一种同时提高镍铁基合金强塑性的热处理方法与流程

1.本发明属于合金材料技术领域，具体涉及一种同时提高镍铁基合金强塑性的热处理方法。


背景技术：

2.由于国内丰富的煤炭资源及特殊的能源结构，煤电在发电量中占有绝对的份额，并且在未来很长一段的时间内煤电仍然占据主导位置。针对现阶段节能减排的迫切需求，基于现有能源结构提升超超临界机组的蒸汽温度和压力是现有技术提升的主要方向，这就对机组的服役材料提出了极高的性能要求。锅炉过热器和再热器管是外部环境最为恶劣的部分，其要求在服役期间将承受高温蠕变、热疲劳、氧化及高温烟气腐蚀等多重因素的影响。开发出可以满足高参数机组过/再热器管使用性能需求的高温合金材料已成为火力发电行业亟待解决的课题。
3.针对机组过/再热器管用材料，传统的耐热钢已经不能满足需求，针对更高使用温度欧美及日本等国主要使用镍基高温合金，如美国in740h镍钴铬基合金及cca617等镍基合金，针对国内需求我国自主研发的新型高强镍基高温合金。镍基合金的热处理是提升其综合性能的重要手段，常用方法是将合金在固溶温度以上保温一段时间，保证合金完全转换为γ相，然后冷却至室温，随后在一定温度下进行时效，通常获得均匀且致密的析出相，析出大量弥散的γ
′
强化相，强化相阻碍错运动，达到强化目的。通常通过热处理调控组织形貌获得强度与塑性呈现此消彼长的关系，对于析出强化钛合金，析出相尺寸与时效温度密切相关，时效温度低时析出尺寸较小，其强度高塑性差；时效温度高时析出相尺寸较大，强度与塑性则与之相反。即强度升高塑性降低或塑性升高强度下降。科学家们设计出了多尺度结构材料同时提高强塑性，但需要指出上述工作需要通过剧烈塑性变形来控制晶粒尺寸实现多尺度组织，因此通常用于低强度合金或金属材料中。对于强度较高的材料剧烈塑性变形较困难，或者在变形中变形深度较浅，限制试样尺寸。同时在剧烈变形过程中容易变形开裂，因此剧烈变形工艺对于强度较高的合金不适用。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题，同时提高合金强塑性匹配，同时保证金属材料不发生开裂，本发明提供了一种同时提高镍铁基合金强塑性的热处理方法。该合金经过热处理热处后可获得高的强度与高的塑性，多尺度组织强度塑性相较于单一尺度组织均有明显提升，在塑性小幅提升的前提下，其强度明显提升。同时，该合金在热加工过程具有中工艺简单、组织热敏感性小等优点。
5.本发明采用如下技术方案来实现的：
6.一种同时提高镍铁基合金强塑性的热处理方法，高强镍基高温合金的基本组成质量百分比为：fe：20％-30％，cr：19％-25％，al:0.5％-2.5％，ti:1.0％-2.5％， nb:≤2％，mo:≤2％，w:≤2％，ta:≤1％，si:≤0.5％，mn:≤1.0％，cu:≤0.5％，c:≤0.05％， b:≤
0.01％，zr:≤0.03％，其余为ni，该热处理方法是将高强镍基高温合金先加热升温，然后保温后水淬，随后在保温中进行固溶处理，接着冷降温后，再次保温后水淬，最后空冷处理至室温。
7.本发明进一步的改进在于，所述加热升温至1120℃-1140℃，控制升温速度 5℃/min～10℃/min。
8.本发明进一步的改进在于，所述在1120℃-1140℃保温30min后水淬。
9.本发明进一步的改进在于，随后在1010℃-1030℃保温60min进行固溶处理。
10.本发明进一步的改进在于，所述经固溶后进行特殊炉冷降温将合金材料冷却到850℃-900℃后，保温30min-60min，随后进行水淬。
11.本发明进一步的改进在于，所述特殊炉冷包括将热处理炉中材料直接从高温热处理炉放置于另一个已提前设定好温度的低温热处理炉中。
12.本发明进一步的改进在于，升温至650℃-700℃，保温1h-16h，最后空冷处理。
13.本发明进一步的改进在于，采用该方法的镍铁基合金多尺度组织热处理方法对镍铁基合金材料进行热处理后，相较于当以温度时效能够同时提高镍铁基合金材料的强度和塑性。
14.本发明至少具有如下有益的技术效果：
15.本发明提供的一种同时提高镍铁基合金强塑性的热处理方法，通过高温-低温特殊炉冷双时效工艺，合金固溶处理后先在较高温度时效获得粗大γ
′
相，然后在较低温度时效获得细小γ
′
相，在镍铁基合金中获得双峰尺度的γ
′
析出相，实现合金多尺度组织设计。与现有技术相比具有以下特点：
16.(1)相较于单一温度热处理获得尺寸组织，双步热处理后组织包含两种尺寸的析出相，此处称为多尺度组织。
17.(2)相较于传统热处理工艺强度塑性存在此消彼长的关系，本发明合金可同时提升合金强度和塑性，在塑性小幅提升的前提下，其强度明显提升。
18.(3)本发明合金既具有优良的室温力学性能，具有工艺及热处理设备简单，无需特殊设备，利用已有热处理设备即可实现大规模生产，同时具有组织热敏感性小等加工优势。基于上述特性，使得本发明合金在生产盘类、轴类锻件以及紧固件中具有很大的竞争优势。
附图说明
19.图1为单一温度时效显微组织。
20.图2为多尺度组织的显微组织。
具体实施方式
21.以下结合附图和实施例对本发明做出进一步的说明。
22.实施例1：实验材料按如下配比进行熔炼，质量百分比fe：20％-30％，cr： 19％-25％，al:0.5％-2.5％，ti:1.0％-2.5％，nb:≤2％，mo:≤2％，w:≤2％，ta:≤1％， si:≤0.5％，mn:≤1.0％，cu:≤0.5％，c:≤0.05％，b:≤0.01％，zr:≤0.03％，其余为ni。铸造后经均匀化及热轧后得到成品。
23.采用本发明提供的方法对镍铁合金进行本例工艺的热处理，在1130℃固溶 30min
后水淬，随后1020℃保温60min后直接转移至850℃的另一个炉子保温 30min后水淬，最后在700℃保温16h，表1为本例热处理室温拉伸性能，从表 1看可得采用本发明的热处理方法处理后镍铁基合金的获得了良好的强塑性匹配。
24.表1实施例1室温拉伸性能
25.样品编号抗拉强度/mpa断后延伸率/％实施例1120434.1
26.对比例：为本实施例的镍合金经过传统两步固溶+单一温度时效，在1130℃固溶30min后水淬，随后1020℃保温60min后直接转移至700℃的另一个炉子保温30min后空冷。如图1所示是处理后的组织扫描电镜照片，析出相尺寸约为100nm。
27.表2为本例热处理室温拉伸性能，通过与表1对比可以看出，采用本发明的热处理方法处理后镍铁基合金的抗拉强度和塑性均优于常规单一温度时效性能。
28.表2对比例室温拉伸性能
29.样品编号抗拉强度/mpa断后延伸率/％对比例112630.5
30.实施例2：对实施例1合金采用本发明提供的方法对镍铁合金进行本例工艺的热处理，在1130℃固溶30min后水淬，随后1020℃保温60min后直接转移至900℃的另一个炉子保温30min后水淬，最后在700℃保温16h，按此例热处理后的组织形貌如图2。根据图1及图2显示的均匀化前后组织可以明显发现，经过本发明所制定的处理后，不同于单一温度的获得一种尺度的组织，本例获得了两种尺寸差异明显的多尺度组织，表3为本例热处理室温拉伸性能，可以看出从表3可以看出，采用本发明的经过不同参数热处理方法可一定范围内有效调整强度和塑性的匹配。
31.表3实施例2室温拉伸性能
32.样品编号抗拉强度/mpa断后延伸率/％实施例2111530.1
33.实施例3：对实施例1合金采用本发明提供的方法对镍铁合金进行本例工艺的热处理，在1130℃固溶30min后水淬，随后1020℃保温60min后直接转移至850℃的另一个炉子保温30min后水淬，最后在700℃保温1h，表4为本例热处理室温拉伸性能对照表，可以看出从表4可以看出，采用本发明的经过不同参数热处理方法可一定范围内有效调整强度和塑性的匹配。
34.表4实施例3室温拉伸性能
35.样品编号抗拉强度/mpa断后延伸率/％实施例3107532.6
36.实施例4：对实施例1合金采用本发明提供的方法对镍铁合金进行本例工艺的热处理，在1130℃固溶30min后水淬，随后1020℃保温60min后直接转移至900℃的另一个炉子保温30min后水淬，最后在700℃保温1h，表5为本例热处理室温拉伸性能对照表，可以看出从表5可以看出，采用本发明的经过不同参数热处理方法可一定范围内有效调整强度和塑性的匹配。
37.表5实施例4室温拉伸性能
38.样品编号抗拉强度/mpa断后延伸率/％实施例5102332.6
39.以上结果表明：经本实施例处理后的镍铁基合金的综合力学性能较好。具有高强度和高塑性的特点，且由于不需要淬火工艺，且从空冷起始温度较低，因此可有效防止产生内应力，适用于于大型合金部件。
40.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。