一种高温合金钢的热处理方法与流程

　　本发明属于合金钢技术领域，具体涉及一种高温合金钢的热处理方法。

　　背景技术：

　　GH4169合金的年产量占变形高温合金总产量的45％，是目前产量更大的高温合金之一。GH4169合金是一种铌强化的沉淀硬化型铁镍基高温合金，该合金在高温下具有高强度、高疲劳性能和良好的塑性，因此被广泛应用于航空、航天、核能和石油等领域。国内一般是通过水压机锻造和锤击锻造两种工艺生产这种材料的涡轮盘一类的零件。

　　高温合金的强化机制主要有固溶强化和沉淀强化两类，GH4169合金的热处理方式也主要由固溶处理和时效处理两部分组成。而不同的热处理工艺可以对合金的晶粒度、强化相的沉淀或溶解、析出数量和颗粒尺寸甚至晶界状态产生影响。由于该合金的价格相当昂贵，为了保证工件的组织和性能的稳定，热处理工艺一般选择真空热处理。由于真空炉在真空状态下的传热是单一的辐射传热,在真空气氛中的加热具有其它介质(大气、可控气氛、盐浴)加热不可能具备的特点,工艺参数的选取也具有特殊性。

　　很多学者已经研究过不同热处理对GH4169合金热变形行为的影响。结果表明，热处理过程中析出的δ相含量随热处理工艺的不同而不同，并且合金的变形抗力随δ相的增加而降低，存在于晶界的δ相有利于热变形过程中的再结晶，晶界内的δ相则阻碍其形核过程。作为国产涡轮盘用材料，其实际服役条件一般是在650℃的工况下，在该温度下对其疲劳性能进行研究具有更为实际的工程意义。与此同时，对于GH4169合金低周疲劳的研究，大多数学者都是研究温度、频率等对材料的力学性能的影响，关于相在高温环境下对合金疲劳行为的影响鲜有报道。

　　公开号为“CN105695703A”，发明名称为“一种模具钢热处理工艺”，公开了一种7Cr7Mo2V2Si高强韧性冷作模具钢预备热处理和淬火及回火的两火直接热处理工艺方法，从介绍的参数来看，仅对该模具钢的硬度和耐磨性值提升有些效果，但很难达到高温合金热处理工艺基本无参考价值。

　　“GH4169合金件真空时效过程数值模拟”，金属热处理，第31卷第1期，公开了对GH4169合金件真空时效过程温度场的模拟计算，开展简单验证，但是未提供合金固溶处理和时效处理的合适温度等工艺参数。

　　技术实现要素：

　　本发明所要解决的技术问题是提供一种可改变合金中析出相的形态与分布，并改善合金中晶界的形态，进而达到改善合金力学性能的目的，提高合金钢高温使用寿命的热处理方法。

　　本发明一种高温合金钢的热处理方法，包括以下步骤：

　　a、高温扩散退火工艺：将高温合金钢锭在1150±10℃加热22～26h，再在1190±10℃下加热70～74h后，空冷；

　　b、锻后预处理：加热温度为950±10℃，保温0.5～1.5h后，空冷；

　　c、高温固溶处理：加热温度为910±10℃，保温18～24h后，空冷；再加热，加热温度为960±10℃，保温1～2h，空冷；

　　d、低温时效处理：加热温度为710±10℃，保温7～10h后控制以50～60℃/h的速度随炉冷却至610±10℃，再保温7～10h，再空冷，得到锻件成品。

　　进一步的，上述一种高温合金钢的热处理方法，其中a步骤中将高温合金钢锭在1150℃加热24h，再在1190℃下加热72h后，空冷。

　　进一步的，上述一种高温合金钢的热处理方法，其中b步骤中加热温度为960℃，保温1h后，空冷。

　　进一步的，上述一种高温合金钢的热处理方法，其中c步骤中加热温度为900℃，保温22h后空冷；再加热，加热温度为950℃，保温1.5h后空冷。

　　进一步的，上述一种高温合金钢的热处理方法，其中d步骤中加热温度为720℃，保温8h后以50℃/h的速度随炉冷却至620℃，再保温8h，更后空冷。

　　上述一种高温合金钢的热处理方法，其中得到锻件的更终晶粒级别为8.0～8.6级。

　　上述一种高温合金钢的热处理方法，得到的锻件在650℃、720MPa的蠕变条件下，蠕变寿命为182h。

　　本发明的一种GH4169高温合金钢热处理方法，锻后加热预处理、高温固溶处理和低温时效处理热处理工艺制度，获得较好的高温塑性和抗蠕变寿命。

　　具体实施方式

　　本发明锻件通过大型电加热炉加热，温度由温度控制器控制，通过热电偶传感器测得锻件在炉壁两侧、上下两面上各4个不同位置的温度点合计24个，传送到温度变送器上实现反馈控制，保障炉内温升的均匀性。铸锭经开坯、锻造成的合金锻件，本发明GH4169高温合金钢锻件热处理工艺技术方案包括以下步骤：

　　a、高温扩散退火工艺：将高温合金钢锭在1150±10℃加热22～26h，再在1190±10℃下加热70～74h后，空冷；

　　b、锻后预处理：加热温度为950±10℃，保温0.5～1.5h后，空冷；

　　c、高温固溶处理：加热温度为910±10℃，保温18～24h后，空冷；再加热，加热温度为960±10℃，保温1～2h，空冷；

　　d、低温时效处理：加热温度为710±10℃，保温7～10h后控制以50～60℃/h的速度随炉一起冷却至610±10℃，再保温7～10h，空冷，得到锻件。

　　对于高温合金锭，在每次加热后都会使一部分元素偏析或析出，相固溶后空冷的温降速度较慢，利于后续均匀扩散，使组织趋于均匀、消除偏析，其他冷却方式冷却速度偏大，空冷至室温或不烫手即可。

　　进一步的，上述一种高温合金钢的热处理方法，其中a步骤中将高温合金钢锭在1150℃加热24h，再在1190℃下加热72h后，空冷。

　　进一步的，上述一种高温合金钢的热处理方法，其中b步骤中加热温度为960℃，保温1h后，空冷。

　　进一步的，上述一种高温合金钢的热处理方法，其中c步骤中加热温度为900℃，保温22h后空冷；再加热，加热温度为950℃，保温1.5h后空冷。

　　进一步的，上述一种高温合金钢的热处理方法，其中d步骤中加热温度为720℃，保温8h后以50℃/h的速度随炉冷却至620℃，再保温8h，再空冷至室温。

　　上述一种高温合金钢的热处理方法，其中得到锻件的更终晶粒级别为8.0～8.6级。

　　上述一种高温合金钢的热处理方法，得到的锻件在650℃、720MPa的蠕变条件下，蠕变寿命为182h。

　　本发明通过对高温合金采取合适的锻后加热预处理、高温固溶处理和低温时效处理热处理工艺制度，将镍基合金中不均匀分布的γ′相全部或部分溶解，更大限度地减少γ/γ′两相共晶的含量，使元素得到充分扩散，均化合金的化学成分，减少成分偏析，并调整合金中γ′析出相的数量、形态与分布，达到改善合金性能的目的。通过时效处理，使其从过饱和固溶体中充分析出细小的γ′和γ"相，以提高合金的室温和高温力学性能。同时再时效处理，使其从过饱和固溶体中充分析出细小的γ′和γ"相，以提高合金的室温和高温力学性能，使合金具有较长蠕变寿命，可以大幅提高产品兑现率及用户满意度，具有在攀长钢其他高温合金热处理产品及国内同行业推广应用的市场前景。

　　下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步的描述，并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

　　实施例1

　　一种尺寸的GH4169高温合金钢锭经高温扩散退火工艺为：1150±10℃，保温24h，再在1190±10℃下保温72h后空冷，经过7道次墩粗和拔长热加工工艺后，墩粗到圆饼，后续热处理工艺包含以下步骤：

　　(1)锻后预处理：加热温度为960℃，保温1h，空冷；

　　(2)高温固溶处理：加热温度为900℃，保温22h，空冷；再加热，加热温度为950℃，保温1.5h，空冷；

　　(3)低温时效处理：加热温度为720℃，保温8h，以50℃/h速度随炉冷至620℃，再保温8h，空冷。

　　锻件更终晶粒级别为8.5级；

　　锻件在蠕变条件下650℃、720MPa下进行高温低周蠕变-疲劳试验测试，蠕变寿命182h。

　　实施例2

　　一种尺寸的GH4169高温合金钢锭经高温扩散退火工艺为：1150±10℃下保温24h后，再在1190±10℃保温72h，空冷，经过7道次墩粗和拔长热加工工艺后，墩粗到圆饼，后续热处理工艺包含以下步骤：

　　(1)锻后预处理：加热温度为950℃，保温1h，空冷；

　　(2)高温固溶处理：加热温度为910℃，保温24h，空冷，再加热，加热温度为960℃，保温2h，空冷；

　　(3)低温时效处理：加热温度为710℃，保温9h，以60℃/h速度随炉冷至610℃，再保温9h，空冷。

　　锻件更终晶粒级别为8.2级；

　　锻件在蠕变条件下650℃、720MPa下进行高温低周蠕变-疲劳试验测试，蠕变寿命180h。

　　实施例3

　　一种尺寸的GH4169高温合金钢锭经高温扩散退火工艺为：1150±10℃下保温24h后，再在1190±10℃保温72h，空冷，经过7道次墩粗和拔长热加工工艺后，墩粗到圆饼，后续热处理工艺包含以下步骤：

　　(1)锻后预处理：加热温度为940℃，保温1h，空冷；

　　(2)高温固溶处理：加热温度为920℃，保温18h，空冷，再加热，加热温度为970℃，保温1h，空冷；

　　(3)低温时效处理：加热温度为700℃，保温10h，以55℃/h速度随炉冷至600℃，再保温7h，空冷。

　　锻件更终晶粒级别为8.4级；

　　锻件在蠕变条件下650℃、720MPa下进行高温低周蠕变-疲劳试验测试，蠕变寿命181h。

　　对比例1

　　一种尺寸的GH4169高温合金钢锭经高温扩散退火工艺为：1190±10℃下保温48h后空冷，经过7道次墩粗和拔长热加工工艺后，墩粗到圆饼，后续热处理工艺包含以下步骤：

　　(1)锻后预处理：加热温度为940℃，保温1h，空冷；

　　(2)高温固溶处理：加热温度为920℃，保温12h，空冷，再加热，加热温度为970℃，保温1h，空冷；

　　(3)低温时效处理：加热温度为700℃，保温7h，以55℃/h速度随炉冷至600℃，再保温5h，空冷。

　　锻件更终晶粒级别为7级，并仍有少数混晶存在；