一種提高[011]取向鎳基單晶高溫合金持久壽命的預(yù)處理工藝的制作方法
【專利說明】
[0001]技術(shù)領(lǐng)域:本發(fā)明屬于高溫合金領(lǐng)域，特別是涉及一種能明顯提高[011]取向鎳基單晶高溫合金在不同條件持久壽命的預(yù)先壓應(yīng)力處理工藝。
[0002]【背景技術(shù)】:單晶鎳基高溫合金具有優(yōu)良的高溫性能，是目前制造先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)葉片部件的主要使用材料。在離心力作用下，蠕變損傷是單晶鎳基合金主要的失效方式。
[0003]單晶高溫合金的組織結(jié)構(gòu)由立方相以共格方式崁鑲在Y基體所組成，其兩相均為面心立方結(jié)構(gòu)，晶體取向一致，因此，單晶高溫合金固有的晶體學(xué)特性決定了其力學(xué)行為的各向異性，即:沿不同的結(jié)晶學(xué)取向[001]、[011]和[111]具有不同的力學(xué)性能，
[001]、[011]和[111]均指晶體生長方向，其中[001]取向指的是按照立方體邊長方向生長，[011]指的是按照立方體面對角線方向生長，而[111]取向指的是按照體對角線方向生長。雖然目前商用鎳基單晶合金均為[001]取向合金，但在實(shí)際工程應(yīng)用中，制備的[001]取向單晶葉片不可避免會(huì)出現(xiàn)取向偏差，特別是葉片部件本身具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，致使葉片部件在服役期間承受的離心力偏離[001]取向。服役期間，當(dāng)制備葉片部件的取向偏差和實(shí)際承受離心力的偏差之和接近[011]取向時(shí)，激活的位錯(cuò)可在[011]取向合金的roof和gable通道中滑移，其中，roof基體通道與施加的應(yīng)力軸呈45°角，承受離心力的最大剪切應(yīng)力，易于激活位錯(cuò)在該通道中滑移。因此，致使合金不論在中、高溫服役條件下均具有極低的抗力，并使葉片部件過早發(fā)生突發(fā)性失效。
[0004]在服役或高溫蠕變期間，單晶高溫合金中的Y丨相會(huì)發(fā)生沿某一取向的擇優(yōu)生長，即發(fā)生“筏形化”轉(zhuǎn)變，且不同形貌和取向的筏狀組織對合金的蠕變性能有重要影響。采用高溫預(yù)應(yīng)力處理，使合金中的Y '相轉(zhuǎn)變成後狀結(jié)構(gòu)，可消除roof和gable通道，以提高合金在蠕變期間位錯(cuò)滑移的阻力，降低合金蠕變期間的應(yīng)變速率，從而提高合金的蠕變強(qiáng)度，改善合金的蠕變性能。
[0005]一些研究表明，對單晶合金進(jìn)行預(yù)先壓應(yīng)力處理，使合金中相沿某一取向形成筏狀組織后，對合金蠕變性能的影響表現(xiàn)出不同的結(jié)果。既可以提高單晶合金的持久壽命，也可以降低單晶合金的持久壽命。對同一合金，當(dāng)可以提高合金在高溫/低應(yīng)力條件下的持久壽命時(shí)，卻降低了合金在中溫/高應(yīng)力條件下的持久壽命。盡管眾多學(xué)者對預(yù)壓縮工藝已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，但僅局限在對[001]取向單晶合金沿[001]取向進(jìn)行預(yù)壓應(yīng)力處理及性能評價(jià)。對[011]取向單晶合金沿[100]取向進(jìn)行預(yù)先壓應(yīng)力處理未見報(bào)道，而本發(fā)明中提到的該種預(yù)先壓應(yīng)力處理技術(shù)可以提高[011]取向合金在各種條件下的持久壽命。

【發(fā)明內(nèi)容】

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[0006]發(fā)明目的:本發(fā)明涉及一種提高[011]取向鎳基單晶高溫合金持久壽命的預(yù)處理工藝，其目的在于提高[011]取向鎳基單晶高溫合金在不同條件下的持久壽命。
[0007]技術(shù)方案:本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)施的:
[0008]一種提高[011]取向鎳基單晶高溫合金持久壽命的預(yù)處理工藝，其特征在于:在1020-1080°C高溫條件下，對[011]取向合金沿[100]方向施加應(yīng)力為150 - 180MPa，并持續(xù)38小時(shí)，使其合金中的Y'相轉(zhuǎn)變成與應(yīng)力軸垂直的筏形組織，通過改變組織結(jié)構(gòu)，來提聞合金的螺變性能，從而提聞其持久壽命。
[0009]所述的鎳基單晶高溫合金以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為N1-6.0Cr-5.0ff-5.5A1-4.5Co_7.0Ta的母合金。
[0010]首先將單晶合金進(jìn)行熱處理，熱處理工藝為:箱式電阻爐中將單晶合金加熱1280°C保溫2小時(shí)，再加熱至1300°C持續(xù)4小時(shí)，空冷，然后在1080°C保溫4小時(shí)，空冷，在870°C保溫24小時(shí)，空冷。
[0011]優(yōu)點(diǎn)及效果:本發(fā)明將采用標(biāo)準(zhǔn)熱處理的[011]取向鎳基單晶高溫合金沿[100]方向在1020—1080°C /150—180MPa條件下預(yù)先壓應(yīng)力處理，并持續(xù)一定時(shí)間，壓應(yīng)力處理的受力面為(100)晶面。對預(yù)先壓應(yīng)力處理的單晶合金沿[011]取向進(jìn)行不同條件下的拉伸蠕變性能測試，以檢測預(yù)先壓應(yīng)力處理的效果，實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)過預(yù)先壓應(yīng)力處理的單晶合金比沒有經(jīng)過預(yù)先壓應(yīng)力處理的單晶合金持久壽命提高0.48?15倍。
【附圖說明】
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[0012]圖1用于預(yù)先壓應(yīng)力處理的[011]取向單晶合金示意圖；
[0013]圖2預(yù)先壓應(yīng)力處理[011]取向單晶合金的拉伸蠕變樣品示意圖。
【具體實(shí)施方式】
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[0014]下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行說明:
[0015]附圖1為用于預(yù)先壓應(yīng)力處理的[011]取向合金示意圖。圖中的Q為壓應(yīng)力。其中預(yù)先壓應(yīng)力處理合金的受力面為(100)晶面，預(yù)先壓應(yīng)力的方向與[100]取向平行，在1020—1080°C /180— 150MPa條件下進(jìn)行預(yù)先壓應(yīng)力處理，經(jīng)預(yù)壓縮處理后，合金中的Y丨相將通過元素的定向擴(kuò)散，轉(zhuǎn)變成與應(yīng)力軸平行的筏形組織，從而使合金在后續(xù)沿[011]方向拉伸蠕變過程中Y ^相的形筏方向與拉應(yīng)力軸垂直。預(yù)先壓應(yīng)力處理的單晶合金加工成圖2所示的形狀，進(jìn)行不同條件下的拉伸蠕變性能測試，以驗(yàn)證預(yù)先壓應(yīng)力處理對合金蠕變性能的影響。
[0016]驗(yàn)證實(shí)例如下:
[0017]采用籽晶法在高溫度梯度真空定向凝固爐中，將成分為N1-6.0Cr-5.0ff-5.5A1_4.5Co-7.0Ta(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，％)的母合金，制備成[011]取向的鎳基單晶試棒，在箱式電阻爐中將試棒進(jìn)行熱處理，選用的熱處理工藝為:箱式電阻爐中將單晶合金加熱1280°C保溫2小時(shí)，再加熱至1300°C持續(xù)4小時(shí)，空冷，然后在1080°C保溫4小時(shí)，空冷，在870°C保溫24小時(shí)，空冷。其目的是箱式電阻爐中將單晶合金加熱1280°C保溫2小時(shí)，對合金進(jìn)行均勻化處理，以提高合金的初熔溫度；再加熱至1300°C持續(xù)4小時(shí)，空冷，使合金在更高的溫度下固溶，以消除共晶組織；然后在1080°C保溫4小時(shí)，空冷，以使Y '相充分析出；在8701:保溫24小時(shí)，空冷，以使Y '相立方度增加，提高合金的蠕變強(qiáng)度。
[0018]將經(jīng)完全熱處理后的單晶合金試棒分成兩段，其中一段直接加工成附圖2所示的工字型蠕變試樣，另一部分首先加工成附圖1所示的預(yù)先壓應(yīng)力處理試棒，并按實(shí)施方式中的預(yù)先壓應(yīng)力處理工藝進(jìn)行預(yù)應(yīng)力處理，持續(xù)時(shí)間為38小時(shí)，然后將試樣加工成工字型。將其和未經(jīng)過預(yù)先壓應(yīng)力處理的合金進(jìn)行不同條件的拉伸蠕變性能測試，測試結(jié)果如下:
[0019](I)未經(jīng)預(yù)先壓應(yīng)力處理的[011]取向合金在850°C /400MPa條件下的持久壽命為11小時(shí)，而經(jīng)過預(yù)先壓應(yīng)力處理的合金在此條件下的持久壽命延長至172小時(shí)，提高近15倍。
[0020](2)未經(jīng)預(yù)先壓應(yīng)力處理的[011]取向合金在1040°C /137MPa條件下的持久壽命為72小時(shí)，而經(jīng)過預(yù)先壓應(yīng)力處理的合金在此條件下的持久壽命延長至163小時(shí)，提高了126.4%ο
[0021](3)未經(jīng)預(yù)先壓應(yīng)力處理的[011]取向合金在1040°C /160MPa條件下的持久壽命為29小時(shí)，而經(jīng)過預(yù)先壓應(yīng)力處理的合金在此條件下的持久壽命延長至43小時(shí)，提高了48.3%。
[0022]本方法也同樣適用其它鎳基單晶合金，如=N1-Al-Ta-Cr-Co-W-Mo-Co-Re系列合全坐
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【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種提高[oil]取向鎳基單晶高溫合金持久壽命的預(yù)處理工藝，其特征在于:在1020-1080°C高溫條件下，對[011]取向合金沿[100]方向施加應(yīng)力為150_180MPa，并持續(xù)38小時(shí)，使其合金中的Y'相轉(zhuǎn)變成與應(yīng)力軸垂直的筏形組織，通過改變組織結(jié)構(gòu)，來提高合金的蠕變性能，從而提高其持久壽命。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高[011]取向鎳基單晶高溫合金持久壽命的預(yù)處理工藝，其特征在于:所述的鎳基單晶高溫合金以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為N1-6.0Cr-5.0ff-5.5A1-4.5Co_7.0Ta 的母合金。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種提高[011]取向鎳基單晶高溫合金持久壽命的預(yù)處理工藝，其特征在于:首先將單晶合金進(jìn)行熱處理，熱處理工藝為:箱式電阻爐中將單晶合金加熱1280°C保溫2小時(shí)，再加熱至1300°C持續(xù)4小時(shí)，空冷，然后在1080°C保溫4小時(shí)，空冷，在870°C保溫24小時(shí)，空冷。
【專利摘要】本發(fā)明屬于高溫合金領(lǐng)域，特別是涉及一種能明顯提高[011]取向鎳基單晶高溫合金在不同條件持久壽命的預(yù)先壓應(yīng)力處理工藝。其特征在于：在1020-1080℃高溫條件下，對[011]取向合金沿[100]方向施加應(yīng)力為150-180MPa，并持續(xù)38小時(shí)，使其合金中的γ′相轉(zhuǎn)變成與應(yīng)力軸垂直的筏形組織，通過改變組織結(jié)構(gòu)，來提高合金的蠕變性能，從而提高其持久壽命。通過本發(fā)明的實(shí)施，經(jīng)過預(yù)先壓應(yīng)力處理的單晶合金比沒有經(jīng)過預(yù)先壓應(yīng)力處理的單晶合金持久壽命提高0.48～15倍。
【IPC分類】C22F1-10
【公開號】CN104611656
【申請?zhí)枴緾N201310538236
【發(fā)明人】田素貴, 蘇勇, 田寧, 孫昊昉, 吳靜, 尚麗娟, 肖麗
【申請人】沈陽工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年5月13日
【申請日】2013年11月4日