一种低铼单晶铸件的组织及性能优化新工艺

摘要

本发明属于镍基高温合金领域，涉及一种低铼镍基单晶合金的组织及性能优化新工艺。本发明采用计算机模拟软件结合差热分析的实验手段，更加准确的确定热处理工艺制度；同时，本发明利用热等静压技术与热处理技术相结合，在有效消除单晶铸件中的显微疏松和缩孔等铸造缺陷的同时，通过优势互补避免了现有方法存在的铸件表面再结晶问题，提高了单晶铸件的强度和持久性能；此外，本发明通过阶梯式升温方法避免了传统热处理工艺容易造成的铸件内部出现初熔现象并通过三次时效处理，相对于传统的时效处理获得了更多数量的γ’强化相析出，并且强化相分布均匀、尺寸适宜、形状规整，能够进一步提高合金的抗疲劳、抗变形能力。

说明书

技术领域

本发明属于镍基高温合金领域，涉及一种低铼镍基单晶合金的组织及性能优化新工艺。

背景技术

镍基单晶高温合金具有良好的抗蠕变和抗疲劳性能，良好的抗氧化及耐腐蚀性能，被广泛的应用于航空发动机和工业燃气轮机的热端部件。随着航天技术和燃气轮机技术的发展，高温合金工作温度也相应提高，因此，合金中的难熔元素含量不断地提高，在第三代镍基高温合金中，Re、Mo、W、Ta等强化元素的总含量已经超过20wt％，其中元素Re具有重要的作用，因此以Re含量0％、3％、6％作为区分第一代、第二代和第三代镍基单晶高温合金的标准。大量的难熔元素加入使得合金微观组织在定向凝固过程中偏离平衡状态，出现枝晶偏析，γ’相尺寸不均匀，以及低熔点共晶相析出，显微疏松等铸态缺陷，严重影响合金的各项性能，因而在使用前都必须经过合适的处理。在高温合金服役过程中，显微疏松是失效发生的主要裂纹源之一，利用热等静压技术可以有效消除合金中的显微疏松，改善微观组织，提高合金致密度；对于第三代高温合金而言，高含量的难熔元素，尤其是Re元素的加入，显著提高了各元素的互扩散系数，加重了铸态偏析，使得枝晶间共晶组织更容易出现初熔，缩小了热处理窗口，因而采取多段式热处理才能够消除低熔点共晶，提高强化相形貌和体积分数，改善合金的各项性能。

关于镍基单晶高温合金的优化工艺设计与研究已较为普遍的存在，通过专利检索发现：中国专利文献号CN104404418A“一种镍基高温合金的热处理方法”记录了一种热处理方法，此方法虽然能够提高合金的热加工性能，但是没有进行均匀化热处理，导致合金初始组织不均匀，初熔温度较低；另一方面，水淬冷却的方法容易造成强化相来不及析出，减少了γ’相的体积分数，降低了合金在高温下的力学性能。

中国专利文献号CN104746145A记载了“镍基单晶高温合金的热处理工艺”，该方法可以改善高温合金的高温持久性能，然而第三代高温合金初熔温度达到1350℃以上，文献中温度参数设定过低，无法起到良好的热处理效果；同时，由于难熔元素扩散速度较慢，该方法固溶时间过短，元素偏析改善效果不明显，而且未采用阶梯式升温，很容易导致枝晶间低熔点区域初熔。

国外专利文献号RU2380454“单晶镍基高温合金铸件的热等静压处理方法”，记载了一种单晶高温合金的热等静压处理技术，该方法虽然也能达到改善铸件性能的目的，然而没有结合均匀化热处理、固溶处理、时效处理，导致合金中依然存在明显的偏析、共晶相等缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对一种低铼第三代镍基高温合金，提供一种设计合理，效果可靠的组织优化工艺，有效改善其单晶铸件的各项性能。

针对成分为(wt％)：Cr：2.0-4.0％，Co：7.0-10.0％，W：6.0-9.0％，Mo：1.0-2.0％，Re：3.0-4.5％，Ta：5.0-9.0％，Al：5.0-7.0％，Ti：0-0.5％，Nb：0.2-2.0％，Hf：0.1-0.2％，其余为Ni的第三代镍基单晶高温合金组织优化的技术方案如下：

步骤一：铸件表面清洁；

步骤二：确定合金热处理区间；

步骤三：制备单晶分析试样；

步骤四：确定制成的单晶铸件液相线温度和固相线温度；

步骤五：对铸件进行均匀化热处理；

步骤六：热等静压处理；

步骤七：对高温合金铸件进行固溶处理，空冷至室温；

步骤八：对经步骤七处理后的铸件进行一次时效处理，空冷至室温；

步骤九：对经步骤八处理后的铸件进行二次时效处理，空冷至室温；

步骤十：进行低温时效处理。

所述步骤一中，首先利用高压喷砂机除去铸件表面附着物，利用清洁液洗去铸件表面沙尘油污，清洗液为20％-30wt％浓度的NaOH溶液，加热至50℃，随后将清理后的铸件浸泡在清洗液中10-15min，取出后在清水中浸泡5min。

所述步骤二，利用热力学软件Jmatpro对所述合金成分进行平衡条件下相图模拟，初步确定合金固溶热处理温度区间为1290℃～1360℃。

所述步骤三，在单晶铸件不同部位切取热分析试样，抛光除去表面氧化层。

所述步骤四，将试样放入热分析仪内，升温最高至1500℃，随后自然冷却至室温，得到叶片试样的差热分析曲线(DTA)，并对曲线的吸热峰分析确定单晶铸件液相线温度和固相线温度。

所述步骤五确定合金的均匀化热处理制度为：将铸件置于1310℃真空环境下保温2-4h，以改善合金元素偏析，提高合金初熔温度。

所述步骤六热等静压处理制度：首先设定工艺参数温度范围为1100-1200℃，压力范围为150-200MPa，持续时间为2-4h；随后升温至1250-1310℃，压力范围为200-250MPa，持续时间为2-4h，保护气体为氩气，卸载后控制炉冷速度为15-30℃/s。

所述步骤七固溶处理制度为：升温至1320℃保温2-4h，然后升温至1325℃，保温2-4h，最后升温至1330℃，保温6-12h，空冷至室温。

所述步骤八的一次时效热处理制度：将合金在1160-1180℃真空环境下保温2-4h，空冷至室温。

所述步骤九的二次时效热处理制度：将合金在850-870℃真空环境下保温24h以上，空冷至室温。

所述步骤十低温时效热处理制度为：在步骤九之后，降温至750-760℃保温24h以上，空冷至室温。

与现有技术相比，本发明的优点及有益效果如下：相对于传统的简单的热处理工艺，本发明采用计算机模拟软件结合差热分析的实验手段，更加准确的确定热处理工艺制度；同时，本发明利用热等静压技术与热处理技术相结合，在有效消除单晶铸件中的显微疏松和缩孔等铸造缺陷的同时，通过优势互补避免了现有方法存在的铸件表面再结晶问题，提高了单晶铸件的强度和持久性能；另外，本发明是针对第三代镍基单晶高温合金的组织和性能的优化技术，相对于传统的一代和二代镍基单晶合金，更具先进性；此外，本发明通过阶梯式升温方法避免了传统热处理工艺容易造成的铸件内部出现初熔现象并通过三次时效处理，相对于传统的时效处理获得了更多数量的γ’强化相析出，并且强化相分布均匀、尺寸适宜、形状规整，能够进一步提高合金的抗疲劳、抗变形能力。

附图说明

图1是本发明性能优化工艺流程图。

图2单晶合金的热力学平衡相图，初步确定合金固溶热处理温度区间为1290℃～1360℃。

图3单晶合金的差热分析曲线(DTA)，准确测量的单晶铸件液相线温度和固相线温度。

图4是单晶铸件组织优化前后强化相形貌对比图。

具体实施方式

以下按照一个具体实施例对本发明进行进一步详细说明：

本实施例为一种低铼镍基单晶铸件的性能优化方法，具体合金成分为(wt％)：Cr：3％，Co：10％，W：8.5％，Mo：1％，Re：3.5％，Ta：5％，Al：6％，Ti：0.2％，Nb：0.2％，Hf：0.1％，其余为Ni。

步骤一，清理铸件表面。利用高压喷砂机吹去铸件表面的模壳残余，铸件的边角处、凹槽处、变截面处等不易清理部位，采用硬毛刷和砂纸手工清理。配制20％-30％浓度的NaOH溶液，将清洗液加热至50℃，注入水槽中，随后将清理后的铸件在清洗液中浸泡15min，取出后在清水中浸泡5min冲洗干净。

步骤二，初步确定合金热处理区间。利用热力学模拟软件Jmatpro计算平衡条件下给定成分的母合金热力学平衡相图，如图1所示，初步确定合金固溶热处理温度区间为1290℃～1360℃。

步骤三，制备单晶分析试样。在单晶铸件不同部位切取热分析试样，抛光除去表面氧化层。

步骤四，确定制成的单晶铸件液相线温度和固相线温度。将试样放入热分析仪内，升温最高至1500℃，随后自然冷却至室温，得到叶片试样的DTA曲线如图2。图像上共有三个吸热峰分别为1283.6℃、1345.4℃、1407.3℃。枝晶干与枝晶间的γ′强化相相在1283.6℃时基本完全溶解；(γ′+γ)共晶组织熔化温度为1345.4℃；而γ相在1407.3℃时几乎全部熔化。取最高峰最大斜率与基准线的交点作为onset点，即合金初熔温度为1358.2℃。因而该单晶高温合金的固相线温度为1358.2℃，液相线温度为1407.3℃。

步骤五，均匀化热处理。将清理过的单晶铸件置于真空热处理炉中加热至1310℃保温3h后随炉冷却至室温；

步骤六，热等静压处理。将均匀化热处理后的单晶铸件放入热等静压机内，往工作室内充入氩气，随后将炉内温度升至1180℃，压力升至150MPa，保持2h；随后升温至1300℃，压力提高到225MPa，保持2h；随后卸去载荷，设定热等静压机冷却速度为20℃/s，冷却至室温后抽出工作室内气体，取出铸件。

步骤七，将单晶铸件放入真空加热炉中升温至1320℃，保温3h；再进一步升温至1325℃，保温3h后升温至1330℃保温8h后，空冷至室温。

步骤八，高温时效热处理。将单晶铸件在1170℃真空环境下保温4h，空冷至室温；

步骤九，二次时效热处理。将单晶铸件置于860℃真空环境下保温24h，空冷至室温；

步骤十，低温时效。将单晶铸件在760℃温度下保温24h，随后打开炉门空冷至室温，取出铸件。