一种对大尺寸gh4738合金锻件进行快速时效的热处理工艺
阅读说明：本技术 一种对大尺寸gh4738合金锻件进行快速时效的热处理工艺 (Heat treatment process for carrying out rapid aging on large-size GH4738 alloy forging ) 是由 郑磊 刘红亮 赵鑫 董建 孟晔 于 2021-07-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种对大尺寸GH4738合金锻件进行快速时效的热处理工艺,属于镍基高温合金热处理的技术领域。该工艺首先将大尺寸GH4738合金锻件进行固溶处理,并采用先炉冷后空冷的方式冷却；然后将其在加热炉中进行时效处理,时效处理温度740-760℃,保温时间4-8h,取出后空冷。本发明通过优化固溶处理之后合金的冷速,搭配短时间时效处理,促使GH4738合金基体中形成了弥散且均匀分布的γ′相。本发明处理工艺在提升合金锻件室温下强度均匀性方面具有意想不到的效果。其中室温下锻件边缘与心部区域对应的抗拉强度差异由40MPa左右降低到了15MPa以内,屈服强度差异由50MPa左右降低到15MPa以内。同时,与传统时效处理相比本发明热处理工艺大大缩短了时效处理时间,提高了生产效率、降低了生产成本,具有重要的生产应用价值。(The invention discloses a heat treatment process for carrying out rapid aging on a large-size GH4738 alloy forging, belonging to the technical field of heat treatment of nickel-based high-temperature alloys. The process comprises the steps of firstly, carrying out solution treatment on a large-size GH4738 alloy forging, and cooling by adopting a mode of furnace cooling first and then air cooling; then the material is subjected to aging treatment in a heating furnace, the aging treatment temperature is 740 and 760 ℃, the heat preservation time is 4-8h, and the material is taken out and then cooled in air. According to the invention, by optimizing the cooling rate of the alloy after the solution treatment and matching with short-time aging treatment, dispersed and uniformly distributed gamma' phase is formed in the GH4738 alloy matrix. The treatment process has an unexpected effect on improving the strength uniformity of the alloy forging at room temperature. Wherein the corresponding tensile strength difference between the edge of the forging and the core region at room temperature is reduced to within 15MPa from about 40MPa, and the yield strength difference is reduced to within 15MPa from about 50 MPa. Meanwhile, compared with the traditional aging treatment, the heat treatment process greatly shortens the aging treatment time, improves the production efficiency, reduces the production cost and has important production and application values.)
技术领域
本发明涉及镍基高温合金热处理的技术领域，具体涉及一种对大尺寸GH4738合金锻件进行快速时效的热处理工艺。
背景技术
高温合金又称耐热合金或超合金，其在高温环境下具有优良的力学性能和稳定性。其中，GH4738是一种Ni-Cr-Co基沉淀硬化型变形高温合金，在高温下具有良好的塑性变形能力，在760-870℃的高温条件下具有较高的强度和抗疲劳、抗腐蚀性能，目前在航空、能源领域应用广泛。
在众多应用中，GH4738合金由于加工塑性良好、组织性能稳定，被广泛用于制作大尺寸涡轮盘等锻造件。烟气轮机是以烟气为工作介质，将烟气的热能和压力能转变为机械能的原动机。目前烟气轮机在石油化工领域应用广泛，尤其是应用于石油炼厂硫化催化裂化装置再生烟气能量回收系统中。由于其特殊的结构设计要求，需大量使用大尺寸的GH4738镍基高温合金锻造涡轮盘，这是因为该构件使用工况复杂恶劣，要求同时具有强的应力腐蚀抗力以及强韧性能。
GH4738合金主要通过γ′相沉淀析出以强化合金基体。为了获得最佳性能，合金锻件在使用前需要通过热处理来优化沉淀相的分布形态以达到提高合金性能的目的。γ′相作为强化合金基体的主要析出相和强化相，其形状、尺寸和分布显著影响合金力学性能，而通过控制热处理工艺参数可以改变γ′相的形态和分布，有利于进一步发挥合金的潜力。
目前，锻造态的GH4738合金锻件常采用固溶+时效的热处理手段以改善、调整其力学性能。高温合金手册规定的GH4738合金固溶处理完成后采用油冷的方式冷却，之后的时效处理工艺为845℃/4h+760℃/16h，又称标准双时效工艺。但需要注意的是，对于大尺寸GH4738合金锻件，尤其是直径大于1000mm、厚度大于200mm的大尺寸锻造涡轮盘而言，固溶处理之后即使采用油冷也难以完全抑制γ′相的析出长大，导致固溶处理后锻件边缘与心部之间γ′相含量差异较大。后续的时效处理并不能消除这种组织差异，最终导致合金锻件本体强度起伏大，力学性能指标合格率低。此外，现有的时效处理时间较长(两段时效时间总长达20h)，生产周期久，能耗高，效率低。
当前对大尺寸GH4738合金锻件的研究主要集中在锻件本身的加工工艺上，例如，专利(专利号：CN105177478A)提出了一种GH4738高温合金大型铸锭的开坯方法；专利(专利号：CN103341586A)提出了一种实现GH4738镍基高温合金涡轮盘的成形方法，但对成形后锻件的热处理工艺研究较少。因此，亟需开发一种适用于大尺寸GH4738合金锻件的快速时效热处理工艺，在提高合金力学性能均匀性的同时，大幅度缩短时效处理时间，提高生产效率、降低成本。
发明内容
本发明的目的是针对现有的技术问题，提出了一种对大尺寸GH4738合金锻件进行快速时效的热处理工艺，该工艺利用短时间时效处理，在提高生产效率、降低成本的同时，促使GH4738合金锻件基体中形成弥散且均匀分布的γ′相，可以明显提升合金的强度均匀性。
本发明所述的一种对大尺寸GH4738合金锻件进行快速时效的热处理工艺，其特征在于包括以下步骤：
1)将大尺寸GH4738合金锻件放入加热炉内进行固溶处理：加热炉先以3-8℃/min的升温速率升温至810-840℃，保温30-60min；再以3-8℃/min的升温速率升温至960-980℃，保温30-60min；再以3-6℃/min的升温速率升温至1010-1030℃，保温30-90min；之后进行冷却；
2)将步骤1)中固溶处理后的GH4738合金锻件放入加热炉中进行时效处理：加热炉先以3-8℃/min的升温速率升温至690-720℃，保温30-60min；再以3-8℃/min的升温速率升温至740-760℃，保温4-8h后冷却，完成时效处理。
进一步地，步骤1)所述固溶处理结束后，加热炉采用通空气冷却的方法将冷却速率控制在100-150℃/min范围；冷至500℃以下后合金锻件出炉空冷。
进一步地，步骤2)所述时效处理后的冷却方式为出炉空冷。
本发明提供了一种对大尺寸GH4738合金锻件进行快速时效的热处理工艺，在提高合金锻件组织、力学性能均匀性方面具有意想不到的效果。
本发明和现有技术相比所具有的有益效果在于：
1.针对合金锻件尺寸较大的特点，本发明所述热处理工艺在固溶和时效处理前采用分级加热，在保证合金受热均匀的同时，降低了合金的升温速率，减小热处理后合金锻件的热应力，特别适用于大尺寸的合金锻件。
2.本发明通过优化固溶处理之后合金的冷速，搭配短时间时效处理，促使GH4738合金基体中形成了弥散且均匀分布的γ′相，在提升合金的强度均匀性方面具有意想不到的效果。其中室温下锻件边缘与心部区域对应的抗拉强度差异由40MPa左右降低到了15MPa以内，屈服强度差异由50MPa左右降低到15MPa以内。
3.与传统时效处理相比，本发明所述热处理工艺大大缩短了时效处理时间，提高了生产效率、降低了生产成本，具有重要的生产应用价值。
附图说明
图1是本发明热处理工艺示意图。
图2是实施例1经过固溶+时效处理后GH4738合金锻件边缘的微观组织。
图3是实施例1经过固溶+时效处理后GH4738合金锻件心部的微观组织。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。其中，本发明实施例GH4738合金锻件的规格为成分如下表所示。
表1实施例中GH4738合金锻件成分
成分
C
Cr
Co
Mo
Ti
Al
Zr
B
Ni
含量wt.％
0.06
19.40
14.65
4.65
3.10
1.52
0.05
0.007
余量
实施例1
1)将大尺寸GH4738合金锻件放入加热炉内进行固溶处理：加热炉先以5℃/min的升温速率升温至830℃，保温40min；再以8℃/min的升温速率升温至960℃，保温50min；再以5℃/min的升温速率升温至1020℃，保温60min；之后加热炉内通入空气，以110-130℃/min的速率冷至500℃以下后，将合金锻件取出空冷至室温。
2)将步骤1)中固溶处理后的GH4738合金锻件放入加热炉中进行时效处理：加热炉先以5℃/min的升温速率升温至700℃，保温40min；再以6℃/min的升温速率升温至750℃，保温6h，取出空冷至室温。
图2、图3分别为经固溶+时效处理后合金锻件边缘、心部的γ′相分布图，可以看出组织差异较小。
对比例1
与实施例1不同之处在于：
固溶处理之后，合金锻件采用油冷的方式冷却至室温；之后固溶处理态的合金锻件采用传统的标准双时效工艺处理：放入加热炉中加热到845℃后保温4h，取出后空冷至室温；再放入加热炉中加热到760℃后保温16h，取出后空冷至室温。
实施例2
1)将大尺寸GH4738合金锻件放入加热炉内进行固溶处理：加热炉先以6℃/min的升温速率升温至820℃，保温50min；再以5℃/min的升温速率升温至970℃，保温40min；再以3℃/min的升温速率升温至1030℃，保温40min；之后加热炉内通入空气，以130-150℃/min的速率冷至500℃以下后，将合金锻件取出空冷至室温。
2)将步骤1)中固溶处理后的GH4738合金锻件放入加热炉中进行时效处理：加热炉先以6℃/min的升温速率升温至710℃，保温30min；再以5℃/min的升温速率升温至760℃，保温8h，取出空冷至室温。
经实施例1-2和对比例1热处理工艺处理后的合金锻件室温拉伸测试结果如表2所示。
表2实施例1-2和对比例1热处理后GH4738合金室温拉伸及硬度测试结果
综上所述，本发明实施例提供了一种大尺寸GH4738合金锻件快速时效的方法，固溶处理之后的合金锻件采用先炉冷后空冷的方式冷却，之后直接进行短时间时效处理。该热处理工艺中的时效工艺不仅与固溶处理工艺匹配良好，还可大幅度提高生产效率、降低生产成本。多组力学性能测试结果显示，采用优化后的工艺处理，合金的强度均匀性提升明显。其中室温下锻件边缘与心部区域对应的抗拉强度差异由40MPa左右降低到了15MPa以内，屈服强度差异由50MPa左右降低到15MPa以内。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方案，但本发明的保护范围并不局限于此，凡是利用本发明所作的等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，都应涵盖在本发明的保护范围之内。