一种高性能镍基高温合金热处理方法与流程

本申请涉及镍基高温合金热处理的，特别是一种高性能镍基高温合金热处理方法。

背景技术：

1、粉末冶金高温合金是采用粉末冶金工艺制备的能在650℃及以上高温抗氧化或抗腐蚀，并能在一定应力作用下长期工作的高温材料。与传统的铸锻高温合金相比，具有组织均匀，无宏观偏析，以及屈服强度高、疲劳性能好等优点，是先进航空发动机高压涡轮盘等关键热端部件的优选材料。

2、粉末冶金高温合金的热处理包括固溶处理和时效处理，其中，固溶处理是为了溶解基体内的碳化物和γ＇相等，从而得到均匀的奥氏体化固溶体，以便在后面的淬火冷却时均匀地析出γ＇相。另外，通过固溶处理还可获得适宜的晶粒度，可提高合金的强度或高温蠕变性能等。时效处理的目的是保证更多的细小γ＇相析出，同时使碳化物的分布更加合理，组织更稳定，从而进一步地提高合金性能。

3、目前该合金常用的热处理制度为固溶处理+单级时效热处理，通过固溶处理后缓冷到γ+γ′双相区后空冷，而后进行长时间高温时效处理，来增加强化相γ′相的尺寸最终提高合金的塑性，但该热处理方法时间较长，工艺较为繁琐，同时合金强度较低。随着对该合金拉伸强度、持久强度、低周疲劳性能要求越来越高，有必要开发一种简单、高效的适用于该镍基高温合金的热处理制度。

技术实现思路

1、本申请提供一种一种高性能镍基高温合金热处理方法，目的是利用固溶处理后较快的冷速，搭配连续双级时效处理工艺，成功实现了合金强度的提升，同时提高了合金热处理的效率，有利于连续生产。简单高效的同时，可以保证合金的低周疲劳性能以及使用安全性。适用于对镍基高温合金强度要求较高的零部件。

2、第一方面，提供了一种高性能镍基高温合金热处理方法，其特征在于，包括：

3、镍基高温合金预合金粉末装入不锈钢包套，进行真空脱气和封焊，得到封焊后的合金粉末；

4、对封焊后的合金粉末进行热等静压成形，得到圆柱形锭坯；

5、去除圆柱形锭坯外表面不锈钢包套，得到镍基高温合金；

6、镍基高温合金在1200-1220℃范围内固溶处理2-4h，取出后吹强风冷却至室温；

7、固溶处理后的镍基高温合金在930-960℃范围内时效处理5-9h，之后随炉冷却至760-790℃时效处理8-16h，而后取出空冷至室温。

8、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述镍基高温合金预合金粉末粒度范围为45～150μm，装粉所用设备为真空手套箱，手套箱内充满99.99％以上的高纯氩气。

9、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述热等静压工艺参数为两步法热等静压，包括：先在1030-1050℃温度、120-140mpa压力下保温，而后升温升压至1210-1230℃温度、140-160mpa压力下保温。

10、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，固溶处理的升温速度为5-10℃/min。

11、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，固溶处理后第一阶段时效处理的升温速度为5-10℃/min。

12、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述吹强风冷却至室温的冷速控制在80-200℃/min范围。

13、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，时效处理中随炉冷却的冷速控制在30-60℃/h范围。

14、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述镍基高温合金除主要成分镍外，其他主要成分以质量百分比计：碳0.02-0.08％、铬5-12％、钴10-18％、钼1-5％、钨4-7％、铝3-6％、钛1-3％、铌1-3％、铪0.01-0.5％。

15、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述镍基高温合金为fgh4097合金或ep741np合金。

16、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，以质量百分比计，所述镍基高温合金的主要成分为：碳0.03-0.06％、铬8-10％、钴15-16.5％、钼3.5-4.2％、钨5.2-5.9％、铝4.8-5.3％、钛1.6-2.0％、铌2.4-2.8％、铪0.1-0.4％、硅≤0.5％、硫≤0.009％、磷≤0.015％、氧≤0.007％、铁≤0.5％、锰≤0.5％、镁≤0.02％、硼≤0.015％、锆≤0.015％，铈≤0.01％，余量为镍。

17、与现有技术相比，本申请提供的方案至少包括以下有益技术效果：

18、1.本发明公开了一种镍基高温合金强度提升的热处理方法，固溶处理之后采用吹强风冷却的方式将冷速控制在80-200℃/min范围，该冷速介于油冷与空冷冷速之间，会显著增加γ′相形核数量，并抑制γ′相的快速长大；

19、2.随后的时效阶段采用连续双级时效处理，第一级时效处理为高温时效处理，此过程中会发生γ′强化相析出和少量弥散γ′相凝聚，增加γ′相的稳定性，同时在晶界析出细长的m6c碳化物,并有少量的mc析出，起到了强化晶界的作用。炉冷过程中m6c会进一步析出和长大，促进形成弯曲晶界，有效改善合金塑性。第二级时效处理为低温时效处理，此过程中会进一步补充析出细小的γ′相，有效保证了析出强化效果。

20、3.本发明热处理方法配合惰性气体装粉以及两步法热等静压工艺，在提升合金强度方面具有意想不到的效果。

21、4.该热处理方法操作简单，可有效降低传统热处理时间，进而节约能耗，极具推广价值。

技术特征：

1.一种高性能镍基高温合金热处理方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述镍基高温合金预合金粉末粒度范围为45～150μm，装粉所用设备为真空手套箱，手套箱内充满99.99％以上的高纯氩气。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热等静压工艺参数为两步法热等静压，包括：先在1030-1050℃温度、120-140mpa压力下保温，而后升温升压至1210-1230℃温度、140-160mpa压力下保温。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，固溶处理的升温速度为5-10℃/min。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，固溶处理后第一阶段时效处理的升温速度为5-10℃/min。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述吹强风冷却至室温的冷速控制在80-200℃/min范围。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，时效处理中随炉冷却的冷速控制在30-60℃/h范围。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述镍基高温合金除主要成分镍外，其他主要成分以质量百分比计：碳0.02-0.08％、铬5-12％、钴10-18％、钼1-5％、钨4-7％、铝3-6％、钛1-3％、铌1-3％、铪0.01-0.5％。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述镍基高温合金为fgh4097合金或ep741np合金。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以质量百分比计，所述镍基高温合金的主要成分为：碳0.03-0.06％、铬8-10％、钴15-16.5％、钼3.5-4.2％、钨5.2-5.9％、铝4.8-5.3％、钛1.6-2.0％、铌2.4-2.8％、铪0.1-0.4％、硅≤0.5％、硫≤0.009％、磷≤0.015％、氧≤0.007％、铁≤0.5％、锰≤0.5％、镁≤0.02％、硼≤0.015％、锆≤0.015％，铈≤0.01％，余量为镍。

技术总结
本发明提供了一种高性能镍基高温合金热处理方法。该热处理方法中，固溶处理后合金的冷速介于空冷与油冷冷速之间；双级连续时效处理中第一级时效后采用炉冷的方式冷却，第二级时效后采用空冷的方式冷却。时效后在得到细小弥散分布的二次γ′相的同时，晶界上γ′相聚集，起到强化晶界的作用，并能改善合金的塑性。与标准热处理工艺相比，该方法简单高效，在提升合金室温和高温强度方面具有意想不到的效果，其中室温抗拉强度达到1504MPa，屈服强度达到1076MPa，提升幅度最高分别可达75MPa、149MPa；其中650℃抗拉强度达到1359MPa，屈服强度达到1007MPa，提升幅度最高分别可达77MPa、121MPa。

技术研发人员：黄国超,王亮,孟烁,王冰,孙亚超,张海洋,王哲磊,韩谦,涂罡
受保护的技术使用者：航天材料及工艺研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/22