一种单晶高温合金中Ni3Al相基体化的热处理方法

一种单晶高温合金中ni3al相基体化的热处理方法
技术领域
1.本发明涉及高温合金热处理技术领域，具体涉及一种单晶高温合金中ni3al相基体化的热处理方法。


背景技术：

2.单晶高温合金是目前先进航空发动机与燃气轮机高压涡轮叶片的唯一在役材料，其设计与制备水平是大国制造能力与军事实力的重要标志之一。单晶高温合金微观组织由ni基固溶体(γ相)和ni3al金属间化合物析出相(γ'相)两相组成，传统ni基单晶高温合金中γ相相互连通形成基体，立方状γ'相周期分布其中。
3.近些年来，一些新型的ni3al基单晶高温合金得到了快速发展，这些合金具有高熔点、低密度、高比强、优异的蠕变抗性等优势，有望进一步提高单晶高温合金的使用温度极限。这些合金γ'相相互连通形成基体，而γ相形成孤立的骨架状相，这种组织也称为拓扑反转状态。
4.与ni基单晶高温合金以γ相作为主体开展铸造和热处理设计不同，ni3al基单晶高温合金由于γ'相含量较高且连通形成基体，其铸造更接近γ/γ'或γ'/β共晶点，或以γ'相为初生相，添加过多的合金化元素则导致制备过程中微观组织失稳，失去单晶性，这造成了合金设计时合金化程度不宜过高，相较于传统ni基单晶高温合金使用强化元素种类高达十余种(ni、co、w、mo、re、ru、cr、al、ti、nb、ta及其他微量元素)和较大用量(总添加量接近或大于35％重量比)，目前已报道的ni3al基单晶高温合金主合金化元素小于十种，总添加量最多为25％重量比，合金化程度明显不足，这是ni3al基单晶高温合金在环境抗性、低温-高温性能平衡等方面有待提高的根本原因。因此，ni3al基单晶高温合金难于进行充分合金化设计，成为进一步提高单晶高温合金综合性能的核心问题，如何在制备过程中显著提高γ相的贡献、减少异常γ'相与β相，是解决问题的关键。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种单晶高温合金中ni3al相基体化的热处理方法，解决了ni3al基单晶高温合金微观组织易于失稳、导致难于充分合金化的问题。
6.为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
7.本发明提供了一种单晶高温合金中ni3al相基体化的热处理方法，包括如下步骤：
8.通过等温转变热处理盐浴实验确定ni基单晶高温合金的等温转变曲线，选取最优等温转变温度和时间；
9.将ni基单晶高温合金加热至固溶温度，进行均匀化处理，得到固溶合金；
10.将所述固溶合金降温进行等温转变热处理，所述等温转变热处理为在所述最优等温转变温度保温最优等温转变时间，得到ni3al基单晶高温合金。
11.优选地，所述确定ni基单晶高温合金的等温转变曲线包括：将ni基单晶高温合金进行固溶处理后，置于不同温度的盐浴中保温不同时间，将盐浴后的ni基单晶高温合金淬
火后，测定所得各合金的拓扑反转程度；以微观组织发生0～5％拓扑反转的时间为等温转变开始时间，以微观组织发生95～100％拓扑反转的时间为等温转变结束时间，绘制等温转变曲线。
12.优选地，所述选取最优等温转变温度和时间的原则为：在所述等温转变曲线上实现等温转变所需最短时间和对应的温度为最优等温转变温度和时间。
13.优选地，所述等温转变热处理在盐浴中进行。
14.优选地，所述等温转变热处理结束后还包括：将所得合金冷却至室温。
15.优选地，所述冷却为空冷。
16.优选地，所述ni3al基单晶高温合金的微观组织是以ni3al为基体的拓扑反转组织。
17.本发明提供了一种单晶高温合金中ni3al相基体化的热处理方法，在本发明中，ni3al相基体化具有等温转变特性，本发明采用ni基固溶体(γ相)基体等温转变制备出ni3al相基体的新思路。由于ni3al相基体来自于ni基固溶体，与传统ni基单晶高温合金固溶态组织相同，使得本发明所涉单晶高温合金强化元素种类、用量与合金化程度可以与经典ni基单晶高温合金相当，解决了ni3al基单晶高温合金难于充分合金化的问题。
18.本发明选取的合金是镍基单晶高温合金，因此相对于现有的ni3al基单晶高温合金，本发明热处理制备得到的ni3al基单晶高温合金元素种类更加丰富、合金化程度更高。
19.由于本发明的热处理工艺是将镍基单晶合金等温转变为具有拓扑反转组织特征的ni3al基单晶合金，所以在进行单晶高温合金铸造过程中避免了因接近两相共晶点或以γ'相为初生相导致的微观组织失稳、失去单晶性的问题。
附图说明
20.图1为实施例1的单晶高温合金的等温转变曲线；
21.图2为实施例1和实施例2的单晶高温合金的等温转变曲线对比图；
22.图3为实施例1的均匀化处理程序示意图；
23.图4为未经过等温转变热处理的单晶高温合金的微观组织扫描电镜图；
24.图5为经过等温转变热处理后的单晶高温合金的微观组织扫描电镜图。
具体实施方式
25.本发明提供了一种单晶高温合金中ni3al相基体化的热处理方法，包括如下步骤：
26.通过等温转变热处理盐浴实验确定ni基单晶高温合金的等温转变曲线，选取最优等温转变温度和时间；
27.将ni基单晶高温合金加热至固溶温度，进行均匀化处理，得到固溶合金；
28.将所述固溶合金降温进行等温转变热处理，所述等温转变热处理为在所述最优等温转变温度保温最优等温转变时间，得到ni3al基单晶高温合金。
29.本发明通过等温转变热处理盐浴实验确定ni基单晶高温合金的等温转变曲线，选取最优等温转变温度和时间。在本发明中，等温转变的温度和时间是两个关键技术参数，如果保温温度选择过高或者过低都将会导致等温转变需要的时间大幅增加，甚至导致ni基单晶高温合金不能完全拓扑反转。
30.在本发明中，确定ni基单晶高温合金的等温转变曲线优选包括：将ni基单晶高温
合金进行固溶处理后，置于不同温度的盐浴中保温不同时间，将盐浴后的ni基单晶高温合金淬火后，测定所得各合金的拓扑反转程度；以微观组织发生0～5％拓扑反转的时间为等温转变开始时间，以微观组织发生95～100％拓扑反转的时间为等温转变结束时间，绘制等温转变曲线。
31.在本发明的具体实施例中，将合金alloy sc76分为20组，每组10个合金alloy sc76，进行固溶处理，然后将所得固溶合金置于1000～1100℃的以5℃为梯度的不同温度盐浴中保温，每个温度下一组合金，对每组中的合金保温不同时间后淬火，观察所得合金的微观组织以确定拓扑反转程度；以微观组织发生0～5％拓扑反转的时间为等温转变开始时间，以微观组织发生95～100％拓扑反转的时间为等温转变结束时间，绘制等温转变曲线，如图1所示。图1中曲线a代表在不同温度下等温转变开始时间，曲线b代表在不同温度下等温转变结束时间，折线1～5分别代表经过固溶处理的单晶高温合金在不同温度下保温进行等温转变的过程。本发明中，以质量百分比计，所述合金alloy sc76的化学成分包括：al 7.4～7.6％、cr 1.5～1.7％、w 2～2.2％、ta 5.2～5.4％、mo 7.4～7.6％、re 1.3～1.5％、余量的ni以及不可避免的杂质元素。
32.本发明的ni基单晶高温合金等温转变为ni3al基单晶高温合金的过程，即微观组织拓扑反转的过程类似于过冷奥氏体发生的贝氏体转变。
33.确定ni基单晶高温合金的等温转变曲线后，本发明选取最优等温转变温度和时间。在本发明中，所述ni基单晶高温合金的最优等温转变温度和时间的选取原则优选为：在所述等温转变曲线上实现等温转变所需最短时间和对应的温度为最优等温转变温度和时间。在本发明的具体实施例中，在所述等温转变曲线上做平行于横坐标的直线，当直线与等温转变曲线的两个交点间距离最短时，该距离对应的时间即为最优等温转变时间，该直线与纵坐标的交点温度即为最优等温转变温度。
34.得到ni基单晶高温合金的最优等温转变温度和时间后，本发明将ni基单晶高温合金加热至固溶温度，进行均匀化处理，得到固溶合金。本发明对所述固溶温度和均匀化处理的工艺没有特殊要求，根据不同组成的ni基单晶高温合金确定其固溶温度和均匀化处理工艺即可。在本发明的具体实施例中，将ni基单晶高温合金加热至1250℃，在1250℃到1350℃之间设置间隔5℃的温度梯度，在每个温度下保持2h，进行均匀化处理，得到固溶合金。
35.得到固溶合金后，本发明将所述固溶合金降温至所述最优等温转变温度，保温最优等温转变时间，进行等温转变热处理，得到ni3al基单晶高温合金。
36.在本发明中，所述等温转变热处理优选在盐浴中进行。
37.本发明优选在所述等温转变热处理结束后，将所得合金冷却至室温。在本发明中，所述冷却优选为空冷。
38.下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
39.实施例1
40.以质量百分比计，本实施例中单晶高温合金alloy sc76的化学成分为：al 7.6％、cr 1.6％、w 2.1％、ta 5.2％、mo 7.5％、re 1.5％、余量的ni以及不可避免的杂质元素。
41.将合金alloy sc76分为20组，每组10个合金alloy sc76，将合金加热到1250℃，在1250℃到1350℃之间设置5℃的温度梯度，在每个温度下保持2h，进行固溶处理，然后将所得固溶合金置于1000～1100℃的以5℃为梯度的不同温度盐浴中保温，每个温度下一组合金，对每组中的合金保温不同时间后淬火，淬火的工艺为以310℃/min的降温速率进行水淬，观察所得合金的微观组织以确定拓扑反转程度；以微观组织发生0～5％拓扑反转的时间为等温转变开始时间，以微观组织发生95～100％拓扑反转的时间为等温转变结束时间，绘制等温转变曲线，如图1和图2的上侧附图所示。图1和图2中曲线a代表在不同温度下等温转变开始时间，曲线b代表在不同温度下等温转变结束时间，折线1～5分别代表经过固溶处理的单晶高温合金在不同温度下保温进行等温转变的过程。
42.根据上述等温转变曲线确定alloy sc76的最优等温转变温度和保温时间，即1057℃和82h。
43.按照所述单晶高温合金alloy sc76的化学成分将高纯原料在真空电弧炉中进行熔炼，得到多晶母合金铸锭；将所述多晶母合金铸锭加工成直径17mm、长度120mm的金属棒，放入dzg-0.025型定向凝固炉，采用定向凝固-螺旋选晶法进行定向铸造，得到铸态ni基固溶体单晶合金。
44.将所述铸态ni基固溶体单晶合金放入gsl1600x管式炉中进行均匀化处理和ni3al相基体化等温转变热处理，具体的均匀化处理程序如图3所示：首先以5℃/min的升温速率将炉温升至1250℃，然后在1250～1350℃之间以5℃的间隔进行梯度热处理，每个温度下保温120min，得到固溶合金；然后将所述固溶合金放入1057℃的盐浴中，保温82h进行ni3al相基体化等温转变热处理；等温转变结束以后，空冷至室温，得到ni3al基单晶高温合金。
45.图4和图5分别为未经过ni3al相基体化等温转变热处理和经过ni3al相基体化等温转变热处理后的单晶高温合金的微观组织。图4～5中白亮相为ni固溶体相(γ相)，可以看出，未经过等温转变热处理的合金微观组织为传统的ni基固溶体单晶标准两相组织；而经过等温转变热处理以后，合金微观组织发生明显变化，基体相从γ相变为ni3al相，γ相由原来互相连通的通道变为孤立的不规则岛状结构，即合金微观组织发生了拓扑反转；同时经过等温转变热处理以后，γ相尺寸变大。
46.实施例2
47.以质量百分比计，本实施例中单晶高温合金alloy sc57的化学成分为：al 5.7％、cr 1.6％、w 2.1％、ta 5.4％、mo 7.5％、re 1.5％、余量的ni以及不可避免的杂质元素。
48.将合金alloy sc57分为20组，每组10个合金alloy sc57，将合金加热到1250℃，在1250℃到1350℃之间设置5℃的温度梯度，在每个温度下保持2h，进行固溶处理，然后将所得固溶合金置于1000～1100℃的以5℃为梯度的不同温度盐浴中保温，每个温度下一组合金，对每组中的合金保温不同时间后淬火，淬火的工艺为以310℃/min的降温速率进行水淬，观察所得合金的微观组织以确定拓扑反转程度；以微观组织发生0～5％拓扑反转的时间为等温转变开始时间，以微观组织发生95～100％拓扑反转的时间为等温转变结束时间，绘制等温转变曲线，如图2的下侧附图所示。图2中曲线a代表在不同温度下等温转变开始时间，曲线b代表在不同温度下等温转变结束时间。
49.根据上述等温转变曲线确定alloy sc57的最优等温转变温度和保温时间，即1064℃和134h。
50.按照所述单晶高温合金alloy sc57的化学成分将高纯原料在真空电弧炉中进行熔炼，得到多晶母合金铸锭；将所述多晶母合金铸锭加工成直径17mm、长度120mm的金属棒，放入dzg-0.025型定向凝固炉，采用定向凝固-螺旋选晶法进行定向铸造，得到铸态ni基固溶体单晶合金。
51.将所述铸态ni基固溶体单晶合金放入gsl1600x管式炉中进行均匀化处理和ni3al相基体化等温转变热处理，具体的均匀化处理程序为：首先以5℃/min的升温速率将炉温升至1250℃，然后在1250～1350℃之间以5℃的间隔进行梯度热处理，每个温度下保温120min，得到固溶合金；然后将所述固溶合金放入1064℃的盐浴中，保温134h进行ni3al相基体化等温转变热处理；等温转变结束以后，空冷至室温，得到ni3al基单晶高温合金。
52.由实施例1和实施例2对比可以看出，对于不同成分的ni基单晶高温合金，等温转变的温度和需要的时间不同，即组织发生拓扑反转的难度不同，其等温转变曲线的形状和位置也不同，根据金属学原理，合金含有的al含量以及ni3al相偏聚元素(如ta、ti)越多，合金组织发生拓扑反转越容易。alloy sc57的等温转变曲线和alloy sc76的等温转变曲线进行对比，如图2所示。alloy sc57相比alloy sc76的al元素含量质量百分数减小了1.9％，其等温转变曲线上移右移，最优等温转变温度增加了7℃，等温转变最短时间增加了52h，同时等温转变窗口从60℃(1010～1070℃)减小到了25℃(1040～1065℃)，温度高于1065℃以后不能发生组织拓扑反转。
53.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。