一种利用涂层法控制定向凝固镍基高温合金再结晶的方法

摘要

本发明提供了一种利用涂层法控制定向凝固镍基高温合金再结晶的方法，其特征在于：在已产生变形的定向凝固镍基高温合金表面涂覆涂层，涂层样品经过去应力退火以后，进行定向凝固镍基高温合金的标准固溶处理；其中，涂层为Zr/NiCoCrAlYSiB、CrC/Cr2O3/NiCoCrAlYSiB、Cr2O3/NiCoCrAlYSiB、NiCoCrAlYSiB、C/NiCoCrAlYSiB或Zr/ZrO2/NiCoCrAlYSiB。该方法能使镍基高温合金变形后产生的再结晶显著减少。

说明书

技术领域

本发明涉及再结晶的控制技术，特别提供一种利用涂层法涂层控制定向凝固柱状晶和单晶镍基高温合金再结晶的技术。

背景技术

燃气轮机、航空发动机叶片都是在较高温度下使用，且叶片主要受离心力作用，而在高温下，晶界的强度不如晶内强度，横向晶界就成了叶片的薄弱环节。为此，人们发展了定向柱晶甚至单晶叶片来消除横向晶界或全部晶界。与传统多晶叶片相比，这些叶片具有更好的纵向机械性能和更高的承温能力。

但是，叶片在定向凝固过程中，由于金属与陶瓷铸型、型芯热膨胀系数的差异，铸件会产生变形。随后的整形、喷砂、钎焊甚至服役过程中也有可能产生变形。这样，叶片经高温处理(固溶处理或服役过程中的高温)就会产生再结晶。再结晶产生横向晶界，于是又形成了叶片的薄弱环节，严重影响叶片的性能。

目前，对于定向凝固叶片产生的再结晶，采取的措施主要是控制叶片的变形(如尽量减少机械加工，优化设计铸型、型芯等)来预防叶片产生再结晶，或者建立叶片再结晶标准，严格检测，超过某一程度再结晶的叶片即行报废。

由于叶片在生产过程中不可避免的经过某些工序(如喷砂等)，这些工序所产生的变形就无法避免。因此而带来的再结晶会大幅度降低铸件合格率，增加成本，严重影响生产效率。

对于再结晶的控制，国外有一些相关的报道。欧洲专利(专利号：EP1038982A1)采用气体(主要是CO与氩气的混合气体)渗碳的方法将碳扩散到合金基体中形成碳化物，利用碳化物粒子阻碍晶界迁移的作用来控制再结晶和使再结晶局部化。该方法设备较复杂，操作较繁琐，以控制生长的方法控制再结晶，而且主要应用于单晶合金。美国专利(专利号：5551999)采用较低温度反复回复的方法来控制再结晶，该方法不能抑制再结晶表面形核和氧化。还有采用涂层里面加入晶界强化元素的方法来强化再结晶晶界，避免裂纹产生(专利号：EP 1036850A1)，该方法主要针对单晶镍基高温合金。这种方法主要考虑的是再结晶产生以后，如何设法消除再结晶的不利影响，即强化再结晶晶界，而不是设法抑制再结晶的产生。更有甚者，采用化学腐蚀的方法直接将再结晶层腐蚀去除(专利号：5413648)。该方法虽然能够去除再结晶层，但是对于薄壁单晶或者定向柱晶镍基高温合金部件显然不适用。

发明内容

本发明的目的是提供一种控制定向凝固镍基高温合金再结晶的方法，具体是一种利用涂层法控制定向凝固镍基高温合金再结晶的方法，该方法能使镍基高温合金变形后产生的再结晶显著减少。

本发明具体提供了一种利用涂层法控制定向凝固镍基高温合金再结晶的方法，其特征在于：在己产生变形的定向凝固镍基高温合金表面涂覆涂层，涂层样品经过去应力退火以后，进行定向凝固镍基高温合金的标准固溶处理；其中，涂层为Zr/NiCoCrAlYSiB、CrC/Cr₂O₃/NiCoCrAlYSiB、Cr₂O₃/NiCoCrAlYSiB、NiCoCrAlYSiB、C/NiCoCrAlYSiB或Zr/ZrO₂/NiCoCrAlYSiB。

本发明提供的一种利用涂层法控制定向凝固镍基高温合金再结晶的方法，其特征在于：所述涂层优选为C/NiCoCrAlYSiB、Zr/NiCoCrAlYSiB。这些涂层中含有的C元素可能形成碳化物粒子阻碍晶界迁移从而抑制再结晶，而Zr原子进入涂层内部可能阻碍元素扩散而达到抑制再结晶的目的。

本发明提供的一种利用涂层法控制定向凝固镍基高温合金再结晶的方法，其特征在于：涂层工艺为电弧离子镀、磁控溅射、等离子喷涂。

本发明提供的一种利用涂层法控制定向凝固镍基高温合金再结晶的方法，其特征在于：涂层经去应力退火处理，其去应力退火的工艺参数为：600～1100℃/1～12h。

本发明提供的一种利用涂层法控制定向凝固镍基高温合金再结晶的方法，其特征在于：涂层去应力退火的工艺参数为：900℃/10h，该温度下退火可以避免合金基体内发生相变从而使基体组织退化。

本发明通过涂层包覆及涂层所含成分控制再结晶。与涂层中加入晶界强化元素强化再结晶晶界不同的是，本发明涂层所含成分能通过阻碍元素扩散的作用来抑制再结晶的发展；另外，涂层中加入晶界强化元素的前提是承认再结晶的存在，然后设法消除再结晶的不利影响，而本发明涂覆涂层的目的是控制再结晶的发展。

附图说明

图1为水喷砂变形定向凝固镍基高温合金后，没有涂层而直接固溶处理所产生的再结晶组织。

图2为水喷砂变形定向凝固镍基高温合金后，涂层Zr/NiCoCrAlYSiB后，再经过固溶处理所产生的再结晶组织。

具体实施方式

实施例1DZ125L定向凝固合金1#涂层控制再结晶。

定向凝固设备制备出DZ125L定向凝固镍基镍基高温合金板，用线切割从板上切取2×12×12mm的方块。将12×12(定向柱晶生长方向)的面磨光，用喷砂装置进行喷砂处理。喷砂参数如下：喷砂压力为0.3MPa，喷砂时间为1min，砂粒为SiO₂玻璃球。

接下来，用电弧离子镀设备涂覆涂层。涂覆过程中，真空度为10^-2Pa，首先在样品上沉积一层Zr，再沉积一层NiCoCrAlYSiB。沉积Zr层时间为100min，NiCoCrAlYSiB层时间为2h。沉积完后，涂层样品经过800℃/10h去应力退火。然后再将这些样品进行标准固溶处理，空冷后将样品切开观察产生的再结晶组织。经过上述处理后的样品平均再结晶深度为16微米，如图2所示；而直接固溶处理的样品再结晶深度为30微米，如图1所示。

实施例2DZ125L定向凝固合金2#涂层控制再结晶。

定向凝固设备制备出DZ125L定向凝固镍基镍基高温合金板，用线切割从板上切取2×12×12mm的方块。将12×12(定向柱晶生长方向)的面磨光，用喷砂装置进行喷砂处理。喷砂参数如下：喷砂压力为0.3MPa，喷砂时间为1min，砂粒为SiO₂玻璃球。

接下来，用电弧离子镀设备涂覆涂层。涂覆过程中，真空度为10^-2Pa，首先在样品上沉积一层石墨，沉积时间为1h，然后再沉积一层NiCoCrAlYSiB，沉积时间为8h。沉积完后，对涂层样品进行800℃/10h去应力退火处理。然后再将这些样品进行标准固溶处理，空冷后将样品切开观察产生的再结晶组织。经过上述处理后的样品平均再结晶深度为15微米，而直接固溶处理的样品再结晶深度为30微米。

实施例3DZ125L定向凝固合金3#涂层控制再结晶。

定向凝固设备制备出DZ125L定向凝固镍基镍基高温合金板，用线切割从板上切取2×12×12mm的方块。将12×12(定向柱晶生长方向)的面磨光，用喷砂装置进行喷砂处理。喷砂参数如下：喷砂压力为0.3MPa，喷砂时间为1min，砂粒为SiO₂玻璃球。

接下来，用电弧离子镀设备涂覆涂层。涂覆过程中，真空度为10^-2Pa，首先在样品上沉积一层CrC，沉积时间为1h，然后再沉积一层Cr₂O₃，沉积时间为30min，最后沉积一层NiCoCrAlYSiB，沉积时间为8h。沉积完后，对涂层样品进行800℃/10h去应力退火处理。然后再将这些样品进行标准固溶处理，空冷后将样品切开观察产生的再结晶组织。经过上述处理后的样品平均再结晶深度为19微米，而直接固溶处理的样品再结晶深度为30微米。

实施例4DZ125L定向凝固合金3#涂层控制再结晶。

定向凝固设备制备出DZ125L定向凝固镍基镍基高温合金板，用线切割从板上切取2×12×12mm的方块。将12×12(定向柱晶生长方向)的面磨光，用喷砂装置进行喷砂处理。喷砂参数如下：喷砂压力为0.3MPa，喷砂时间为1min，砂粒为SiO₂玻璃球。

接下来，用电弧离子镀设备涂覆涂层。涂覆过程中，真空度为10^-2Pa，首先在样品上沉积一层Cr₂O₃，沉积时间为30min，然后沉积一层NiCoCrAlYSiB，沉积时间为8h。沉积完后，对涂层样品进行800℃/10h去应力退火处理。然后再将这些样品进行标准固溶处理，空冷后将样品切开观察产生的再结晶组织。经过上述处理后的样品平均再结晶深度为27微米，而直接固溶处理的样品再结晶深度为30微米。说明Cr₂O₃/NiCoCrAlYSiB涂层对DZ125L合金再结晶的控制效果较差。