專利名稱：單晶高溫合金直流電流固溶處理方法與裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及金屬材料熱處理領域，具體為單晶高溫合金的直流電流固溶處理方法與裝置。
背景技術：
高溫合金于20世紀40年代問世，由于其在高溫條件下表現(xiàn)出的優(yōu)異性能，被廣泛應用到航空、航天、核工程、能源交通、石油化工、冶金等領域。特別是單晶高溫合金力學性能優(yōu)越，單晶高溫合金渦輪葉片為先進航空發(fā)動機所采用。單晶高溫合金采用定向凝固技術制備，然后進行固溶處理和時效處理才能使用。高溫合金固溶處理的目的是將單晶高溫合金凝固過程中析出的第二相(γ′相)盡量溶入基體中，以得到單相組織，給以后的時效沉淀析出均勻細小的強化相做準備；另外是消除溶質(zhì)原子偏析，達到均勻化。所以，固溶處理過程是原子擴散以及相溶解的過程，固溶處理效果與溶質(zhì)原子擴散系數(shù)、偏析程度、枝晶間距以及固溶溫度和處理時間有關，提高固溶溫度使溶質(zhì)原子擴散系數(shù)擴大可以加速均勻化過程，在通常工藝條件下，需要在很高的溫度下長時間處理才能實現(xiàn)。
隨著單晶高溫合金的發(fā)展，合金中W、Mo、Re等難熔合金元素含量不斷增加，使得溶質(zhì)原子均勻化更加困難，其結果是在固溶處理時需要更高的處理溫度和更長的處理時間，不僅增加了固溶處理的成本，也容易使合金在固溶處理過程中受到氧化。最近，國外對固溶處理的溫度和時間參數(shù)進行了研究，如G.E.Fuchs在對鎳基單晶高溫合金CMSX-10的固溶處理做了研究(Materials Science andEngineering A，2001年第300期52頁)，他發(fā)現(xiàn)在單晶凝固過程中造成的化學元素偏析必須在1340℃更高的溫度才能被消除，特別是W和Re在枝晶干的偏析必須在1360℃以上才能被消除。因此，改進固溶處理方法以降低固溶處理溫度或縮短處理時間，成為單晶高溫合金制備需要解決的問題。但是，直到現(xiàn)在，還沒有一種有效的方法來加速單晶高溫合金固溶處理的溶質(zhì)原子均勻化過程。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的針對現(xiàn)有單晶高溫合金固溶處理工藝存在的不足，提供一種解決單晶高溫合金固溶處理溫度高、時間長的單品高溫合金直流電流固溶處理方法與裝置。
為達到上述目的，本發(fā)明是采用以下技術方案來實現(xiàn)的一種單晶高溫合金直流電流固溶處理方法，先將通過定向凝固技術制備的鑄態(tài)單晶高溫合金兩端連接到直流電源兩極上，放入臥式電阻爐內(nèi)加熱到固溶處理溫度，然后使連接單晶高溫合金的電源開啟，使直流電流通過單晶高溫合金，在電流作用下進行固溶處理。電流密度為0.1-100A/cm2(較佳范圍為5-30A/cm2)，固溶處理加熱溫度在γ′相溶解溫度和合金熔點之間選擇，保溫時間為0.25-46小時(較佳范圍為2-32小時)。
一種單晶高溫合金直流電流固溶處理裝置，該裝置包括直流穩(wěn)壓電源、加熱保溫系統(tǒng)、樣品和導線，直流穩(wěn)壓電源通過導線與樣品形成串聯(lián)回路，樣品置于加熱保溫系統(tǒng)中。
所述加熱保溫系統(tǒng)包括爐體、加熱元件和熱電偶，樣品置于加熱保溫系統(tǒng)的爐體內(nèi)，通過加熱元件供熱，通過熱電偶測溫。
在直流電流作用下，通過運動電子和合金原子間的相互作用，促進了原子的擴散，縮短γ′相的溶解時間，降低γ′相溶解溫度，從而促進組織均勻化，減小元素的偏析。因此，在直流電流作用下，可以在較低溫度或較短時間下對單晶高溫合金進行固溶處理。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點1、可以降低固溶處理溫度。如一種鎳基單晶高溫合金固溶處理溫度可以降低20℃，在1230℃下經(jīng)直流電流固溶處理后，其均勻化程度與在1250℃常規(guī)處理后的效果相當。
2、可以縮短固溶處理時間。如一種鎳基單晶高溫合金在1250℃進行電固溶處理時γ′相的溶解時間，與常規(guī)處理相比可縮短三分之二。


圖1為直流電流下單晶高溫合金的固溶處理裝置圖。圖中，1直流穩(wěn)壓電源；2爐體；3加熱元件；4熱電偶；5樣品；6導線。
圖2為本發(fā)明和常規(guī)固溶處理(未施加直流電流)后W元素的分布對比圖。
圖3為本發(fā)明和常規(guī)固溶處理(未施加直流電流)后顯微組織的對比圖。
具體實施例方式
以下結合附圖和實施例對本發(fā)明做詳細說明。
圖1為本發(fā)明直流電流下單晶高溫合金的固溶處理裝置圖。從圖1可以看出，本發(fā)明采用的直流電流固溶處理裝置由三部分組成第一部分是直流穩(wěn)壓電源1，目的是產(chǎn)生大的直流電流。第二部分為加熱保溫系統(tǒng)，由爐體2、加熱元件3和熱電偶4組成。這部分的作用是加熱并保溫樣品。溫度范圍為800-1400℃，保溫時間為0.25-46小時。溫度由可控硅調(diào)節(jié)，控溫精度為±2℃。第三部分為電場作用裝置，由樣品5和導線6組成，它的作用是使樣品處在電流作用下，電流密度為0.1-100A/cm2。
實施例1把一種鎳基單晶高溫合金(DD3)棒連接到穩(wěn)壓電源兩極上，放入臥式電阻爐內(nèi)加熱到固溶處理溫度，然后使連接單晶高溫合金的電源開啟，使直流電流通過單晶高溫合金，在電流作用下進行時效處理。電流密度為5A/cm2，保溫溫度為1220℃，保溫時間為4小時。
圖2提供了鎳基單晶高溫合金DD3采用本發(fā)明和常規(guī)固溶處理后W元素的分布對比圖。圖2a為未施加直流電流固溶處理的W元素面分布圖，圖2b為施加直流電流固溶處理的W元素面分布圖。對比可見，圖2b中的W元素分布更加均勻。所以，直流電流固溶處理促進了元素分布均勻化。
實施例2把DD3鎳基單晶高溫合金棒連接到穩(wěn)壓電源兩極上，放入臥式電阻爐內(nèi)加熱到固溶處理溫度，然后使連接單晶高溫合金的電源開啟，使直流電流通過單晶高溫合金，在電流作用下進行時效處理。電流密度為5A/cm2，保溫溫度為1250℃，保溫時間為0.5小時。
圖3提供了鎳基單晶高溫合金DD3采用本發(fā)明和常規(guī)固溶處理后顯微組織的對比圖。圖3a為常規(guī)固溶處理(未施加直流電流)后顯微組織的掃描電鏡照片，圖3b為施加直流電流固溶處理的掃描電鏡照片。圖3a中有大量的末溶解的大的γ′相顆粒，而圖3b中則沒有，可見直流電流固溶處理加速了γ′相的溶解。
實施例3與實施例1不同之處在于鎳基單晶高溫合金為DD8，電流密度為100A/cm2，保溫溫度為1230℃，保溫時間為2小時。
實施例4與實施例1不同之處在于鎳基單晶高溫合金為CMSX-10，電流密度為50A/cm2，保溫溫度為1315℃，保溫時間為46小時。
實施例5與實施例1不同之處在于鎳基單晶高溫合金為CMSX-10，電流密度為30A/cm2，保溫溫度為1360℃，保溫時間為24小時。
權利要求
1.一種單晶高溫合金直流電流固溶處理方法，其特征在于先將通過定向凝固技術制備的鑄態(tài)單晶高溫合金兩端連接到直流電源兩極上，放入臥式電阻爐內(nèi)加熱到固溶處理溫度，然后使連接單晶高溫合金的電源開啟，使直流電流通過單晶高溫合金，在電流作用下進行固溶處理。
2.根據(jù)權利要求1所述的單晶高溫合金直流電流固溶處理方法，其特征在于直流電流作用下的高溫合金固溶處理，電流密度為0.1-100A/cm2。
3.根據(jù)權利要求2所述的單晶高溫合金直流電流同溶處理方法，其特征在于所述電流密度較佳范圍為5-30A/cm2。
4.根據(jù)權利要求1所述的單晶高溫合金直流電流固溶處理方法，其特征在于直流電流作用下的高溫合金固溶處理，固溶處理溫度在γ相溶解溫度和合金熔點之間，保溫時間為0.25-46小時。
5.根據(jù)權利要求4所述的單晶高溫合金直流電流固溶處理方法，其特征在于所述保溫時間較佳范圍為2-32小時。
6.一種單晶高溫合金直流電流固溶處理裝置，其特征在于該裝置包括直流穩(wěn)壓電源(1)、加熱保溫系統(tǒng)、樣品(5)和導線(6)，直流穩(wěn)壓電源(1)通過導線(6)與樣品(5)形成串聯(lián)回路，樣品(5)置于加熱保溫系統(tǒng)中。
7.根據(jù)權利要求6所述的單晶高溫合金直流電流固溶處理裝置，其特征在于所述加熱保溫系統(tǒng)包括爐體(2)、加熱元件(3)和熱電偶(4)，樣品(5)置于加熱保溫系統(tǒng)的爐體(2)內(nèi)，通過加熱元件(3)供熱，通過熱電偶(4)測溫。
全文摘要
本發(fā)明涉及金屬材料熱處理領域，具體為單晶高溫合金的直流電流固溶處理方法與裝置。先將通過定向凝固技術制備的鑄態(tài)單晶高溫合金兩端連接到直流電源兩極上，放入臥式電阻爐內(nèi)加熱到固溶處理溫度，然后使連接單晶高溫合金的電源開啟，使直流電流通過單晶高溫合金，在電流作用下進行固溶處理。電流密度為0.1－100A/cm
文檔編號C21D1/00GK1970799SQ20051004778
公開日2007年5月30日 申請日期2005年11月23日 優(yōu)先權日2005年11月23日
發(fā)明者楊院生, 李應舉, 馮小輝, 張宇男, 童文輝, 胡壯麒 申請人:中國科學院金屬研究所