一种难变形镍基高温合金的热处理工艺及锻件的制作方法

本技术涉及热处理工艺领域，更具体涉及一种难变形镍基高温合金的热处理工艺及锻件。

背景技术：

1、航空发动机的工作环境较为复杂且恶劣，因而要求高温合金具备较长的高温持久寿命和综合力学性能，综合力学性能包括拉伸、冲击和硬度。其中，高温持久寿命是高温合金服役性能的一项重要指标。如何在提升高温持久寿命的同时，保持其他性能处于优良水平，是目前需要攻克的难点。

2、一般地，采用传统热处理工艺处理高温合金时，处理后高温合金的高温持久寿命提高有限，而且往往伴随着硬度与脆性的提高，导致了高温合金在机械加工时较为困难，同时高温合金内的残余内应力也逐渐增大，导致了高温合金的裂纹快速扩展，进而对由高温合金制成的发动机的性能、寿命和可靠性产生不良影响。再采用相关工艺降低高温合金的硬度与脆性时，往往又会降低高温合金的强度。因此，采用传统热处理工艺不能有效地保证高温合金的综合力学性能，也不能保证由高温合金制得产品或锻件的使用寿命。

3、因此，亟需一种热处理工艺延长高温合金的高温持久寿命，同时保证高温合金的综合力学性能。

技术实现思路

1、为了延长难变形镍基高温合金的高温持久寿命，并保证综合力学性能，本技术提供了一种难变形镍基高温合金的热处理工艺及锻件。

2、第一方面，本技术提供了一种难变形镍基高温合金的热处理工艺，将所述难变形镍基高温合金进行过固溶处理、缓冷、淬火处理和时效处理；

3、所述过固溶处理的温度比难变形镍基高温合金的γ′强化相全溶温度高10-60℃，所述过固溶处理的时间为5-10h；

4、所述缓冷、淬火处理过程中，以0.6-1.0℃/min的冷速缓冷，缓冷处理的时间为30-600min；随后空冷30-60s后进行油淬，冷却至室温。

5、其中所述难变形镍基高温合金中al、ti、nb元素的质量百分比之和大于6.6%。

6、本技术所提供的热处理工艺实施于al、ti、nb元素的质量百分比之和大于6.6%的难变形镍基高温合金中，能够综合优化难变形镍基高温合金的微观组织，延长了难变形镍基高温合金的高温持久寿命，同时保持难变形镍基高温合金的硬度不提高。

7、本技术所提供的热处理工艺能够适当地增大难变形镍基高温合金内晶粒的尺寸，减小晶界长度，从而延长难变形镍基高温合金的高温持久寿命。其中，通过缓冷和淬火工艺分别获得两种尺度的二次γ′强化相：通过缓冷析出尺寸较大的二次γ′强化相，通过钉扎晶界获得弯曲的晶界，从而增大晶界的咬合力与晶界强度；通过淬火得到细小的二次析出相，使晶内和晶界强度同时得到增强。最后通过时效处理调控三次γ′强化相的尺寸和含量，在降低残余应力的同时获得多尺度的三次γ′强化相，进一步提高晶界和晶内强度。

8、在一个实施方案中，所述过固溶处理的温度比难变形镍基高温合金的γ′强化相全溶温度高10-30℃，所述过固溶时间为6-8h。

9、优选地，所述过固溶处理的温度比难变形镍基高温合金的γ′强化相全溶温度高20℃，所述固溶时间为8h。

10、在难变形镍基高温合金中，γ′强化相有钉扎晶界并阻碍晶粒的长大的作用，经过过固溶处理后，能够使难变形镍基高温合金内γ′强化相溶解，消除钉扎作用，使得晶粒长大，缩短晶界总长度，进而延长了难变形镍基高温合金的晶界高温持久寿命。

11、本技术中，过固溶处理的温度比难变形镍基高温合金的γ′强化相全溶温度高出10-60℃，当高出温度大于60℃时，难变形镍基高温合金内的晶粒尺寸过大，强度过低；当高出温度小于10℃时，难变形镍基高温合金内γ′强化相溶解不充分，不利于后期组织调控。

12、在一个实施方案中，所述固溶后缓冷处理的冷速范围为0.7-0.9℃/min，缓冷处理的时间为40-60min。

13、优选地，固溶后缓冷处理的冷速范围为0.8℃/min，缓冷处理的时间为50min。

14、在本技术中，过固溶处理后进行缓慢冷却，简称缓冷，然后再进行淬火处理。缓冷能够降低γ′强化相形核率，为γ′强化相的析出和长大提供充足时间，从而在晶内和晶界上形成尺寸较大的二次γ′强化相，晶界上形成的大尺寸强化相能够有效地阻碍晶界迁移，控制晶粒尺寸的同时获得弯曲晶界，增强晶界的咬合力，从而提高晶界强度。

15、本技术淬火处理为油淬。难变形镍基高温合金在缓冷处理结束后，在30-40s内进行油淬，冷却至室温。油淬处理能够提高形核率，在晶界和晶内析出细小的二次γ′强化相，可以有效地提高晶界、晶内的强度。

16、在一个实施方案中，所述时效处理包括一级时效和二级时效。

17、在本技术中，一级时效处理能够显著消除淬火应力，进而降低难变形镍基高温合金或锻件的脆性与开裂倾向，降低裂纹扩展速率，进而提高了可加工性；同时，在难变形镍基高温合金的晶内中析出三次γ′强化相，进一步提高难变形镍基高温合金的综合力学性能。

18、在本技术中，二级时效处理能够获得多尺度三次γ′强化相，有效地阻止晶内位错滑移，进一步提高晶内强度，使晶内与晶界强度达到良好配合，使得难变形镍基高温合金的高温持久寿命大幅提升，并且获得较优的综合力学性能。

19、在一个实施方案中，所述一级时效处理的温度比难变形镍基高温合金的γ′强化相全溶温度低200-300℃，所述级时效处理的时间为6-10h。

20、在一个实施方案中，所述一级时效处理的温度比难变形镍基高温合金的γ′强化相全溶温度低220-280℃，所述一级时效处理的时间为6-8h。

21、优选地，一级时效处理的温度比难变形镍基高温合金的γ′强化相全溶温度低250℃，所述一级时效时间为6h。

22、本技术中，一级时效处理的温度比难变形镍基高温合金的γ′强化相全溶温度低出200-300℃，当低出温度大于300℃时，一级时效处理的温度较低，残余应力消除不到位，造成开裂问题；当低出温度小于200℃时，一级时效处理的温度较高，无法保证难变形镍基高温合金的强度。

23、在本技术中，所述二级时效处理的温度比难变形镍基高温合金的γ′强化相全溶温度低300-380℃，所述二级时效处理的时间为8-24h。

24、在一个实施方案中，所述二级时效处理的温度比难变形镍基高温合金的γ′强化相全溶温度低300-350℃，所述二级时效处理的时间为10-20h；

25、优选地，所述二级时效处理的温度比难变形镍基高温合金的γ′强化相全溶温度低320℃，所述二级时效时间为16h。

26、在本技术中，二级时效处理的温度比难变形镍基高温合金的γ′强化相全溶温度低出300-380℃，当低出温度小于300℃时，二级时效处理的温度过高，三次γ′强化相数量少，且尺寸过大；当低出温度大于380℃时，二级时效处理的温度过低，时效处理效果不显著。

27、在一个实施方案中，所述难变形镍基高温合金中al、ti、nb元素的质量百分比之和大于7%。

28、优选地，难变形镍基高温合金中al、ti、nb元素的质量百分比之和大于等于7.5%。

29、更优选地，难变形镍基高温合金中al元素的质量百分比为2-5.5%；ti元素的质量百分比为2-4%；nb元素的质量百分比0-5%。

30、本技术所提供的热处理工艺适用于al、ti、nb元素的质量百分比之和大于6.6%的难变形镍基高温合金，示例性地，al、ti、nb元素的质量百分比之和可以为6.6%、6.8%、7.0%、7.5%、7.8%、8.0%、8.2%、9.0%、10.5%、11.0%等。

31、当al、ti、nb元素的质量百分比之和低于6.6%时，热处理后的难变形镍基高温合金中γ′强化相含量饱和度低，进而导致了难变形镍基高温合金力学性能较差，因此，无法应用于性能要求较高的锻件中。

32、第二方面，本技术提供了一种锻件，通过本技术所述难变形镍基高温合金的热处理工艺处理得到。

33、在本技术中，选用难变形镍基高温合金制得锻件，锻件的制备过程大体包括合金熔炼、均匀化处理、锻造（主要为镦粗和拔长）和模锻，其中模锻的作用是改变锻件的形状，基本不影响锻件的组织和性能。利用本技术所述热处理工艺对锻件进行处理，其中热处理工艺包括过固溶处理、缓冷、淬火处理和时效处理，能够延长锻件的高温持久寿命，同时保证锻件的综合力学性能。经性能检测，热处理后的锻件的高温持久寿命比热处理前有所提高，在650℃/873mpa的条件下，高温持久寿命提高260%以上；在650℃/834mpa的条件下，高温持久寿命提高160%以上；在750℃/539mpa的条件下，高温持久寿命提高290%以上。

34、锻件可以为盘锻件，盘锻件是指航空发动机及燃气轮机用压气机盘、涡轮盘、篦齿盘等锻件的统称。

35、综上所述，本技术具有以下有益效果：

36、1、本技术采用过固溶处理、缓冷、淬火处理和时效处理对难变形镍基高温合金进行处理，能够延长难变形镍基高温合金的高温持久寿命，且保证硬度不提高；

37、2、本技术中优选采用过固溶处理的温度比难变形镍基高温合金的γ′强化相全溶温度高10-60℃，所述过固溶处理的时间为5-10h；在缓冷、淬火处理过程中，以0.6-1.0℃/min的冷速缓冷，缓冷处理的时间为30-200min；随后空冷30-60s后进行油淬，冷却至室温；在650℃/873mpa的条件下，所得难变形镍基高温合金的高温持久寿命提高260%以上；

38、3、本技术优选时效处理包括一级时效和二级时效，一级时效处理的温度比难变形镍基高温合金的γ′强化相全溶温度低200-300℃；二级时效处理的温度比难变形镍基高温合金的γ′强化相全溶温度低300-380℃。