真空热处理恢复镍基高温合金组织和性能的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种镍基高温合金热端部件组织和性能的恢复方法。
技术背景
[0002]镍基高温合金是现代航空发动机、航天器和火箭发动机以及舰艇和工业燃气轮机的关键热端部件材料(如涡轮叶片、涡轮盘、燃烧室和机匣等，尤其是发动机叶片)，是各种高温零部件中使用最广泛，牌号最多，使用量最大，地位最重要的一种高温合金。镍基高温合金是以含量一般大于50%的镍为基体、在650°C以上温度具有较高的强度和良好的抗氧化、抗燃气腐蚀能力的高温合金。镍基合金含有十多种元素，其中Cr主要起抗氧化和抗腐蚀作用，其它元素主要起强化作用。它具有较高的高温强度、蠕变强度和持久性能以及良好的抗疲劳性能、良好的组织稳定性和使用可靠性。使用最广的镍基高温合金的微观组织特征为沉淀强化相相数量多，最高可达65%以上；γ/γ’相晶格常数相差不大，保持共格关系；相中的Α1含量高，Υ’相较稳定；镍元素的第三电子壳层接近被填满，其在合金化时可以容纳更多的合金元素而不改变其稳定性，从而可添加大量合金元素进行合金化，来改善镍基高温合金的性能。镍基合金关键的强化作用来自于有序面心立方金属间化合物Υ ’ _Ni3(Al、Ti)相和少量弥散分布的碳化物。
[0003]长期工作在高温、环境恶劣、复杂应力条件下的发动机和燃气轮机的热端部件，特别是高压涡轮工作叶片在服役过程中承受高温、复杂应力及燃气腐蚀等苛刻条件。热端部件的服役寿命往往受限于材料的机械性能，如蠕变、热冲击、疲劳、氧化和腐蚀等，服役期间这些部件所产生的性能衰退会严重影响整套装备的使用寿命和安全性能。由于叶片受摩擦、冲击、高温燃气和冷热疲劳等作用，产生裂纹、腐蚀和磨损等损伤，致使大量叶片报废。而且叶片服役到一定寿命后将不可避免地出现材料的组织和性能衰退，当其损伤累积到一定程度时，需要更换新品。众所周知，涡轮叶片的生产工艺复杂，价格昂贵。材料的性能取决于其组织状态，因此，恢复涡轮叶片退化的组织和性能，延长叶片的使用寿命，降低整机的维修成本是提高航空发动机工作可靠性和经济性行之有效的方法，具有重要的现实意义。采用先进的修复技术对存在缺陷和损伤的叶片进行修复，延长其使用寿命，减少更换叶片，也日益受到发动机用户和修理单位的重视，并获得了广泛的应用。迄今为止，现有报道的热等静压技术只能部分恢复退化的镍基高温合金零件组织，而对于只是产生组织退化而没有产生蠕变空洞的镍基合金，如何恢复其零件组织和性能的研究还鲜见报道。
[0004]1991 年出版的《Journal of Materials Science》第 26 卷第 13 期第 3409-3421页指出采用热处理和热等静压方法恢复镍基合金的蠕变性能要在合适的阶段进行，即在接近蠕变曲线第三阶段之前，这种方法不能无限制的延长蠕变寿命，因为合金部件在服役中产生的某些损伤是不能恢复的。
[0005]2003 年出版的《Materials Science and Engineering A))第 340 卷第 1-2 期第225-231页报道了锻造718合金由于多次焊接修理和焊后热处理引起合金的组织退化，通过热处理将有害相溶解，恢复了合金的可焊性，同时还细化了晶粒及提高了特殊晶界所占的分数。
[0006]2012年出版的《Materials Science and Technology》第28卷第8期第 1018-1021页研究了热等静压参数对镍基合金蠕变空洞愈合行为的影响，较佳的热等静压工艺能够很好的愈合蠕变空洞和铸造疏松，但是不能将退化的组织完全恢复。
[0007]2013 年出版的《Journal of Materials Engineering and Performance》第 22卷第1期第215-222页介绍了采用热等静压+恢复热处理方法恢复产生蠕变空洞的镍基合金，发现热等静压处理后的恢复热处理能够很好的恢复退化的Y’相，恢复后的镍基合金硬度和持久寿命都高于没有使用过的原始合金。
[0008]热等静压处理不但成本高，设备也比较昂贵，一台热等静压设备的价格是一台真空热处理炉的几倍甚至十几倍。目前，国内只有几家单位有热等静压设备，而且有些在参数控制方面存在很大的局限，达不到工程化应用的要求。另外，热等静压+恢复热处理方法，用于恢复退化的组织，大材小用，这种技术用于合金蠕变损伤累积到一定程度，出现蠕变空洞的时候运用效果较好。
【发明内容】
[0009]本发明所要解决的技术问题是产生组织与性能退化而没有形成蠕变空洞的镍基高温合金组织和性能的恢复。本发明的目的是提供一种工艺简单，效率高，修复速度快，成本较低，能够延长镍基高温合金热端部件使用寿命的方法。
[0010]本发明的上述目的可以通过以下技术方案予以实现，一种真空热处理恢复镍基高温合金组织和性能的方法，其特征在于包括如下步骤:将镍基高温合金热端部件保护涂层去除，洗净污物；把待修复的镍基高温合金热端部件置入真空热处理炉中，采用分段升温加热进行进行高温合金的固溶热处理；镍基高温合金热端部件在炉温< 150°c时入炉，炉内真空抽至10 2Pa以上时,开始送电加热；在初始的30min±10min时间段内，热处理温度逐渐升温至400°C ±50°C，保温30min?40min，保温结束后随炉升温进入第二热处理阶段；在40min±10min时间段内逐渐升温至675°C ±20°C,保温彡60min,保温结束后随炉升温进入第三热处理阶段；在40min±10min时间段内逐渐升温至1190°C ±10°C，保温2h±10min，保温结束后随炉升温进入第四热处理阶段；在30min±10min内升温至1230°C ±10°C，保温6h±10min，保温时间以工作热电偶达到1220°C时开始计算，保温结束后，以40°C /min±15°C /min的冷却速度冷至1000°C ±10°C，然后充入0.2MPa?0.3MPa惰性气体，冷却至80°C以下出炉。
[0011 ] 本发明相比于现有技术具有如下有益效果。
[0012]本发明在真空热处理炉中，采用分段升温加热处理待修复的镍基高温合金热端部件，通过向合金中输入适当热能使退化的相和碳化物溶解，并重新析出尺寸细小、均匀和形状规则的Y’相来改善合金组织，有效恢复了产生组织退化而未形成蠕变空洞的镍基高温合金组织和性能。热处理修复服役后高温合金的组织损伤，修复过程速度快，成本较低。
[0013]本发明愈合合金中较小的铸造疏松和蠕变空洞效果较好。恢复后的高压涡轮叶片，可延长叶片的使用寿命，减少备件需求，能明显地降低发动机和地面燃机等整机的维修成本。
[0014]本发明对于由镍基合金铸造的涡轮叶片，进行组织和性能恢复后可延长使用寿命，减少对备件的需求，降低整机的维修成本。不仅可以用于镍基合金的组织和性能恢复，还可以用于改善镍基合金在制造时出现的不合格组织，以及合金经过多次处理出现的退化组织。
[0015]本发明只需一台能够到达一定真空度、加热温度和冷却速度的真空热处理炉，以及少量的惰性气体。所以，真空热处理方法工艺简单、成本低、效率高，是恢复镍基合金组织和性能的一种有效、高效且低能耗的好方法。
[0016]原则上来说，本发明可以运用于所有镍基合金，但是当运用到定向凝固镍基合金和镍基单晶合金时，要注意合金再结晶的控制。
【附图说明】
[0017]图1是发动机涡轮叶片使用500h的金相组织图。
[0018]图2是空发动机涡轮叶片使用500h恢复热处理后的金相组织图。
【具体实施方式】
[0019]材料的性能往往取决于其组织，镍基合金的主要强化相是Y’相，如果将退化的Y'相溶解，通过调整工艺重新析出尺寸、形状和数量比较理想的相，则镍基合金的机械性能也将有所恢复。此处理类似于高温合金的固溶处理，由于其以恢复高温合金组织和性能为目的，所以又称为恢复热处理。经实验表明，确定恢复工作一段时间的镍基高温合金部件的真空热处理制度一般有以下几个原则:
1.热处理温度一般比镍基合金材料的固溶温度高20°c左右，太高会出现初溶组织，这是无法恢复的；温度偏低，相只能部分溶解，没有溶解的相在热处理过程中会进一步长大，而在热处理冷却过程中有细小的Y’相析出，从而使组织更加不均匀。
[0020]2.Y'相析出温度范围的冷却速度控制非常重要，是调节相尺寸、分布和含量的重要参数，也是能否获得锯齿状晶界结构的重要影响因素。通常为了抑制相的长大，获得尺寸合适的Y’相，冷却速度越快越好。
[0021]3.合适的保温时间就是要在一定的热处理温度下能够保证相的充分回溶，而不导致像在晶界上的一些粗大、