivatives’，ed.by E.A.Loria，TMS，1997，p.795.；文献2：董建新，INCONEL718高温合金的发展，兵器材料科学与工程，1996年3月，第19卷，第2期，P.46)。但由于铌含量较高，合金的偏析倾向严重，易于析出Laves相，处理不当，将影响合金的使用性能。

作为高铌强化型高温合金的代表，IN718合金在铸态和变形态下都可以使用。同变形态IN718合金相比，铸造IN718合金的强度较低，但可以避免由于焊接或各种连接带来的低强度点，对于难加工的异形件也具有难以替代的优势。现已进行了各种尝试以提高IN718合金铸件的使用性能，如采用快速凝固的方法细化铸造IN718合金的晶粒组织以提高合金的强度和韧性，但快速凝固导致合金铸件中产生大量的空洞从而对合金的使用性能产生有害作用。为了消除这些在铸造过程中产生的空洞缺陷，对合金铸件采用了热等静压技术进行处理，虽然热等静压处理可以使空洞闭合，但铸造多晶IN718合金一般需要保留一些Laves相作为晶界强化相，因此不能彻底消除枝晶干和枝晶间的成分偏析。另外，Laves相的Nb含量较高，保留一部分Laves相必然减少γ″-Ni₃Nb强化相的含量。因此铸造IN718合金的强度潜力无法充分发挥。其它高铌强化型合金，如Inconel 625和Inconel725合金的铌含量都约3.5wt.％左右，偏析倾向也都很严重。因此，如何消除高铌强化型合金的凝固偏析是充分发挥这种合金性能潜力的关键。

发明内容

为了克服上述不足，本发明的目的是提供一种能在保留铸造合金连接点少和易于成型特点的同时，彻底消除其有害相和铌偏析，最大限度地析出强化相，使其强化效果更优的改善高铌强化型单晶高温合金使用性能的热处理方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：针对单晶合金无晶界的特点以及高铌强化型合金固有的组织结构特点，制定均匀化和时效热处理工艺，可按如下步骤操作：

1)高温均匀化处理：将试样置入1140～1170℃温度环境下，保温5～30小时，消除有害相及铌偏析，冷却；

2)常规时效处理析出强化相，即得产品；

另外，采用本发明可根据试件具体尺寸情况在所述时效处理前，加设高温均匀化处理第二阶段，即：再次提高处理温度，控制在1180～1240℃之间，保温时间根据试件大小等具体情况，一般控制在5～50小时之间。

本发明将单晶技术用于高铌强化型高温合金，消除了合金的晶界，从而可以通过热处理充分消除枝晶间的成分偏析，达到最大的强化效果，并保留铸造合金减少连接点和易于成型等特点，在工艺上是一种创新。其优点具体在于：

1.使用性能更优。经本发明处理的单晶IN718合金，彻底消除其有害相和铌偏析，其强度和塑性指标达与铸造多晶合金相比，不仅强度大幅度提高，塑性也大幅度提高；与变形IN718合金相比，可以达到变形IN718合金水平。

2.简单易行、周期短。本发明方法可省去锻造或轧制等加工工序，缩短了生产周期。

3.兼有铸造和变形合金的优点。本发明方法保留了铸造合金不用过多连接、适于制造难加工的异形件的优点，并且其性能达到变形合金的水平，拓展了合金的使用范围，提供了制造可在中温极限条件下使用并具有良好综合性能材料的途径。

具体实施方式

下面结合具体实施例详述本发明。

实施例1  对单晶IN718合金的处理

本发明针对高铌强化型高温合金的一种均匀化和时效热处理制度为：取单晶铸态IN718合金为试样1，在1160℃下保温20小时，消除有害相Laves相及铌偏析，合金熔点升至1240℃。然后再将合金升温至1240℃，保温20小时，空冷(均匀化处理)；720℃保温8小时，50℃每小时冷速炉冷至620℃，620℃保温8小时，空冷(时效处理)。

另取同样材料和尺寸的试样采用常规的热处理制度(J.T.Guo，L.Z.Zhou，The effect of phosphorus，sulfur and silicon，on segregation，solidificationand mechanical properties in cast alloy 718.in‘Superalloys 1996’，eds.By R.D.kissinger et al.，TMS，1996，p.451)处理：1090℃保温1小时，空冷(均匀化处理)；950℃保温1小时，空冷(固溶处理)；720℃保温8小时，50℃每小时冷速炉冷至620℃，620℃保温8小时，空冷(时效处理)。

对单晶IN718合金分别采用上述两种热处理制度进行处理后，测定力学性能并加以比较。其室温拉伸性能的测定结果如表1所示，同常用热处理制度相比，采用本发明的特殊热处理制度进行处理，单晶IN718合金的室温拉伸强度获得了大幅度的改善，屈服强度提高了178MPa，断裂强度提高了411MPa，塑性也有一定的改善。

表1  热处理制度对单晶IN718合金室温拉伸性能的影响

  热处理制度  屈服强度 σ_0.2(Mpa) 断裂强度 σ_b(MPa)   延伸率   δ(％)   面缩率   ψ(％)  采用常用热处理    909    972    16    24  采用本发明    1087    1383    18    34.5

持久性能测定结果如表2所示，同常用热处理制度相比，采用本发明的特殊热处理制度进行处理，单晶IN718合金的持久性能同样获得了改善，断裂寿命略有增加，而断裂塑性大幅度增加。

表2  热处理制度对单晶IN718合金650℃，720MPa持久性能的影响

    热处理制度寿命，τ(小时)伸长率，δ(％) 面缩率，ψ(％)    采用常用热处理    95    35.60    27.75    采用本发明    121.26    43.2    60.82

实施例2对IN718合金的处理

取单晶铸态IN718合金为试件2，先经高温均匀化处理，即1145℃保温25小时，消除有害相Laves相及铌偏析，合金熔点升至1240℃。然后再将合金升温至1200℃，保温30小时，空冷；然后进行常规时效处理析出强化相，即720℃保温8小时，以50℃每小时均速炉冷至620℃，620℃保温8小时，空冷。

采用现有技术热等静压热处理对铸态多晶IN718合金进行处理：经热等静压：1121℃，102.9MPa压力，保温3小时。然后在1065℃保温1小时，718℃保温8小时，以50℃每小时均速炉冷至621℃，并在621℃保温8小时(数据引自文献：Patty Siereveld，John F.Radavich，Tom Kelly，Gail Cole，Robert Widmer，Effect of HIP Parameters on Fine Grain Cast Alloy 718，in‘Superalloys 1988’，eds.by S.Reichman，D.N.Duhl，G.Maurer，S.Antolovich，and C.Lund，The Metallurgical Society，1988.p.459)。采用本发明处理试件2与现有技术热等静压热处理的处理结果见表3。

表3  不同处理方法IN718合金的室温拉伸性能及热处理制度的影响

 加工 方法    热处理  断裂强度  σ_b(MPa)  屈服强度  σ_s(MPa)  伸长率  δ(％)   面缩率   ψ(％)铸造多晶  热等静压热处理    1162    1011    12.1    17.9单晶  本发明    1379    1085    19    35.4

如表3所示，通过热处理消除有害相，并使枝晶干和枝晶间的成分均匀一致。然后通过时效处理最大程度地析出均匀分布的γ″强化相，达到最佳的强化效果。由于可以彻底地消除成分偏析，经本发明热处理方法处理的单晶合金，同铸态多晶合金相比，不仅强度大幅度提高(屈服强度提高了217Mpa，断裂强度提高了74MPa)，塑性也大幅度提高。

实施例3  对K718合金的处理

选用(单晶)K718合金为试件3，与实施例1不同之处在于均匀化处理为一个阶段：

1.高温均匀化处理：

将试样置入1170℃温度环境下，消除有害相并提高合金熔点，保温50小时至试件的Laves相溶解，并且消除Nb偏析；

2.常规时效处理析出强化相：

时效处理采用高铌强化型合金的标准时效处理制度：在720℃下保温8小时，2小时匀速炉冷至620℃，620℃下保温8小时，空冷。

另，采用多晶铸造常规热处理(赵京晨，王斌，孙家华，均匀化温度对K718合金组织和性能的影响，第六届全国高温合金年会，p.273)：分别采用1090℃，1170℃，1200℃保温4小时预处理；然后970℃保温1小时，空冷；720℃保温8小时，50℃每小时冷速炉冷至620℃，620℃保温8h，空冷(时效处理)。经常规热处理后，其预处理虽然可以将Laves相基本消除干净，但可能是由于晶界缺少强化相，合金的强度仍然难以同经本发明处理的单晶IN718合金相比，其室温拉伸性能如表4所示。

表4  多晶铸造K718和单晶IN718合金室温拉伸性能比较

 合金及热处理制度  屈服强度 σ_0.2(Mpa)  断裂强度  σ_b(Mpa)   延伸率   δ(％)   面缩率   ψ(％)    多晶铸造K718    (采用热处理)    882.9    1030    14.7    20.4    单晶IN718    (采用本发明)    1072    1377    17    32.3

可见，采用本发明的特殊热处理制度进行处理，K718合金的室温拉伸强度获得了大幅度的改善，屈服强度提高了189.1MPa，断裂强度提高了347MPa，塑性也有一定的改善。

另外，本发明亦可根据具体要求调解时效温度和保温时间。