摘要 高溫合金是一類在高溫及一定應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。
總結(jié)了近幾年高溫合金熱處理工藝的研究進展,詳細論述了變形高溫合金、鑄造高溫合金和粉末高溫合金的熱處理工藝及熱處理對其組織和性能的影響,并闡述了高溫合金熱處理工藝的發(fā)展趨勢。
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。
隨著航空發(fā)動機的發(fā)展,對高溫材料的性能要求也不斷提高。熱處理是高溫合金*的工藝過程,高溫合金熱處理工藝如圖1所示,通過改變工件內(nèi)部的顯微組織或改變工件表面的化學成分,提高韌性及抗蝕性能,消除應力與軟化,提高強度。因此,為優(yōu)化顯微組織所進行的熱處理研究一直是合金研制及應用過程中
1 高溫合金熱處理工藝
高溫合金熱處理工藝是指高溫合金材料在固態(tài)下,通過加熱、保溫和冷卻的方式,以獲得預期組織和性能的一種金屬熱加工工藝。近年來對于高溫合金研究比較深入、系統(tǒng)的是固溶熱處理和時效熱處理。固溶熱處理是指在高于高溫合金組織內(nèi)析出相的全溶溫度,使合金中各種分布不均勻的析出相充分溶解至基體相中,從而實現(xiàn)強化固溶體并提高韌性及抗蝕性能,消除殘余應力的作用,以便繼續(xù)加工成型,并為后續(xù)時效處理析出均勻分布的強化相做準備。
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 變形高溫合金熱處理工藝研究進展
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。
陳琪等采用兩種熱處理方式:一是固溶加時效熱處理工藝為900℃固溶2.5h油冷,720℃×16h+660℃×16h空冷,保證δ>22%時,抗拉強度能達到1240MPa;二是直接時效熱處理工藝為680 ℃能保證δ>13%時,將GH2132合金的抗拉強度提高到1400MPa。熱處理后合金得到了更加優(yōu)異的綜合性能。
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。
表面熱處理提高了合金的表面硬度、耐磨性和抗腐蝕性能,并且滲氮層深度和滲氮保溫時間符合擴散型控制的拋物線法則。
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γ′強化,其力學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(1135±10)℃×2h微量風冷固溶處理,(845±10)℃×24h爐冷至(720±10)℃×19h空冷時效處理,得到了較為滿意的力學性能。
采用一次固溶,二次時效獲得了較為滿意的綜合力學性能和持久性能。GH145合金經(jīng)較長時間時效處理后,γ′相中合金元素的溶解度會隨著時效溫度的不同而略有變化,但與時效時間關(guān)系不大。高溫合金GH4145/SQ是以γ′[Ni3(Al,Ti,Nb)]為主要強化相的鎳基時效硬化型合金,主要用于300 MW 或600MW 汽輪機高中壓內(nèi)缸法蘭螺栓。
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 的螺栓進行恢復熱處理,熱處理工藝為固溶+兩次時效,固溶工藝為1130℃×1h油冷;時效為845℃×24h,第二次時效為707℃×20h空冷。
采用此工藝對硬度值超標螺栓進行恢復熱處理后,其硬度值降至標準要求范圍內(nèi),雖然強度值有一定程度的下降,但是塑性及韌性顯著提升,證明恢復熱處理工藝極其有效。GH4169合金是含Nb的高強度鎳-鉻-鐵基高溫合金,主要用于制造航空發(fā)動機的高溫部件。張尊禮等研究了熱處理制度對GH4169冷軋葉片組織性能的影響。
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。
(1)(1010~1065)℃±10℃×1h水冷+(720±5)℃×8h,以50 ℃/h爐冷至(620±5)℃×8h空冷。此制度處理后晶界和晶內(nèi)均無δ相,對提高沖擊性能和抵抗低溫氫脆有利。
(2)(950~980)℃±10℃×2h水冷+(720±5)℃×8h,以50 ℃/h爐冷至(620±5)℃×8h空冷。此制度處理后有δ相,有利于消除缺口敏感性,也稱為標準熱處理制度。
(3)(720±5)℃×8h,以50℃/h爐冷至(620±5)℃×8h空冷。此制度處理后,材料中的δ相較少,能提高材料的強度和沖擊性能。
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γ′、γ′′和δ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γ′相、大量γ′′相和γ 基體組成,而長期時效處理GH4169G合金由少量γ′相、大量γ′′相和γ相及針狀δ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。
姚志浩等研究了固溶及穩(wěn)定化處理工藝對GH738合金碳化物及γ′強化相析出規(guī)律的影響。以標準熱處理:1020℃×4h空冷+845℃×4h空冷+760℃×16h空冷和1080℃×4h空冷+845℃×24h空冷+760℃×16h空冷為基礎(chǔ),調(diào)整穩(wěn)定化階段保溫時間。經(jīng)過1020℃×4h水冷固溶處理后的合金,在845℃下穩(wěn)定化時間延長,晶界碳化物逐漸呈現(xiàn)短棒狀分布;經(jīng)1080℃×4h水冷固溶處理后的合金,經(jīng)相同穩(wěn)定化工藝處理,晶界碳化物逐漸呈現(xiàn)連續(xù)狀態(tài)分布。
3 鑄造高溫合金熱處理工藝
鑄造高溫合金分為等軸晶、定向和單晶合金3大類。在成分既定的情況下,其力學性能和工藝因素密切相關(guān)。通過熱處理工藝,可以顯著改善合金性能,提高工作可靠性。
3.1 等軸晶高溫合金K480合金是γ′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。陳昊等對K480的熱處理工藝進行了研究。合金經(jīng)過1130℃亞固溶處理后,組織為大小兩種尺寸的γ′相;經(jīng)過1190 ℃、1210℃和1230℃過固溶處理后空冷,析出均勻的γ′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)γ′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γ′相又重新溶解到基體或周圍的大尺寸γ′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。
安蓓等研究了半固態(tài)等溫熱處理對K4169合金組織和性能的影響。最佳熱處理工藝為加熱溫度1310℃×90~120min,或加熱溫度1320 ℃×45~60min。半固態(tài)等溫熱處理對K4169合金壓縮強度的影響與合金的組織形態(tài)有關(guān),硬度與鑄態(tài)相比有所降低,鑄態(tài)組織中的枝晶轉(zhuǎn)變?yōu)榍蛐尉Я=M織,在升溫過程中晶界處部分γ相溶解,隨著溫度的升高,γ+γ′共晶相開始熔化,初生γ相在等溫處理中逐漸演變?yōu)榍驙睢?/span>
3.2 定向凝固高溫合金DZ125合金具有較高的力學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+(1230±10)℃×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γ′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γ′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,適用于制作導向葉片等高溫用部件。
彭志江等對DZ417G的熱處理進行了研究。采用1220℃×4h空冷(固溶)+980℃×16h空冷(時效)*熱處理和1600~1620 ℃高溫熔體過熱處理3~5min工藝,碳化物、硼化物明顯變小,在晶內(nèi)、晶界上呈彌散狀態(tài)分布,柱狀晶生長狀態(tài)、枝晶間咬合好,能獲得良好的力學性能。DZ68合金是一種含錸的定向高溫合金,加入錸會在合金鑄態(tài)中引起嚴重的偏析,因此對DZ68合金熱處理工藝的研究至關(guān)重要。劉恩澤等研究了DZ68的熱處理工藝,其最佳熱處理工藝為:1240℃×0.5h+1260℃×0.5h+1280℃×2h空冷+1120 ℃×4h,爐冷1h至1080 ℃×4h空冷+900℃×4h空冷。采用該工藝處理后的DZ68合金減少了元素偏析,并且具有優(yōu)異的持久性能。
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。*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。
當固溶溫度提高到1320 ℃時,可使合金成分的均勻化程度提高,難溶元素得到充分溶解擴散,降低了合金的枝晶干和枝晶間的成分偏析,并抑制了合金中TCP相的析出,顯著提高了合金的蠕變抗力。最終確定了合金的最佳熱處理制度為:1280℃×4h空冷+1320℃×4h空冷+1080℃×4h空冷+870℃×24h空冷。
DD3鎳基單晶高溫合金現(xiàn)行的熱處理工藝特點是固溶溫度比較低、工序相對較少,且過程控制相對簡單。韓梅等改進了DD3合金的現(xiàn)行熱處理工藝制度,改進的工藝為1265℃×4h空冷+1060℃×4h空冷+870℃×32h空冷。改進的工藝提高了固溶處理溫度,同時加入了一級高溫時效,熱處理后合金元素分布與組織均勻性、γ′相含量得到了明顯改善。改進后的工藝顯著提高了DD3合金在760~1038℃的蠕變性能,進一步提高了力學性能。DD6合金具有良好的高溫性能,主要用于葉片的生產(chǎn)。喻健等研究了DD6合金熱處理后的顯微組織。DD6合金的標準熱處理制度為:1290 ℃×1h+1300 ℃×2h+1315℃×4h空冷+1120 ℃×4h空冷+ 870 ℃×32h空冷。
采取6種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γ′相在不同的冷卻速度條件下均大量析出。冷卻速度對一次γ′相尺寸和二次γ′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γ′相析出。DD6單晶高溫合金870℃二次時效,隨保溫時間延長,二次γ′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)。
目前,國內(nèi)對于單晶高溫合金熱處理過程中再結(jié)晶組織演化的研究較少。曲彥平等針對DD6合金在不同條件下熱處理過程中的組織演化過程進行了分析。采取預處理溫度分別為1120 ℃、1170 ℃、1220 ℃ 和1270℃,處理時間為2h,然后進行1310℃×4h的固溶處理和1120℃ ×4h的時效處理。在鑄態(tài)γ′相溶解溫度以下預處理沒有再結(jié)晶現(xiàn)象,γ′相溶解溫度以上預處理發(fā)生再結(jié)晶。預處理后的固溶處理過程中都發(fā)生明顯的再結(jié)晶現(xiàn)象,再結(jié)晶晶界細小,晶界由粗大γ′相組成。
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,樹枝晶偏析明顯改善,合金的持久強度提高。
4 粉末冶金高溫合金熱處理工藝
FGH95合金是γ′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γ和γ′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。
謝君等研究了FGH95合金組織結(jié)構(gòu)對持久性能的影響,將經(jīng)不同溫度熱等靜壓制備的FGH95合金進行如下*熱處理:1155 ℃×1h(固溶處理)+520℃×15min(鹽浴冷卻)+870 ℃×1h(一次時效)+650℃×24h(二次時效)。熱處理后,粒狀碳化物沿晶界和晶內(nèi)不連續(xù)分布,且細小γ′相在基體中彌散析出。1120℃ HIP合金*熱處理后具有較高的晶格錯配度,致使合金具有較長持久壽命。胡本芙等也研究了熱處理對FGH95合金組織和性能的影響。
相同熱處理工藝,HIP溫度越高,時效析出的γ′相尺寸越大,不同熱處理制度均能改變γ′的分布;鹽浴冷卻明顯增大中等尺寸γ′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。
制度Ⅰ為1200℃×8h爐冷到1170℃空冷+870℃×32h空冷;制度Ⅱ為1200℃×4h空冷+三級時效(910~700)℃×32h空冷。固溶淬火和時效溫度、保溫時間及冷卻方式直接影響該合金中γ′強化相、不同類型碳化物等析出相的形貌、尺寸、數(shù)量和分布。兩種制度熱處理后的試樣中γ′相和碳化物的不同匹配度,決定其各自具備良好的綜合力學性能。
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。
FGH98Ⅰ合金經(jīng)亞/過固溶處理后析出相均未發(fā)現(xiàn)TCP相。亞固溶熱處理后晶粒稍有長大,存在尺寸不同的初次、二次和三次γ′相;過固溶熱處理合金的晶粒明顯長大,存在二次γ′相;前者由于晶粒較小使強度更高,后者因減小二次γ′相尺寸和消除初次γ′相和殘余枝晶,提高了合金的高溫塑性和持久性能。吳凱等還研究了前處理及后處理對FGH98Ⅰ合金組織和顯微硬度的影響。對FGH98Ⅰ分別進行亞固溶前處理加過固溶和過固溶熱處理,過固溶處理前的亞固溶前處理使鍛態(tài)合金中大晶界γ′相發(fā)生部分溶解,晶粒稍有長大,對過固溶熱處理冷卻γ′相析出的影響不顯著;對FGH98Ⅰ分別進行過固溶和過固溶加亞固溶后處理,過固溶處理后的亞固溶處理使冷卻γ′相粗化和方形化,晶界γ′相析出密集區(qū)消失,硬度降低。隨著冷速增加,合金的硬度越高,時效后硬度增高越多。
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γ′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γ′相數(shù)量增加,晶界得到優(yōu)化,合金高溫塑性得到提高。
5 高溫合金熱處理工藝發(fā)展趨勢
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:
(1)熱處理制度連同合金成分設計和其它工藝一起,使高溫合金達到性能狀態(tài),以便達到最佳性能匹配。
(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),在重視設備更新的同時實現(xiàn)工藝的創(chuàng)新,設備與工藝并行發(fā)展。
(3)服役和熱處理過程中合金各析出相之間的相互轉(zhuǎn)變關(guān)系及相變機制并不十分清楚,需要深入研究。
(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。
(5)真空熱處理技術(shù)具有無氧化、無脫碳和小畸變的*性,在航空航天等行業(yè)的應用將越來越廣泛。
(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用,包括離子滲氮、離子氮碳共滲、離子滲碳等技術(shù)。