[发明专利]一种控制定向凝固镍基高温合金再结晶方法

说明书

技术领域

本发明涉及再结晶控制技术，特别涉及一种渗碳结合循环回复热处理工艺控制定向凝固柱状晶或单晶镍基高温合金再结晶的技术。

背景技术

燃气轮机、航空发动机叶片都是在较高温度下使用，且叶片主要受离心力作用，而在高温下，晶界的强度不如晶内强度，横向晶界就成了叶片的薄弱环节。为此，人们发展了定向柱晶甚至单晶叶片来消除横向晶界或全部晶界。与传统多晶叶片相比，这些叶片具有更好的纵向机械性能和更高的承温能力。

但是，叶片在定向凝固过程中，由于金属与陶瓷铸型、型芯热膨胀系数的差异，铸件会产生变形。随后的整形、喷砂、钎焊甚至服役过程中也有可能产生变形。这样，叶片经高温处理(固溶处理或服役过程中的高温)就会产生再结晶。再结晶产生横向晶界，于是又形成了叶片的薄弱环节，严重影响叶片的性能。

目前，对于定向凝固叶片产生的再结晶，采取的措施主要是控制叶片的变形(如尽量减少机械加工，优化设计铸型、型芯等)来预防叶片产生再结晶，或者建立叶片再结晶标准，严格检测，超过某一程度再结晶的叶片即行报废。

由于叶片在生产过程中不可避免要经过某些工序(如喷砂等)，这些工序所产生的变形就无法避免。因此而带来的再结晶会大幅度降低铸件合格率，增加成本，严重影响生产效率。

对于再结晶的控制，国外有一些相关的报道。欧洲专利(专利号：EP1038982 A1)采用气体(主要是CO与氩气的混合气体)渗碳的方法将碳扩散到合金基体中形成碳化物，利用碳化物粒子阻碍晶界迁移的作用来控制再结晶和使再结晶局部化。该方法所使用的设备较复杂，操作较繁琐，成本高，以控制生长的方法控制再结晶，而且主要应用于单晶合金。美国专利(专利号：5551999)采用较低温度反复回复的方法来控制再结晶，该方法不能抑制再结晶表面形核和氧化。还有采用涂层里面加入晶界强化元素的方法来强化再结晶晶界，避免裂纹产生(专利号：EP 1036850A1)，该方法主要针对单晶镍基高温合金，而且该方法对于涂层过程中带来的应力没有加以考虑。更有甚者，采用化学腐蚀的方法直接将再结晶层腐蚀去除(专利号：5413648)。该方法虽然能够去除再结晶层，但是对于薄壁单晶或者定向柱晶镍基高温合金部件显然不适用。

发明内容

本发明目的是提供一种控制定向凝固镍基高温合金再结晶方法，通过渗碳结合循环回复热处理工艺减少合金表面再结晶形核，抑制再结晶长大，降低变形合金的储存能，从而控制再结晶，使镍基高温合金变形后产生的再结晶显著减少。特别对于均匀变形所产生再结晶的控制作用更加显著，与没有经过上述处理而直接固溶所产生的再结晶比较，再结晶深度减小，再结晶所占面积明显减小。

本发明具体提供了一种控制定向凝固镍基高温合金再结晶方法，其特征在于：采用渗碳结合循环回复热处理工艺对已产生变形的定向凝固镍基高温合金进行热处理，然后对合金进行标准固溶处理；

其中渗碳工艺为微弧火花渗碳，渗碳材料为石墨电极，渗碳工艺参数为：频率：1000～5000HZ，功率：500～3000W，电压：20～100V；

循环回复热处理工艺每个周期的最高热处理温度比合金的固溶温度至少低20℃，每个周期的最低热处理温度不低于合金的时效热处理温度，循环周期为3～10个周期。

本发明利用微弧火花渗碳工艺对己变形的定向凝固镍基高温合金进行渗碳处理，然后对合金进行循环回复热处理，最后将合金做标准固溶处理。由于微弧火花渗碳覆盖合金变形表面，一方面可以抑制合金氧化和再结晶表面形核，另一方面其生成的碳化物粒子可以阻碍再结晶晶粒长大；循环回复热处理工艺可以消除渗碳带来的残余应力，降低变形合金的储存能，从而达到控制再结晶的目的。

本发明提供的控制定向凝固镍基高温合金再结晶方法，其特征在于：所述渗碳工艺所用设备为微弧火花加工机3H-ES-1500。

本发明提供的控制定向凝固镍基高温合金再结晶方法，其特征在于：所述渗碳工艺频率为1000～2000HZ。

本发明提供的控制定向凝固镍基高温合金再结晶方法，其特征在于：所述渗碳工艺功率为1000～3000W。

本发明提供的控制定向凝固镍基高温合金再结晶方法，其特征在于：所述渗碳工艺电压为50～80V。

适当的功率、电压和频率能保证获得适当深度的渗碳层，还能避免损伤合金基体和过度的残余应力。