一种片状多孔结构单晶高温合金零件的制备工艺的制作方法

本发明涉及高温合金零件制造技术领域，具体涉及一种片状多孔结构单晶高温合金零件的制备工艺。

背景技术：
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众所周知，由于不含有晶界和晶界强化元素，单晶高温合金的高温性能和使用温度较普通等轴晶合金显著提高。目前，单晶高温合金已经在国外获得广泛应用，在国内的工程化推广也逐渐开展。作为一类能在高温、氧化、腐蚀环境中稳定工作的工程材料，高温合金在能源、化工、航空、航天等领域获得大量应用，所能制备的零件形状也各式各样。而有许多零件具有独特的形状特征使得单凭铸造技术无法实现，必须采用各种机加工手段。

但是对于单晶高温合金来说，机加工的方法和手段必须要考虑到其对单晶合金本身结构的影响，即是否能够引发再结晶问题，如果出现再结晶将会导致零件报废。目前，针对复杂结构单晶零件的机加工成型工艺仍不成熟，往往导致零件变形或是再结晶问题。因此，亟需发展一种制备复杂结构单晶合金零件的工艺，解决困扰目前工业应用的实际问题。

技术实现要素：
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为了解决目前缺少制备复杂多孔结构单晶高温合金零件的成熟有效工艺的问题，本发明提供了一种片状多孔结构单晶高温合金零件的制备工艺，采用该工艺可以成功制备出结构复杂的片状多孔结构零件，有效避免了再结晶和零件变形等问题，可以推广应用于其他零件的制备。

本发明的技术方案是：

一种片状多孔结构单晶高温合金零件的制备工艺，该工艺首先对单晶高温合金棒材进行高温热处理和中温热处理，然后在热处理后的棒材端面上钻孔，钻孔后的棒材再进行切片处理，最后进行低温热处理，获得所述片状多孔结构单晶高温合金零件。该工艺具体包括如下步骤：

(1)对单晶高温合金棒材依次进行高温热处理和中温热处理，其中：所述高温热处理为：处理温度1300-1315℃，处理时间4小时；所述中温热处理为：处理温度1050-1150℃，处理时间4小时；

(2)棒材钻孔：采用普通车床对经步骤(1)热处理后的棒材进行外缘加工，车削加工控制进刀量不大于0.05mm；然后采用数控铣床在棒材端面上进行钻孔，钻孔方向与棒材轴向一致，钻孔过程中进行冷却，避免零件钻孔位置过热；

(3)切片处理：采用电火花加工机床对棒材进行切片处理，将棒材切割成厚度1.1mm片状样品，片状样品表面粗糙度≤Ra 0.8μm；采用手工打磨方式小心去除样品边缘金属毛刺，不允许破坏零件边缘外形。

(4)磨削处理：采用磨床对片状样品的两个平面进行磨削处理，去除样品表面的机加痕迹，并便样品达到所需厚度，平行度不大于0.01mm，表面粗糙度≤Ra0.8μm；采用手工打磨方式去除样品边缘毛刺；采用丙酮对机加后的样品进行超声清洗15min后，再进行步骤(5)。

(5)低温热处理：将经步骤(4)处理后的样品进行低温热处理，处理温度870℃，处理时间16-24小时，即得到所述片状多孔结构单晶高温合金零件。

上述步骤(1)中，所述单晶高温合金棒材是采用定向凝固技术制备而成。

上述步骤(1)中，采用电子背散射衍射技术测定棒材轴向晶向，确保用于制备零件的单晶高温合金棒材其晶向与[001]晶向偏差不大于15°。

本发明中，所述单晶高温合金为镍基单晶高温合金。

本发明中，所述片状多孔结构单晶高温合金零件的片层厚度为0.5-2mm。

本发明设计原理如下：

通过高温热处理，使得单晶高温合金原始铸造态中形成的共晶等组织溶解，同时尽可能消除合金元素的枝晶偏析，从而使得材料的组织和成分实现均匀化；通过中温热处理使得合金内发生固态相变，析出沉淀强化相，提高合金强度；低温热处理的作用是使合金内析出更加细小沉淀相，同时使得中温热处理过程中析出的沉淀相进一步获得长大或调整其尺寸，从而获得性能更高的材料。如果机加之前单晶合金经过高温、中温、低温全套热处理，则合金强度明显提高，使得机加过程变形困难，造成零件内部形成较大残余应力，这些残余应力可能导致零件使用过程中的再结晶。如果将机加工过程安排在低温热处理之前，此时材料强度相对较低，容易加工，零件内部残余应力较低，可以避免零件在低温热处理及以后的使用过程中的再结晶问题。

本发明的有益效果是：

1、本发明使用机加工和三级热处理对单晶高温合金进行冷热处理加工，获得优异微观组织结构，并可以成型复杂结构薄壁零件。

2、本发明针对薄壁多孔复杂结构单晶高温合金零件，采用热处理强化和机加工处理等手段，为制备特殊复杂结构单晶高温合金零件提供了崭新途径，可以有效解决铸造方法难以成型的单晶零件的制备问题。

附图说明：

图1为实施例1工艺方案技术路线。

图2为实施例1工艺方案制备样品照片。

图3为对比例1工艺方案技术路线。

图4为对比例1工艺方案产生的再结晶。

具体实施方式：

以下结合附图及实施例详述本发明。

本发明为片状多孔结构单晶高温合金零件的制备工艺，该工艺是采用定向凝固技术制备完整的单晶高温合金棒材，棒材直径20mm，采用电子背散射衍射技术测定棒材轴向晶向，确保用于制备零件的单晶棒材其晶向与[001]晶向偏差不大于15°。

首先，采用高温马弗炉对单晶高温合金棒材进行高温热处理和中温热处理；然后，采用车床对单晶高温合金棒材进行外缘加工，车削加工要控制进刀量不大于0.05mm。采用数控铣床在棒材端面钻孔，应注意加强冷却，避免零件钻孔位置过热。

采用电火花加工机床对棒材进行切片处理，将棒材切割成厚度1.1mm圆片，切片表面粗糙度Ra≤0.8μm。采用手工打磨方式小心去除圆片边缘金属毛刺，不允许破坏零件边缘外形。

采用磨床对圆片端面进行磨削处理，去除零件端面表面的机加痕迹，并确保零件厚度达到1mm，平行度不大于0.01mm，表面粗糙Ra为0.8μm。采用手工打磨方式小心去除圆片边缘毛刺，后采用丙酮对机加后的零件进行超声清洗15min。

最后，对清洗后的零件进行低温热处理，即得到所需的片状结构单晶高温合金零件，将制备好的零件进行包装。

实施例1

本实施例是制备镍基单晶高温合金片状多孔结构零件，其工艺流程如图1所示。具体过程如下：

所用镍基单晶高温合金是DD408，其主要成分为(wt.％)：Cr：15.5～16.5％，Co：8.0～9.0％，W：5.6～6.4％，Al：3.6～4.2％，Ti：3.6～4.2％，Ta：0.7～1.2％，Ni：余量。

首先将单晶高温合金棒材依次进行高温热处理和中温热处理，在普通高温马弗炉中进行，其中：所述高温热处理温度1310℃，处理时间4小时；所述中温热处理温度1100℃，处理时间4小时。

热处理强化后的单晶棒材的外圆面进行车削加工，车削加工要控制进刀量不大于0.05mm。采用数控铣床在棒材端面钻孔，钻孔位置按零件图纸要求，并应注意加强冷却，避免零件钻孔位置过热。

采用电火花加工机床对棒材进行切片处理，将棒材切割成厚度1.1mm圆片，切片表面粗糙度Ra为0.8μm。采用手工打磨方式小心去除圆片边缘金属毛刺，不允许破坏零件边缘外形。

采用磨床对圆片端面进行磨削处理，去除零件端面表面的机加痕迹，并确保零件厚度达到1mm，平行度不大于0.01mm，表面粗糙Ra为0.8μm。采用手工打磨方式小心去除圆片边缘毛刺，后采用丙酮对机加后的零件进行超声清洗15min。

机加工后的零件进行低温热处理，热处理过程在真空热处理炉中进行，避免零件的氧化。低温热处理温度870℃，处理时间20小时。

本实施例制备的片状多孔零件如图2所示，在使用过程中未出现边缘再结晶问题，完全满足使用要求。

对比例1

本例是制备镍基单晶高温合金DD408片状多孔结构零件，其工艺流程如图3所示。与实施例1不同之处如下：

首先将单晶高温合金棒材进行热处理强化。热处理在高温马弗炉中进行，热处理分为三级处理，依次为高温热处理、中温热处理和低温热处理，其中：所述高温热处理温度1310℃，处理时间4小时；所述中温热处理温度1100℃，处理时间4小时；所述低温热处理温度870℃，处理时间20小时。

热处理强化后的单晶棒材的外圆面进行车削加工，车削加工要控制进刀量不大于0.05mm。采用数控铣床在棒材端面钻孔，钻孔位置按零件图纸要求，并应注意加强冷却，避免零件钻孔位置过热。

采用电火花加工机床对棒材进行切片处理，将棒材切割成厚度1.1mm圆片，切片表面粗糙度Ra为0.8μm。采用手工打磨方式小心去除圆片边缘金属毛刺，不允许破坏零件边缘外形。

采用磨床对圆片端面进行磨削处理，去除零件端面表面的机加痕迹，并确保零件厚度达到1mm，平行度不大于0.01mm，表面粗糙Ra为0.8μm。采用手工打磨方式小心去除圆片边缘毛刺，后采用丙酮对机加后的零件进行超声清洗15min。

本例制备的片状多孔零件在使用过程中出现了边缘再结晶问题(图4)，这由于机加工后的零件内部存在大量的内应力导致。