金属材料百科

高温合金热处理

2023-07-01

英文

heat treatment of superal-loy

简介

利用高温合金材料随温度变化发生组织结构转变的特性,以改善并控制其物理、力学性能的工艺,是高温合金材料制备工艺之一 。高温合金的热处理方法有扩散退火、固溶处理、时效、中间处理和特殊热处理等。

扩散退火(均匀化处理) 为了使高温合金锭的化学成分均匀,需要进行扩散退火以减少元素偏析,即在1150~1200℃高温下长时间(20~50h)保温。例如GH4169合金(中国)铸锭先在1160℃保温24h使Laves相(见高温合金材料的金属间化合物相)溶解,然后在1180℃,保温40h使成分充分均匀。

固溶处理 主要有两个目的:控制晶粒度;将析出相溶入基体。晶粒度对合金性能有很大影响,晶粒度较大,合金的持久性能和蠕变性能较高,但塑性和疲劳性能较差;晶粒度较小,则有较高的屈服强度,塑性和疲劳性能也较好,但持久、蠕变性能较低。用作涡轮叶片的高温合金,要求有足够好的持久、蠕变性能,因此固溶处理温度高一些,保温时间长一些。用作涡轮盘的高温合金,要求高屈服强度、高疲劳性能,因此固溶处理温度可低一些,保温时间短一些。在压力加工过程中,会析出一些第二相(见高温合金材料显微组织),经固溶处理这些相溶入基体,在以后的热处理时以合适的尺寸、数量和部位再析出,充分发挥第二相的强化作用。冷轧板材往往晶粒很细且存在内应力,固溶处理除可以获得合适的晶粒度以外,还可以消除内应力。由于冷轧板材厚度极薄,固溶处理的保温时间很短,几分钟到十几分钟即可。

时效 使晶内析出细小弥散的强化相,例如大多数铁基、镍基高温合金的γ′相、GH4169合金的γ′和γ″相(见高温合金材料的金属间化合物相)、GH2036合金的VC相等;同时也在晶界析出颗粒状的强化相,如M23C6、M6C和硼化物等(见高温合金材料的间隙相)。时效温度和保温时间根据所需析出相颗粒尺寸、间距和数量来确定。

中间处理 许多高温合金在固溶处理和时效处理之间加上一次或二次中间处理。中间处理的主要作用是改变晶界析出相的类型、形态和数量,使碳化物呈链状或颗粒状分布,避免晶界胞状相的形成。对于高合金化的合金,经过中间处理可在晶界形成大颗粒γ′相或γ′相包覆层;对于低合金化的合金,可以形成晶界贫γ′相区。这些组织的变化均可改善晶界脆性。另一种作用是形成两种尺寸的γ′相,调整合金的强度和塑性的配合,消除缺口敏感性。

表中列出常用高温合金的热处理制度。铸造高温合金在凝固冷却过程中强化相已大部分析出并长大到一定尺寸,因此大部分不必进行热处理就可以使用。

常用高温合金的热处理制度

合金牌号(中国) 热 处 理 制 度
GH2130
GH2302
GH2132
GH2135
GH901
GH170
GH4033
GH4133
GH4037
GH4049
GH151
GH118
GH710
GH738
GH698
GH220
1180℃,1.5h,空冷+1050℃,4h,空冷+800℃,16h,空冷
1180℃,2h,空冷+1050℃,4h,空冷+800℃,16h,空冷
980~1000℃,2h,油冷+700~720℃,12~16h,空冷
1140℃,4h,空冷+830℃,8h,空冷+650℃,16h,空冷
1090℃,2~3h,水冷或油冷+775℃,4h,空冷+700~720℃,24h,空冷
1190~1240℃,空冷,保温时间随厚度而定
1080℃,8h,空冷+750℃,16h,空冷
1080℃,8h,空冷+750℃,16h,空冷
1180℃,2h,空冷+1050℃,4h,空冷+800℃,16h,空冷
1200℃,2h,空冷+1050℃,4h,空冷+850℃,8h,空冷
1250℃,5~8h,空冷+1000℃,5h,空冷+950℃,10h,空冷
1190℃,1.5h,空冷+1100℃,6h,空冷
1170℃,4h,空冷+1080℃,4h,空冷+845℃,24h,空冷+760℃,16h,空冷
1080℃,4h,空冷+840℃,24h,空冷+760℃,16h,空冷
1120℃,8h,空冷+1000℃,4h,空冷+775℃,16h,空冷
1220℃,4h,空冷+1050℃,4h,空冷+950℃,2h,空冷

特殊热处理 包括弯曲晶界热处理,形变热处理和细化晶粒热处理。

弯曲晶界热处理 使平直状晶界变成弯曲状晶界的热处理。晶界一旦形成微裂纹就会迅速沿着平直晶界而扩展,如果晶界呈弯曲状,则裂纹要不断改变方向才能扩展,因此阻碍了裂纹扩展,从而提高合金的蠕变、持久强度和塑性。该处理的特点,是在固溶处理后控制冷却速度,在高温下沿晶析出较粗大的碳化物或γ′相。这些相钉扎住部分晶界,在高温下阻止这部分晶界迁移,而析出相颗粒之间的晶界发生迁移,从而形成弯曲晶界。GH220(中国)合金的弯曲晶界热处理有3种方案:(1)1220℃、4h以3~7℃/min的速度冷却到1100℃、空冷,1050℃、4h、空冷,950℃、2h、空冷。(2)1220℃、4h、空冷到1070℃、2.5h、空冷,950℃、2h、空冷。(3)1220℃、4h以3~5℃/min速度冷却到1050℃、4h、空冷,再加热到1125℃、4h、空冷,950℃、2h、空冷。

形变热处理 通过变形工艺和热处理工艺的良好配合,提高合金中、低温强度和改善综合性能的热处理工艺。工艺过程是将合金在再结晶温度以下,但能发生均匀分散滑移的温度范围内(对一般高温合金,该温度为930℃左右)进行变形,以得到合适的位错亚结构强化合金,在随后的时效中γ′相补充析出稳定了这种位错亚结构组织。例如Udimet 700℃(美国)的形变热处理工艺为:1175℃保温4h后空冷固溶处理;1065℃保温4h,然后空冷γ′析出处理;在1065℃变形,每次变形量6%,然后退火,如此反复变形和退火,直至总变形量达78%;845℃保温4h,空冷;760℃保温16h,空冷时效。

细化晶粒处理 通过析出第二相控制细晶组织的处理。细晶组织可显著提高合金屈服强度和疲劳性能。利用热处理析出第二相并配合压力加工,可以获得ASTM10~13级(美国标准)的细晶组织。以GH901和GH4169(中国)合金为例,首先将合金在900℃保温8h,GH901合金晶界析出魏氏体η(Ni3Ti)相,GH4169合金晶界析出魏氏体δ(Ni3Nb)相(见高温合金材料的金属间化合物相);然后将合金在再结晶温度(GH901为954℃,GH4169为980℃)以下变形,变形量大于30%~40%,这时η或δ相变成均匀分散的球状组织,颗粒平均直径约1~3μm,颗粒间距为1~5μm;第三步在低于析出相的固溶温度(η相为955℃,δ相为970℃)以下再结晶处理,由于均匀分布的析出相的阻碍。获得了极细的晶粒组织。