大型高温合金铸锭的去应力退火工艺制定方法

本发明涉及高温合金热处理领域，特别涉及一种大型高温合金铸锭的去应力退火工艺制定方法。

背景技术：

1、变形高温合金的冶炼过程一般由真空感应熔炼、电渣重熔、真空自耗重熔等环节组成。合金先经过真空感应熔炼浇铸并制备成重熔电极，然后再进行电渣重熔和真空自耗重熔过程进行精炼，以获得高纯净、低偏析的高温合金铸锭，然后再进行均匀化热处理、开坯锻造等过程制备成涡轮盘等物件。大量的实践经验表明，重熔过程的稳定性与重熔电极内部缺陷和应力情况相关，通过对真空感应熔炼、电渣重熔以及真空自耗重熔等过程生产的铸锭进行去应力退火，可以避免内应力致使开裂，提高后续自耗过程稳定性，提高铸锭质量。

2、金属熔体一般盛放在模具中，由于模具一般较冷，在合金实际生产过程中靠近模具的金属熔体的凝固速度较快，先发生凝固，而远离模具的金属熔体的凝固速度较慢，后发生凝固，因此在实际生产过程中，模具中的金属熔体凝固过程并不是均匀的。

3、由于液相到固相是一个相变过程，如图1所示，物质的密度会发生变化(一般来说金属的固相密度要大于液相)，进而导致体积变化，因此不均匀的凝固过程会进一步导致不均匀的体积变化。正是这种不均匀的体积变化会产生凝固残余应力，外层靠近模具的金属熔体先发生凝固，会对后凝固的心部熔体的收缩过程产生约束，进而在铸锭的心部产生拉应力，这种残余应力一般会导致铸锭心部发生开裂损伤。

4、去应力退火的目的是去除铸锭在凝固过程中产生的残余应力，避免裂纹的产生和稳定后续重熔过程。随着铸锭直径的增加，铸锭内的温度梯度增加，微观偏析和宏观偏析程度增加，热裂敏感性也提高，因此需要对大型铸锭中的残余应力特别关注，当残余应力过多时，会产生热裂，这些裂缝可以非常小，是导致熔炼不稳定的主要原因，并会进一步导致严重的偏析现象。合适的去应力退火工艺能够稳定冶炼曲线，有效避免大型高温合金铸锭因热应力和组织应力发生炸裂。

5、应力退火对于高温合金的铸锭质量的提高至关重要。虽然国内外对变形高温合金的去应力退火工艺都有所考虑，但都没有形成较为系统的研究和制定方法，工艺的制定大多依靠经验判断。为了能够制定合理的工艺制度，保证退火质量，减少不必要的退火时间，因此需要建立一套方法来指导去应力退火工艺的制定。

6、目前仅在国家自然科学基金委2022年公开的研究报告中找到一处与本发明类似的工作(王磊,高品质镍基合金大尺寸电极残余应力形成机制和控制方法)。该工作通过对几种典型时效高温合金(gh4105、gh4169、gh4720li以及gh4742)进行了不同温度退火的硬度检验，研究了高温合金退火温度对合金硬度的影响，并以此制定了去应力退火制度。在该项研究中，先根据经验设定一个硬度范围，如gh4169合金是240～290hbw，然后根据gh4169合金在不同时效温度下的硬度下降情况确定出合适的去应力退火温度区间在850℃～920℃之间。

7、目前已有的通过硬度确定去应力退火工艺的方法主要有以下不足之处：

8、1.方法缺少理论依据。

9、硬度是反映合金力学性能的一个综合物理量，是指金属材料抵抗局部变形的能力，特别是塑性变形、压痕或划痕等，目前并没有证据直接说明硬度与去应力退火有直接关系，因此通过硬度来确定退火温度区间是缺乏依据的。

10、2.没有考虑冶炼工艺对去应力退火工艺的影响。

11、不同冶炼工艺，以及同种冶炼工艺的不同工艺参数都会对重熔电极的初始残余应力的大小产生影响，因此制定合理的去应力退火工艺需要充分考虑铸锭制备工艺对电极残余应力的影响，对于特定的电极制备工艺需要专门设计对应的去应力退火工艺。已有的通过硬度来制定去应力退火工艺的方法不能考虑铸锭冶炼条件对退火工艺的影响。

12、3.没有考虑工艺实施过程中可能存在的应力损伤风险。

13、由于高温合金的热导率较低，在退火工艺的实施过程中(升温和降温)，铸锭会因为不同区域的温度差异而产生额外的热应力，这部分热应力与铸锭的残余应力叠加，可能会加剧铸锭损伤开裂的风险，因此在制定去应力退火工艺的过程中，不仅需要确定退火温度和时间，还需要对升降温制度进行额外考虑，由于硬度方法直接通过铸锭局部区域的样品硬度测试来确定工艺，因此没有考虑工艺实施过程中的热应力等方面影响。

14、4.无法确定退火时长。

15、退火制度的时间长度决定了应力的消除程度，因此在制定去应力退火工艺的过程中应当考虑退火过程的具体时长。在工业生产中，如果能够准确确定退火时长，就能既保证产品的质量，又能节约大量能源，因此退火时长的确定需要充分考虑。

16、综上所述，目前已有的去应力退火工艺确定方法缺乏较为合理的理论依据，没有考虑冶炼初始条件带来的残余应力不同的影响，同时也不能确定去应力退火的具体时长，没有为退火工艺实施过程中可能发生的损伤问题进行考虑。因此已有的方法不能满足去应力退火工艺制定的需要，需要提出新的方法来进行曲应力退火工艺的合理制定。

技术实现思路

1、本发明的目的就是克服现有技术的不足，提供了一种大型高温合金铸锭的去应力退火工艺制定方法，该方法基于合金高温拉伸力学性能以及应力松弛行为，直接将应力变化进行模型表征并应用于去应力退火分析，能够较好的考虑铸锭冶炼过程的初始残余应力，能够对铸锭升温和降温过程的应力损伤问题进行考虑。由于该方法将材料行为归纳成模型，因此应用范围更广，可针对不同冶炼工艺和冶炼锭进行工艺制定。

2、本发明采用如下技术方案：

3、一种大型高温合金铸锭的去应力退火工艺制定方法，包括：

4、s1、建立合金的应力损伤模型和应力松弛模型；

5、s2、计算铸锭的初始应力分布；

6、s3、将步骤s1确定的应力损伤模型和应力松弛模型、及步骤s2得到的铸锭的初始应力分布输入有限元模型，对铸锭的去应力退火过程进行计算，得到应力退火过程不同时间的损伤判据的数值；

7、s4、根据步骤s3的计算结果进行应力退火过程工艺参数的优化，得到优化的工艺参数；

8、s5、根据步骤s4得到的优化的工艺参数，制定退火工艺。

9、如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤s1中，所述应力损伤模型包括确定热处理损伤判据p，所述热处理损伤判据p通过下式计算：

10、

11、式中，σ1为最大主应力，σb为抗拉强度，为等效应力，σs为屈服强度；σb、σs通过实验确定；p值大于等于1，则认为铸锭局部发生了应力损伤，当p值介于0～1之间，认为铸锭局部安全。

12、如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤s1中，所述应力松弛模型，利用铸态合金的高温拉伸试样进行不同温度和应力条件下的应力松弛实验，得到不同情况下的应力松弛曲线，通过将所述应力松弛曲线进行拟合获得合金的应力松弛模型。

13、如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述应力松弛模型采用双曲正弦形式的蠕变本构模型：

14、

15、式中，为应变速率，σ为应力，r为气体常数，t为温度，a、α、n、δq为待确定的常数，通过实验确定。

16、如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述应力松弛模型采用指数形式的本构模型：

17、

18、式中，为应变速率，σ为应力，a1和b为与温度相关的待拟合系数。

19、如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤s2中，铸锭的初始应力分布按如下方法得到：

20、真空感应熔炼的铸锭应力通过procast软件计算并导出；

21、电渣重熔和真空自耗重熔的铸锭应力可通过srac-esr和srac-var工具计算获得，在计算目录下运行srac-esr和srac-var工具后自动生成有限元计算的配置文件，然后工具自动基于abaqus有限元软件进行初始应力求解。

22、如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤s3中，所述有限元模型为abaqus有限元软件，

23、如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤s4中，所述应力退火过程工艺参数的优化，具体为：

24、通过计算不同工艺参数下的损伤判据p值，得到工艺参数与p值的相关关系，调整工艺参数值使p值始终小于设定阈值，得到优化的工艺参数；所述工艺参数包括：脱模时间、转移时间、保温台阶、升温速率、降温速率、冷却方式、去应力退火温度。

25、如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤s5中，根据优化后的工艺参数，确定退火工艺中的升降温制度，再通过粘弹性计算分析去应力效果(为现有技术)，并最终确定保温退火台阶的温度和保温时间。

26、如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤s5中，将优化好的工艺参数进行整理，绘制退火工艺曲线。

27、本发明的有益效果为：

28、本发明通过构建应力损伤模型和应力松弛模型，借助有限元分析手段，分析去应力退火过程的损伤和应力变化情况，并以此来制定去应力退火工艺制度的技术方案。

29、(1)考虑了铸锭的初始残余应力，即通过将真空自耗重熔、电渣重熔以及真空自耗重熔的铸锭应力情况作为初始条件用来分析退火过程的应力变化以及预测潜在的损伤风险。本发明铸锭不同位置呈现出的不同力学行为(边部塑性，心部脆性)的现象，综合考虑了两种损伤行为，提出了退火工艺执行过程中的应力损伤预测方法，能够实现退火过程中铸锭应力水平的消除程度预测。。

30、(2)将损伤模型与应力松弛本构模型引入到去应力退火的研究中。利用实验过程收集了合金的一些必要的性能数据，这些数据拟合的损伤模型和应力松弛模型将直接影响去应力退火工艺制度的建立，并具有拓展性，当铸锭初始条件发生变化后(冶炼条件、锭型尺寸等)，也可进行相应的计算分析。损伤模型是本发明综合已有理论针对退火过程应力损伤问题提出的新判据。

31、(3)实现了冶炼工艺与退火工艺的连贯计算分析，可以针对不同冶炼工艺制备的电极进行去应力退火工艺的研究制定。基于铸锭的初始应力分布，通过借助有限元分析方法，引入了应力损伤模型与应力松弛本构模型，可将实际生产过程中铸锭的脱模转移、入炉升温、退火、出炉降温过程中的应力变化情况和损伤情况展示出来，能够直观的给出不同工艺参数对去应力退火工艺的影响，合理的具有可操作性的去应力退火工艺。