1、高溫合金熱處理工藝研究進展

2、Rene95鎳基高溫合金

3、高溫合金渦輪盤制造工藝

高溫合金熱處理工藝研究進展

摘要高溫合金是一類在高溫及一定應(yīng)力條件下長期工作的高溫金屬材料，具有良好的綜合性能，被廣泛地應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域。

適當?shù)臒崽幚砉に囃ㄟ^改變合金的微觀組織來提升其性能。

高溫合金具有優(yōu)異的高溫強度、良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能、優(yōu)異的蠕變性能、良好的疲勞性能和斷裂韌性等綜合性能，已成為航空和工業(yè)用燃氣輪機的渦輪葉片、導(dǎo)向葉片、渦輪盤等高溫部件不可替代的關(guān)鍵材料。

高溫合金按制備工藝可分為變形高溫合金、鑄造高溫合金和粉末冶金高溫合金。

時效熱處理是指在強化相析出的溫度區(qū)間內(nèi)加熱并保溫一定時間，使高溫合金的強化相均勻地沉淀析出，碳化物等均勻分布，從而實現(xiàn)硬化合金和提高其強度的作用。

２．１鐵基變形高溫合金ＧＨ２１３２合金具有突出的抗松弛能力、耐腐蝕能力和良好的綜合性能，適于作航空緊固件。

目前使用的ＧＨ２１３２合金達不到１１００ＭＰａ高強度要求來滿足工作條件和保證航空安全，因而需要進行一定的熱處理。

ＧＨ６９６合金屬于沉淀強化型鐵基變形高溫合金，在高溫條件下具有較高持久蠕變強度，良好的抗氧化、抗腐蝕等綜合性能。

它的表面硬度和耐磨性限制了在航空方面的應(yīng)用范圍。

王淑新對ＧＨ６９６合金進行了表面熱處理工藝的研究，采用氣體滲氮法，以氨氣作為滲氮劑，以氯化銨作為催滲劑。

滲氮前試樣先進行固溶處理，工藝為（１０００～１１００）℃（１～２）ｈ油冷；固溶處理后進行兩次時效處理，一次時效處理工藝（７５０～７８０）℃１６ｈ空冷；二次時效處理工藝（６９０～７１０）℃１６ｈ空冷。

２．２鎳基變形高溫合金ＧＨ１４５合金主要用于制造航空發(fā)動機在８００℃以下工作并要求強度較高的耐松弛的平面彈簧和螺旋彈簧。

ＧＨ１４５合金主要靠第二相′強化，其力學(xué)性能與固溶處理溫度和時間關(guān)系密切。

王增友等［５］采用了（１１３５１０）℃２ｈ微量風(fēng)冷固溶處理，（８４５１０）℃２４ｈ爐冷至（７２０１０）℃１９ｈ空冷時效處理，得到了較為滿意的力學(xué)性能。

此種材質(zhì)螺栓經(jīng)過高溫運行后，會發(fā)生顯微組織及位錯組態(tài)變化、強化相析出等，導(dǎo)致材料的蠕變和持久性能下降。

閻光宗等為了改善其性能，對運行后硬度值為３３３ＨＢＷ的螺栓進行恢復(fù)熱處理，熱處理工藝為固溶＋兩次時效，固溶工藝為１１３０℃１ｈ油冷；首次時效為８4５℃２４ｈ，第二次時效為７０７℃２０ｈ空冷。

采用９７０～９９５℃軟化處理制度，軟化處理后進行中間處理和固溶時效處理，中間處理制度為９００℃空冷，固溶時效處理制度為１０１０℃空冷＋７２０℃８ｈ爐冷至６２０℃８ｈ空冷。

軟化處理可以使硬度明顯降低，有利于第二次冷軋的進行；采用９９５℃進行軟化處理，可以得到更好的軟化效果，且對合金組織性能無影響；ＧＨ４１６９合金冷軋變形后，軟化處理對力學(xué)性能影響很小，而中間處理和最終固溶時效熱處理是決定力學(xué)性能的重要工序。

張毅峰等對葉片鍛件用ＧＨ４１６９合金的３種熱處理工藝進行了研究。

（２）（９５０～９８０）℃１０℃２ｈ水冷＋（７２０５）℃８ｈ，以５０℃／ｈ爐冷至（６２０５）℃８ｈ空冷。

此制度處理后有相，有利于消除缺口敏感性，也稱為標準熱處理制度。

加入微量元素Ｐ和Ｂ后，ＧＨ４１６９合金改稱為ＧＨ４１６９Ｇ合金，承溫能力進一步提高。

合金中′、′′和相具有不同的形態(tài)、體積分數(shù)、晶格常數(shù)和錯配度。

因此，合金具有不同的力學(xué)和蠕變性能，相轉(zhuǎn)變機制尚不清楚。

田素貴等研究了熱處理對ＧＨ４１６９Ｇ合金相組成和分布規(guī)律的影響：（１）直接時效處理是７２０℃８ｈ，隨后以５０℃／ｈ的冷速隨爐冷卻至６２０℃８ｈ空冷；（２）長期時效處理是直接時效后，在６８０℃３００ｈ空冷。

直接時效處理ＧＨ４１６９Ｇ合金由少量′相、大量′′相和基體組成，而長期時效處理ＧＨ４１６９Ｇ合金由少量′相、大量′′相和相及針狀相組成。

ＧＨ７３８合金具有良好的耐腐蝕能力、較高的屈服強度、疲勞性能和理想的蠕變性能，廣泛用于燃氣輪機和航空發(fā)動機渦輪盤等承力部件及高溫部件。

３．１等軸晶高溫合金Ｋ４８０合金是′相沉淀強化的鎳基鑄造高溫合金，具有良好的組織穩(wěn)定性和優(yōu)異的耐熱腐蝕等綜合性能。

合金經(jīng)過１１３０℃亞固溶處理后，組織為大小兩種尺寸的′相；經(jīng)過１１９０℃、１２１０℃和１２３０℃過固溶處理后空冷，析出均勻的′相，并且隨著固溶溫度的升高，碳化物和共晶的含量逐漸降低。

一次時效處理，固溶態(tài)′相平均尺寸隨時效溫度升高而增大，二次時效和全時效過程中，細小的３次′相又重新溶解到基體或周圍的大尺寸′相中。

Ｋ４１６９鎳基鑄造高溫合金具有良好的中溫強度和較好的機加工性。

３．２定向凝固高溫合金ＤＺ１２５合金具有較高的力學(xué)性能和良好的可鑄性，是航空發(fā)動機研制的定向凝固高壓渦輪葉片材料。

佘力等對ＤＺ１２５熱處理工藝進行了研究，采用一步工藝（１２１０℃２ｈ空冷＋８７０℃３２ｈ空冷）和三步工藝（１１８０℃２ｈ空冷＋（１２３０１０）℃３ｈ空冷＋１１００℃４ｈ空冷＋８７０℃２０ｈ空冷）進行熱處理。

采用三步熱處理工藝明顯改善了顯微組織，１１８０℃預(yù)處理消除了合金中的低熔點相，有效地抑制了合金的初熔，提高了合金的固溶溫度。

隨著固溶溫度的提高，元素枝晶偏析減輕；１１００℃高溫時效調(diào)整了細小′相的尺寸和形狀，使合金中溫、高溫持久壽命比一步熱處理有不同程度的提高。

ＤＺ１２５Ｌ是高性能定向凝固鎳基高溫合金，主要應(yīng)用環(huán)境為推重比７～８渦轉(zhuǎn)發(fā)動機一級渦輪葉片。

激光金屬成形組織細密，形成過飽和固溶體且抑制′相析出，在晶界析出點狀不連續(xù)ＭＣ碳化物，無法滿足高溫合金使用要求。

胡小華等研究了熱處理工藝對激光金屬成形ＤＺ１２５Ｌ高溫非平衡組織及硬度的影響。

對鑄造標準熱處理工藝進行改進，均勻化和固溶處理十分必要，但需要控制相應(yīng)時間，可以適當縮短時效處理時間。

ＤＺ４１７Ｇ是定向凝固鎳基鑄造高溫合金，具有中溫強度高、蠕變性能好和組織穩(wěn)定等優(yōu)點，適用于制作導(dǎo)向葉片等高溫用部件。

３．３單晶高溫合金當合金中含有難熔元素Ｒｅ、Ｗ時，由于元素Ｒｅ、Ｗ具有較低的擴散系數(shù)，因此需要較高的固溶溫度和較長的擴散時間。

王明罡等對含元素Ｒｅ、Ｗ單晶合金進行了３種不同溫度的固溶處理，固溶溫度分別為１３００℃、１３１０℃、１３２０℃。

不同溫度下固溶處理，合金具有不同的蠕變壽命，其中高溫固溶處理可提高合金成分的均勻化程度，抑制ＴＣＰ相的析出。

采?。斗N熱處理制度與標準熱處理制度進行對比實驗分析，得知固溶處理后，較高的過飽和度促使′相在不同的冷卻速度條件下均大量析出。

冷卻速度對一次′相尺寸和二次′相析出影響較大。

冷卻速度較快的固溶加一次時效空冷試樣的基體通道內(nèi)有大量的二次′相析出。

ＤＤ６單晶高溫合金８７０℃二次時效，隨保溫時間延長，二次′相逐漸溶解。

單晶高溫合金中沒有晶界強化元素，因此再結(jié)晶區(qū)域成為性能薄弱環(huán)節(jié)。

與固溶態(tài)相比，時效處理后的再結(jié)晶深度變化不大。

ＤＤ８合金是抗熱腐蝕單晶合金，國內(nèi)對ＤＤ８的熱處理工藝研究較少，張靜華等對ＤＤ８的熱處理工藝進行了研究。

ＤＤ８合金的高溫固溶熱處理在１２２０～１２６０℃之間進行。

通過不同熱處理工藝的研究得出ＤＤ８單晶合金的最佳熱處理工藝為１１００℃８ｈ空冷＋１２４０℃４ｈ空冷＋１０９０℃２ｈ空冷＋８５０℃２４ｈ空冷。

ＤＤ８合金經(jīng)上述熱處理可獲得較理想的微觀組織，均勻化效果顯著，樹枝晶偏析明顯改善，合金的持久強度提高。

ＦＧＨ９５合金是′相沉淀強化型粉末鎳基高溫合金，具有晶粒細小、組織均勻、無宏觀偏析等優(yōu)點，是制造大推重比新型發(fā)動機渦輪盤的優(yōu)選材料。

在鎳基合金中和′兩相具有不同的晶格常數(shù)，使其相界面存在晶格錯配度，從而影響合金的蠕變抗力和壽命。

相同熱處理工藝，ＨＩＰ溫度越高，時效析出的′相尺寸越大，不同熱處理制度均能改變′的分布；鹽浴冷卻明顯增大中等尺寸′相數(shù)量，顯著提高合金高溫塑性。

ＦＧＨ９７是我國研制的與ＥＰ７４１ＮＰ牌號相近的合金。

張瑩等采取不同的熱處理工藝，對ＦＧＨ９７所需的組織性能進行了研究。

ＦＧＨ９８Ⅰ是新型第三代鎳基粉末高溫合金。

由于ＦＧＨ９８Ⅰ合金的試制才剛開始，對其熱處理工藝的研究還很不充分。

吳凱等研究了固溶熱處理對ＦＧＨ９８Ⅰ合金組織與性能的影響。

亞／過固溶溫度選?。保保常啊妫保保梗啊?，保溫時間為１ｈ，油淬至８１５℃保溫８ｈ后空冷進行時效處理。

ＦＧＨ４０９５合金是沉淀強化型鎳基高溫合金，主要用于航空發(fā)動機渦輪盤的制造。

為了得到晶粒細化、無宏觀偏析的組織，需對其進行相應(yīng)的熱處理。

徐軼等研究了中間熱處理１０６０℃４ｈ爐冷對ＦＧＨ４０９５組織性能的影響。

中間熱處理能夠改善′相的形狀及分布；經(jīng)中間處理，材料高溫拉伸性能明顯提高，屈服強度從１１５０ＭＰａ提高到１２１０ＭＰａ，拉伸強度從１２３０ＭＰａ提高到１４６０ＭＰａ；中等尺寸′相數(shù)量增加，晶界得到優(yōu)化，合金高溫塑性得到提高。

高溫合金在嚴格控制的加熱和冷卻條件下進行熱處理，通過改變材料內(nèi)部的顯微組織來達到所要求的使用性能或服役壽命。

隨著新高溫合金材料的應(yīng)用以及使用過程中對合金性能提出的高要求，熱處理工藝是必不可少的過程。

近年來高溫合金熱處理工藝不斷發(fā)展，其發(fā)展趨勢如下：。

（２）計算機模擬與熱處理工藝相結(jié)合，對合金的變形量及熱處理進行深入的研究。

研究熱處理工藝過程控制系統(tǒng)，在重視設(shè)備更新的同時實現(xiàn)工藝的創(chuàng)新，設(shè)備與工藝并行發(fā)展。

（４）深入研究高溫合金的適宜的淬火介質(zhì)，改進淬火工藝，將是今后熱處理工藝的研究重點。

（６）等離子表面處理具有耐磨損、畸變小、外觀好和無盲區(qū)等特點，將在高溫合金中得到廣泛應(yīng)用，包括離子滲氮、離子氮碳共滲、離子滲碳等技術(shù)。

Rene95鎳基高溫合金

合金在工作溫度長期時效和長期應(yīng)力時效后，組織穩(wěn)定、沒有有害相析出。

采用真空感應(yīng)熔煉母合金，經(jīng)氬氣霧化粉末(AA)或等離子旋轉(zhuǎn)電極法(PREP)制取合金粉末，經(jīng)熱等靜壓直接成形(AS-HIP)、或HIP+等溫鍛、或HIP+熱模鍛等工藝制成零件毛坯。

PREP粉末粒度為50m-150m,AA粉末粒度為20m-100m。

制度Ⅱ：（1140-1160）℃10℃(1-2)h/鹽淬+870℃10℃l.5h/AC+650℃10℃24h/AC，適于環(huán)形件。

高溫合金渦輪盤制造工藝

國際上俄羅斯主要采用這種工藝制造高強度高溫合金渦輪盤（典型有742、79、151、152，渦輪盤），通過VIM、ESR、VAR提純材料純度，在+/兩相區(qū)熱變形，同時采用控制動態(tài)再結(jié)晶方法等。

粉末冶金是為了減少目前制造渦輪盤成本而出現(xiàn)的一種材料制造和加工工藝。

粉末冶金的工序分為制粉、壓制與燒結(jié)兩道工序。

通過制粉工序，一是可以保證加工工序開始時合成材料的均勻性；二是可以獲得以常規(guī)方法處理不能得到的人造合金組織。

通過壓制和燒結(jié)工序，可以將松散的粉末壓制成具有一定“生料”強度的比較致密的固體型坯，以便進一步加工處理。

噴射成形將金屬熔體的霧化與沉積成形合二為一，是一種新型快速凝固技術(shù),適于新型高溫合金渦輪盤類坯錠制備。

采用該技術(shù)制備的高溫合金坯錠具有組織細小均勻、無宏觀偏析、改善熱加工性和提高材料的使用性能等優(yōu)點。