一种含硼镍基单晶高温合金的热处理工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种含硼镍基单晶高温合金的热处理工艺，该含硼镍基单晶高温合金由以下质量百分数的成分组成：Co 11.3％～12.3％，Cr 4.4％～5.3％，W 5.71％～6.6％，Mo 1.01％～1.04％，Re 4.8％～5.2％，Al 5.9％～6.3％，Ta 7.8％～8.1％，Hf 0.05％～0.09％，C 0.08％～0.09％，B 0.008％～0.016％，余量为Ni；该工艺将原料熔炼后定向凝固，得含硼镍基单晶高温合金棒坯，经线切割后依次进行固溶和时效处理。本发明专利技术根据含硼镍基单晶高温合金组分含量制定出相应的热处理工艺，消除了元素偏析和共晶组织，提高了合金的抗蠕变性能。

【技术实现步骤摘要】
一种含硼镍基单晶高温合金的热处理工艺
本专利技术属于金属材料热处理
，具体涉及一种含硼镍基单晶高温合金的热处理工艺。
技术介绍
镍基单晶高温合金因其优良的高温力学性能，被广泛用于航空发动机和燃气轮机的热端部件，特别是镍基单晶高温合金具有较高的承温能力和优异的力学性能，使其成为了先进航空涡轮发动机叶片的最佳候选材料。因此，镍基单晶高温合金的发展水平成为衡量一个国家航空科技能力甚至是综合国力的重要标志之一。镍基单晶高温合金的晶体取向有[001]，[010]，[100]三个方向，而单晶高温合金存在着明显的各向异性，[001]取向的高温合金相比其他两种晶体取向拥有更高的高温蠕变强度，且在晶粒生长过程中总是优先生长，因此通常将单晶高温合金的晶体取向选择为[001]。而螺旋选晶法是制备晶体取向为[001]的镍基单晶高温合金最常用的方法。合金在凝固过程中发生了溶质再分配，导致组织严重偏离平衡态组织，产生偏析现象，而对合金进行适当的热处理可以有效的消除合金中存在的偏析现象。热处理工艺通常分为固溶处理和时效处理，固溶处理的主要作用是将合金中粗大的γ′相和γ/γ′共晶全部或大部分固溶,进而提高成分和组织的均匀性,使其在随后的冷却过程中析出均匀细小的γ′相；时效处理则是为了获得合适的基体相γ和沉淀相γ′，γ′相作为高温合金的主要强化相，其形状、尺寸、百分含量及分布等对单晶高温合金力学性能都有重要的影响。热处理工艺能够调整合金中的γ′相的形态和分布，进而影响合金的力学性能。近年来，随着镍基单晶高温合金成分的发展，为了提高合金的高温性能，合金中难熔元素不断增加，导致合金内部的枝晶偏析和共晶偏析加重。例如Re等元素的加入显著的提高了合金的高温强度，但由于Re是一种强烈的负偏析元素，会促进其它元素的偏析，导致合金的组织均匀性降低。因此，研究高合金化的高温合金的热处理工艺变的愈来愈重要和困难。固溶热处理的温度通常介于γ′相的全溶温度和合金的初熔温度之间，而在较高温度下对合金进行固溶热处理能够促进合金元素的充分扩散，使合金组织变的更加均匀。为了提高镍基单晶高温合金的固溶处理温度，研究人员在开始阶段去除了C、B、Hf等晶界强化元素，合金的液相线和固相线的温度都得到大幅度提高。然而合金中出现的小角度晶界在制备工艺上难以有效的消除，研究发现小角度晶界缺陷的存在降低了高温合金的蠕变性能。为解决这一问题研究人员在高温合金中重新引入C、B、Hf等晶界强化元素来强化这一薄弱环节。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供了一种含硼镍基单晶高温合金的热处理工艺。该工艺促进了含硼镍基单晶高温合金中具有粗大结构的γ′相的溶解，显著地消除含硼镍基单晶高温合金组织中的元素偏析和共晶组织，提高了合金组织的均匀性，消除了晶界强化元素对合金的影响，提高了合金的抗蠕变性能。为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种含硼镍基单晶高温合金的热处理工艺，其特征在于，所述含硼镍基单晶高温合金由以下质量百分数的成分组成：Co11.3％～12.3％，Cr4.4％～5.3％，W5.71％～6.6％，Mo1.01％～1.04％，Re4.8％～5.2％，Al5.9％～6.3％，Ta7.8％～8.1％，Hf0.05％～0.09％，C0.08％～0.09％，B0.008％～0.016％，余量为Ni；该热处理工艺包括以下步骤：步骤一、将镍粒、钴粒、铬粒、钨粒、钼粒、铼粒、铝粒、钽粒、铪粒、碳粉和硼粉加入真空感应炉中进行熔炼，然后采用液态金属冷却法进行定向凝固，并采用螺旋选晶法制备得到取向为[001]的含硼镍基单晶高温合金棒坯；所述定向凝固的温度梯度为150K/cm；步骤二、将步骤一中得到的含硼镍基单晶高温合金棒坯进行线切割，得到含硼镍基单晶高温合金棒；步骤三、将步骤二中得到的含硼镍基单晶高温合金棒进行固溶处理；所述固溶处理的温度为1280℃～1315℃，时间为15h～47h；步骤四、将步骤三中经固溶处理的含硼镍基单晶高温合金棒进行时效处理，得到热处理后的含硼镍基单晶高温合金棒；所述时效处理的具体过程为：先在1050℃～1100℃处理4h～6h，然后在870℃处理20h～24h。上述的一种含硼镍基单晶高温合金的热处理工艺，其特征在于，步骤二中所述含硼镍基单晶高温合金棒的直径为12mm，长度为5mm。上述的一种含硼镍基单晶高温合金的热处理工艺，其特征在于，步骤三中所述固溶处理为二级固溶处理，所述二级固溶处理的具体过程为：先在1285℃～1310℃处理8h，然后在1290℃～1315℃处理15h。上述的一种含硼镍基单晶高温合金的热处理工艺，其特征在于，步骤三中所述固溶处理和步骤四中所述时效处理采用的设备均为SX2-9-17TP高温箱式炉，所述SX2-9-17TP高温箱式炉的最大升温速率为10℃/min，控温精度为±1℃。本专利技术与现有技术相比具有以下优点：1、本专利技术的热处理工艺作用于本专利技术具有特定组分及含量的含硼镍基单晶高温合金，显著地消除含硼镍基单晶高温合金组织中的元素偏析和共晶组织，提高了合金组织的均匀性，降低了晶界强化元素对合金的影响，提高了合金的抗蠕变性能。2、本专利技术的热处理工艺促进了含硼镍基单晶高温合金中具有粗大结构的γ′相的溶解，有效消除了合金凝固过程中发生的二次枝晶偏析和共晶组织，随着固溶处理的时间增长，合金中的γ′相尺寸越均匀，共晶逐渐减少，碳化物的尺寸减小且碳化物形貌从汉字体状向块状、杆状变化，最终得到的主要强化相γ′相的形貌规则，尺寸均匀，从而提高了含硼镍基单晶高温合金的抗蠕变性能、组织稳定性和持久性，因此本专利技术热处理后的含硼镍基单晶高温合金在服役过程中会展现出比其他合金更加出色的力学综合性能。3、本专利技术二级固溶处理通过采用两段不同温度和时间的固溶强化，突破了单级固溶的温度限制，提高了γ′相的固溶度，同时避免了固溶温度过高、时间过长导致的合金晶粒粗大和过烧，为后续时效处理提供了较多的强化相，进而提高含硼镍基单晶高温合金的力学性能。4、本专利技术的热处理工艺优化了含硼镍基单晶高温合金的组织结构，经热处理后的含硼镍基单晶高温合金中γ′相的形貌转变为规则的立方体状、尺寸范围为300nm～500nm，体积分数最高为60％，大大改善了含硼镍基单晶高温合金的力学性能。下面通过附图和实施例对本专利技术作进一步的详细说明。附图说明图1是本专利技术实施例1得到的含硼镍基单晶高温合金棒的枝晶组织形貌图。图2是本专利技术实施例1得到的含硼镍基单晶高温合金棒的枝晶间γ′相形貌尺寸图。图3是本专利技术实施例1得到的含硼镍基单晶高温合金棒的枝晶干γ′相形貌尺寸图。图4是本专利技术实施例1得到的含硼镍基单晶高温合金棒的碳化物形貌图。图5是本专利技术实施例1得到的含硼镍基单晶高温合金棒的碳化物EDC图。图6是本专利技术实施例1得到的热处理后的含硼镍基单晶高温合金棒的显微组织图。图7是本专利技术实施例1得到的热处理后的含硼镍基单晶高温合金棒的γ′相形貌尺寸图。图8是本专利技术实施例1得到的热处理后的含硼镍基单晶高温合金棒的碳化物形貌图。图9是本专利技术实施例1得到的热处理后的含硼镍基单晶高温合金棒的碳化物EDC图。图10是本专利技术实施例5得到的热处理后的含硼镍基单晶高温合金棒的显微组织图。图11是本专利技术实施例5得到的热处本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种含硼镍基单晶高温合金的热处理工艺，其特征在于，所述含硼镍基单晶高温合金由以下质量百分数的成分组成：Co 11.3％～12.3％，Cr 4.4％～5.3％，W 5.71％～6.6％，Mo 1.01％～1.04％，Re 4.8％～5.2％，Al 5.9％～6.3％，Ta 7.8％～8.1％，Hf 0.05％～0.09％，C 0.08％～0.09％，B 0.008％～0.016％，余量为Ni；该热处理工艺包括以下步骤：步骤一、将镍粒、钴粒、铬粒、钨粒、钼粒、铼粒、铝粒、钽粒、铪粒、碳粉和硼粉加入真空感应炉中进行熔炼，然后采用液态金属冷却法进行定向凝固，并采用螺旋选晶法制备得到取向为[001]的含硼镍基单晶高温合金棒坯；所述定向凝固的温度梯度为150K/cm；步骤二、将步骤一中得到的含硼镍基单晶高温合金棒坯进行线切割，得到含硼镍基单晶高温合金棒；步骤三、将步骤二中得到的含硼镍基单晶高温合金棒进行固溶处理；所述固溶处理的温度为1280℃～1315℃，时间为15h～47h；步骤四、将步骤三中经固溶处理的含硼镍基单晶高温合金棒进行时效处理，得到热处理后的含硼镍基单晶高温合金棒；所述时效处理的具体过程为：先在1050℃～1100℃处理4h～6h，然后在870℃处理20h～24h。...

【技术特征摘要】
1.一种含硼镍基单晶高温合金的热处理工艺，其特征在于，所述含硼镍基单晶高温合金由以下质量百分数的成分组成：Co11.3％～12.3％，Cr4.4％～5.3％，W5.71％～6.6％，Mo1.01％～1.04％，Re4.8％～5.2％，Al5.9％～6.3％，Ta7.8％～8.1％，Hf0.05％～0.09％，C0.08％～0.09％，B0.008％～0.016％，余量为Ni；该热处理工艺包括以下步骤：步骤一、将镍粒、钴粒、铬粒、钨粒、钼粒、铼粒、铝粒、钽粒、铪粒、碳粉和硼粉加入真空感应炉中进行熔炼，然后采用液态金属冷却法进行定向凝固，并采用螺旋选晶法制备得到取向为[001]的含硼镍基单晶高温合金棒坯；所述定向凝固的温度梯度为150K/cm；步骤二、将步骤一中得到的含硼镍基单晶高温合金棒坯进行线切割，得到含硼镍基单晶高温合金棒；步骤三、将步骤二中得到的含硼镍基单晶高温合金棒进行固溶处理；所述固溶处理的温度为1280℃～131...

【专利技术属性】
技术研发人员：余竹焕，王盼航，
申请(专利权)人：西安科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61