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CN116043149A - 一种低膨胀高温合金组炉均质化处理方法 - Google Patents

一种低膨胀高温合金组炉均质化处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低膨胀高温合金铸锭组炉均质化处理方法，涉及高合金化高温合金热加工技术领域，所述方法包括：将低膨胀高温合金在t1时间内，以恒定速率升温到T1℃，并保温t2‑t1时间；继续以恒定速率升温到T2℃，所用时间为t3‑t2，并在T2℃下保温t4‑t3；继续以恒定速率升温到T3℃，所用时间为t5‑t4，并在T3℃下保温t6‑t5；在T3℃延长保温时间，所用时间为t7‑t5，完成低膨胀高温合金组炉均质化处理。该方法通过研究偏析元素在合金中的含量比，了解各元素的偏析程度，在后续的组炉均质化过程中，可更快速的消除偏析，从而减少均质化时间，实现减少能耗，降本增效。

Description

一种低膨胀高温合金组炉均质化处理方法
技术领域
本发明涉及高合金化高温合金热加工技术领域，尤其涉及一种低膨胀高温合金组炉均质化处理方法。
背景技术
低膨胀高温合金由于具有较高的强度、低的膨胀系数以及恒定不变的弹性模量，能够提高发动机的效率、推力，减少燃气损失，因此广泛用于制造航空发动机涡轮外环、压气机和封严环等间隙控制零件。为了确保合金在长期使用过程中的寿命和可靠性，合金必须具备足够的组织和性能稳定。研究表明，提高高温合金材料性能的重要前提是提高合金的均质化水平。其中，高温合金的均质化主要包含合金成分、组织的均匀性以及第二相分布的均匀性。近年来，随着航空航天、国防军工以及海洋开发等高新技术领域的发展，低膨胀高温合金需求量的大幅增加，传统的低膨胀高温合金均质化方法也显露出了较大的弊端，由于缺乏理论支撑，每种低膨胀合金只能进行单独的均质化处理，无法进行组炉搭配，严重制约着企业的生产能力，同时也造成了巨大的耗能。因此研究低膨胀高温合金铸锭的组炉均质化工艺，既是对合金质量的提高，也是对生产经济性的改善。
目前关于均质化工艺的研究更多的是集中在单一牌号的高温合金或其他钢种的组炉上，关于高温合金的组炉均匀化报道很少。
专利CN107523772B，公开了“一种U720Li高温合金的均匀化工艺”，通过加热炉温至1080～1120℃，并保温20h以上以溶解低熔点Ni5Zr相，在1160～1180℃下保温3h以上以消除M3B2硼化物，1200～1220℃下保温30h以上溶解γ+γ′共晶，以此来有效消除U720Li合金铸锭的元素偏析并提高热加工塑性。
CN110268076A，公开了一种“用于均匀化钢组合物的方法”，它通过将钢组合物加热到纯奥氏体相温度范围的上部分内的温度，并且将钢组合物维持在该温度持续一时间段，该段时间基于钢中的至少一种成分在钢组合物的奥氏体相中的扩散率来确定，以此来改善钢的性能和稠度。
基于上述分析，提出一种低膨胀高温合金组炉均质化处理方法是非常有必要的，在节能减排，降低企业生产成本方面具有重要的意义，同时，对推动后续生产加工，提高效率方面具有重要的促进作用。
发明内容
本发明目的在于提供一种低膨胀高温合金铸锭组炉均质化处理方法，这类合金铸态条件下的主要偏析相和偏析元素基本保持一致，由于均质化的目的是回溶合金中的低熔点脆性相和消除元素偏析，因此将低膨胀高温合金进行组炉均质化是可行的。此外通过研究偏析元素在合金中的含量比，了解各元素的偏析程度，在后续的组炉均质化过程中，可更快速的消除偏析，从而减少均质化时间，实现减少能耗，降本增效。这对国内从事高温合金退火处理的企业、钢厂以及高校都具有十分重要的指导意义，将会产生重大的经济价值。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
根据本公开的一个方面，提供一种低膨胀高温合金组炉均质化处理方法，所述方法包括如下步骤：
将低膨胀高温合金在t1时间内，以恒定速率升温到T1℃，并保温t2-t1时间；
继续以恒定速率升温到T2℃，所用时间为t3-t2，并在T2℃下保温t4-t3；
继续以恒定速率升温到T3℃，所用时间为t5-t4，并在T3℃下保温t6-t5；
在T3℃延长保温时间，所用时间为t7-t5，完成低膨胀高温合金组炉均质化处理。
在一种可能是实施方式中，所述低膨胀高温合金包括：GH2903、GH2907、GH2909和GH6783。
进一步地，以质量百分计，其中；
所述GH2903合金的化学组分包括：
Ni：36.0％～39.0％；Co：14.0％～17.0％；Ti：1.35％～1.75％；Nb：2.70％～3.50％；余量为Fe；
所述GH2907合金的化学组分包括：
Ni：35.0％～40.0％；Co：12.0％～16.0％；Ti：1.30％～1.80％；Nb：4.30％～5.20％；余量为Fe；
所述GH2909合金的化学组分包括：
Ni：35.0％～40.0％；Co：12.0％～16.0％；Ti：1.30％～1.80％；Nb：4.30％～5.20％；余量为Fe；
所述GH6783合金的化学组分包括：
Ni：26.0％～30.0％；Fe：24.0％～27.0％；Ti≤0.40％；Nb：2.50％～3.50％；余量为Co。
在一种可能是实施方式中，所述GH2903合金的均质化工艺包括：
加热温度为1130℃～1190℃；加热时间为24h。
在一种可能是实施方式中，所述GH2907合金的均质化工艺包括：
加热温度为1100℃～1190℃；加热时间为24h。
在一种可能是实施方式中，所述GH2909合金的均质化工艺包括：
加热温度为1130℃～1190℃；加热时间为12～48h。
在一种可能是实施方式中，所述GH6783合金的均质化工艺包括：
加热温度为1100℃～1190℃；加热时间为12～60h。
在一种可能是实施方式中，所述低膨胀高温合金组炉均质化处理中，各合金铸锭直径d需满足的条件包括：
0mm＜d1，d2，d3，d4＜660mm；
其中，d1表示GH2903合金铸锭直径，d2表示GH2907合金铸锭直径，d3表示GH2909合金铸锭直径，d4表示GH6783合金铸锭直径。
在一种可能是实施方式中，所述低膨胀高温合金组炉均质化处理中，温度T1-T3需满足的条件包括：
1100℃≤T1＜T2＜T3≤1190℃。
在一种可能是实施方式中，所述低膨胀高温合金组炉均质化处理中，时间t1-t7需满足的条件包括：
12h≤t2-t1＜t4-t3＜t6-t5＜t7-t5≤100h。
本发明的技术效果和优点：
通过介绍低膨胀合金铸态条件下的主要偏析相和偏析元素，偏析元素在合金中所占的质量百分比以及对偏析相的影响，还包括各偏析元素的偏析程度；同时，依据低膨胀合金的铸锭直径来设计满足合金组炉热处理的均质化方法，能够大幅缩短时间，节约成本，加快生产进度；同一合金在铸锭改变时，由于合金中主要元素种类占比不变，仍可按本方案进行制定具体的热处理工艺。本发明为低膨胀高温合金组炉均质化提供了理论指导，使均匀化的设计更具有科学性，为工业化生产提供了保证。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
图1为本发明示例性实施例的一种低膨胀高温合金组炉均质化处理方法流程图；
图2为本发明示例性实施例的低膨胀高温合金组炉均质化工艺示意图；
图3为本发明示例性实施例的低膨胀高温合金铸态枝晶图；
图4为本发明示例性实施例的低膨胀高温合金组炉均质化后组织图。
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。
附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的步骤。例如，有的步骤还可以分解，而有的步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。
本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或子模块的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或子模块，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或子模块。
图1为本发明示例性实施例的一种低膨胀高温合金铸锭组炉均质化处理方法流程图，如图1所示，本发明示例性实施例提供了一种低膨胀高温合金铸锭组炉均质化处理方法，所述方法包括如下步骤：
将低膨胀高温合金在t1时间内，以恒定速率升温到T1℃，并保温t2-t1时间；
继续以恒定速率升温到T2℃，所用时间为t3-t2，并在T2℃下保温t4-t3；
继续以恒定速率升温到T3℃，所用时间为t5-t4，并在T3℃下保温t6-t5；
在T3℃延长保温时间，所用时间为t7-t5，完成低膨胀高温合金组炉均质化处理。
根据本发明的一个实施方式，所述低膨胀高温合金包括：GH2903、GH2907、GH2909和GH6783；其主要偏析元素包括：Ni、Fe、Co、Ti、Nb；其主要偏析相包括：Laves相、MC相。如下表1为偏析元素在低膨胀高温合金中所占的质量百分比；其中，
GH2903合金的化学组分包括：
Ni：36.0％～39.0％；Co：14.0％～17.0％；Ti：1.35％～1.75％；Nb：2.70％～3.50％；余量为Fe。
GH2907合金的化学组分包括：
Ni：35.0％～40.0％；Co：12.0％～16.0％；Ti：1.30％～1.80％；Nb：4.30％～5.20％；余量为Fe。
GH2909合金的化学组分包括：
Ni：35.0％～40.0％；Co：12.0％～16.0％；Ti：1.30％～1.80％；Nb：4.30％～5.20％；余量为Fe。
GH6783合金的化学组分包括：
Ni：26.0％～30.0％；Fe：24.0％～27.0％；Ti≤0.40％；Nb：2.50％～3.50％；余量为Co。
表1偏析元素在低膨胀高温合金中所占的质量百分比。
型号 Ni Fe Co Ti Nb
GH2903 36.0～39.0 余量 14.0～17.0 1.35～1.75 2.70～3.50
GH2907 35.0～40.0 余量 12.0～16.0 1.30～1.80 4.30～5.20
GH2909 35.0～40.0 余量 12.0～16.0 1.30～1.80 4.30～5.20
GH6783 26.0～30.0 24.0～27.0 余量 ≤0.40 2.50～3.50
Nb元素主要富集在合金的枝晶间，为正偏析元素，Nb含量过多会导致严重的凝固偏析，促进Laves相在枝晶间大量析出，Nb也能促进凝固过程中一次NbC的析出。
Ti元素主要富集在合金的枝晶间，为正偏析元素，Ti是MC型碳化物的主要形成元素。
Ni元素主要富集在合金的枝晶间，为正偏析元素，Ni元素在凝固过程中促进Laves相在枝晶间大量析出。
Fe元素主要富集在合金的枝晶干，为负偏析元素，Fe元素也是低熔点脆性相的主要构成元素，促进Laves相的析出。
Co元素主要富集在合金的枝晶干，为负偏析元素，Co含量的增加能够减少Laves相的析出。
低膨胀高温合金中，各元素在Laves相中的偏析程度为：Nb>Ti>Fe>Ni>Co。
合金铸锭直径为d1的GH2903合金退火时，均质化工艺为1130℃～1190℃/24h；铸锭直径为d2的GH2907合金退火时，均质化工艺为1100℃～1190℃/24h；铸锭直径为d3的GH2909合金退火时，均质化工艺为1130℃～1190℃/12～48h；铸锭直径为d4的GH6783合金退火时，均质化工艺为1100℃～1190℃/12～60h。
比较GH2903、GH2907、GH2909、GH6783等不同铸锭直径下的低膨胀高温合金均质化工艺，当合金铸锭直径在d1、d2、d3、d4范围时，可将这类合金进行组炉均质化处理。
图2为本发明示例性实施例的低膨胀高温合金组炉均质化工艺示意图，如图2所示，热处理炉在t1时间内，以某一恒定速率升温到T1℃，在T1℃下，保温t2-t1时间后，可实现对GH2903合金的均质化，元素扩散均匀。
继续以恒定速率升温到T2℃，所用时间为t3-t2，在T2℃下保温t4-t3，可实现对GH2907合金的均质化。
继续以恒定速率升温到T3℃，所用时间为t5-t4，在T3℃下保温t6-t5，可实现对GH6783合金的均质化。
在T3℃延长保温时间，所用时间为t7-t5，此时偏析消除，可实现对GH2909合金的均匀化。
低膨胀高温合金组炉均质化处理方法中，合金铸锭直径d、温度T和时间t需要满足的条件包括：0mm＜d1，d2，d3，d4＜660mm，1100℃≤T1＜T2＜T3≤1190℃，12h≤t2-t1＜t4-t3＜t6-t5＜t7-t5≤100h。
图3为本发明示例性实施例的低膨胀高温合金铸态枝晶图，其中，a为GH2909合金，b为GH6783合金，从图3可以明显观察到GH2909合金和GH6783合金中的枝晶，以及枝晶间的Laves相。
图4为本发明示例性实施例的低膨胀高温合金组炉均质化后组织图，其中，a为GH2909合金，b为GH6783合金，从图4可以观察到，GH2909合金和GH6783合金中的枝晶完全消除，枝晶间的Laves相也完全回溶，实现了均匀化。
需要说明的是，本发明提出一种低膨胀高温合金组炉均质化处理方法，在涉及具体均质化制度时，还需根据铸锭尺寸、元素偏析状况、热处理炉的参数以及温升条件进行搭配。本发明低膨胀高温合金组炉均质化处理方法不局限于低膨胀高温合金铸锭，凡利用本发明原理进行退火处理的均在本发明的专利保护范围之内。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种低膨胀高温合金组炉均质化处理方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
将低膨胀高温合金在t1时间内，以恒定速率升温到T1℃，并保温t2-t1时间；
继续以恒定速率升温到T2℃，所用时间为t3-t2，并在T2℃下保温t4-t3；
继续以恒定速率升温到T3℃，所用时间为t5-t4，并在T3℃下保温t6-t5；
在T3℃延长保温时间，所用时间为t7-t5，完成低膨胀高温合金组炉均质化处理。
2.根据权利要求1所述的一种低膨胀高温合金组炉均质化处理方法，其特征在于，所述低膨胀高温合金包括：GH2903、GH2907、GH2909和GH6783。
3.根据权利要求2所述的一种低膨胀高温合金组炉均质化处理方法，其特征在于，以质量百分计，其中；
所述GH2903合金的化学组分包括：
Ni：36.0％～39.0％；Co：14.0％～17.0％；Ti：1.35％～1.75％；Nb：2.70％～3.50％；余量为Fe；
所述GH2907合金的化学组分包括：
Ni：35.0％～40.0％；Co：12.0％～16.0％；Ti：1.30％～1.80％；Nb：4.30％～5.20％；余量为Fe；
所述GH2909合金的化学组分包括：
Ni：35.0％～40.0％；Co：12.0％～16.0％；Ti：1.30％～1.80％；Nb：4.30％～5.20％；余量为Fe；
所述GH6783合金的化学组分包括：
Ni：26.0％～30.0％；Fe：24.0％～27.0％；Ti≤0.40％；Nb：2.50％～3.50％；余量为Co。
4.根据权利要求3所述的一种低膨胀高温合金组炉均质化处理方法，其特征在于，所述GH2903合金的均质化工艺包括：
加热为1130℃～1190℃；加热时间为24h。
5.根据权利要求3所述的一种低膨胀高温合金组炉均质化处理方法，其特征在于，所述GH2907合金的均质化工艺包括：
加热温度为1100℃～1190℃；加热时间为24h。
6.根据权利要求3所述的一种低膨胀高温合金组炉均质化处理方法，其特征在于，所述GH2909合金的均质化工艺包括：
加热温度为1130℃～1190℃；加热时间为12～48h。
7.根据权利要求3所述的一种低膨胀高温合金组炉均质化处理方法，其特征在于，所述GH6783合金的均质化工艺包括：
加热温度为1100℃～1190℃；加热时间为12～60h。
8.根据权利要求1所述的一种低膨胀高温合金组炉均质化处理方法，其特征在于，所述低膨胀高温合金组炉均质化处理中，各合金铸锭直径d需满足的条件包括：
0mm＜d1，d2，d3，d4＜660mm；
其中，d1表示GH2903合金铸锭直径，d2表示GH2907合金铸锭直径，d3表示GH2909合金铸锭直径，d4表示GH6783合金铸锭直径。
9.根据权利要求1所述的一种低膨胀高温合金组炉均质化处理方法，其特征在于，所述低膨胀高温合金组炉均质化处理中，温度T1-T3需满足的条件包括：
1100℃≤T1＜T2＜T3≤1190℃。
10.根据权利要求1所述的一种低膨胀高温合金组炉均质化处理方法，其特征在于，所述低膨胀高温合金组炉均质化处理中，时间t1-t7需满足的条件包括：
12h≤t2-t1＜t4-t3＜t6-t5＜t7-t5≤100h。
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