[發(fā)明專利]鎳基單晶高溫合金的固溶熱處理模擬方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010577812.8
• 申請(qǐng)日: 2020-06-23
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111640472B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-12-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 許慶彥;楊聰;夏鵠翔;張雅倩
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號(hào): G16C20/30
• 分類號(hào): G16C20/30;G16C10/00;C22F1/10;C30B33/02
• 代理公司: 北京清亦華知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11201
• 代理人: 肖陽(yáng)

本發(fā)明提出了基于數(shù)值模擬獲得的鎳基單晶高溫合金固溶熱處理方法，包括：(1)模擬得到鎳基單晶高溫合金凝固后的鑄態(tài)組織；(2)通過(guò)熱力學(xué)計(jì)算，得到所述鑄態(tài)組織的初熔溫度T_melt，將所述初熔溫度Tmelt減去一個(gè)常數(shù)值T_c作為熱處理保溫溫度T_hold；(3)在所述熱處理保溫溫度下保溫預(yù)定時(shí)間t_hold，模擬所述保溫過(guò)程中的組織變化，得到所述保溫結(jié)束后的組織；(4)重復(fù)步驟(2)?(3)，直到所述保溫過(guò)程模擬結(jié)束后組織中γ'相分?jǐn)?shù)小于等于設(shè)定值F_c，記錄以上每階段保溫時(shí)間與計(jì)算得到的保溫溫度，即為所述固溶熱處理模擬方法。該方法解決了傳統(tǒng)基于實(shí)驗(yàn)的固溶熱處理工藝設(shè)計(jì)中成本高，耗時(shí)長(zhǎng)，效率低，效果不佳的問(wèn)題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及熱處理工藝設(shè)計(jì)技術(shù)，具體涉及基于數(shù)值模擬的鎳基單晶高溫合金固溶熱處理工藝設(shè)計(jì)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

鎳基單晶高溫合金是一類重要的高溫結(jié)構(gòu)材料，通常被用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的單晶葉片中。單晶葉片由定向凝固技術(shù)制造，其鑄態(tài)組織中存在粗大的共晶γ'相和微觀偏析(元素分布不均)，這些都降低了葉片的高溫力學(xué)性能。因此，通常需要對(duì)鑄態(tài)葉片進(jìn)行熱處理以調(diào)控其組織形貌，減弱微觀偏析，從而提高高溫力學(xué)性能。高溫合金熱處理包括固溶熱處理與時(shí)效熱處理兩個(gè)過(guò)程。其中固溶熱處理的目的是消除全部或大部分粗大γ'相，得到單一的γ固溶體，同時(shí)改善微觀偏析。而時(shí)效熱處理的目的是在γ固溶體中形成細(xì)小、均勻、立方化程度高的γ'析出相，以得到優(yōu)異的高溫力學(xué)性能。在固溶熱處理中，為了完全溶解γ'相，保溫溫度要高于γ'相的溶解溫度，同時(shí)為了避免初熔發(fā)生，保溫溫度需要低于合金初熔溫度。隨著高溫合金的發(fā)展，越來(lái)越多的難熔元素如W、Ta、Re和Ru等被加入到合金中，造成了共晶分?jǐn)?shù)增加以及更嚴(yán)重的微觀偏析。此外，粗大的共晶γ'相難以完全溶解，且Re和W等難熔元素?cái)U(kuò)散速度非常慢，這些因素使得固溶熱處理的時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)。而較長(zhǎng)的固溶熱處理時(shí)間帶來(lái)了較高的能耗以及較低的制造速度，不利于降低成本和提高制造效率。終上所述，固溶熱處理工藝的設(shè)計(jì)中需要充分長(zhǎng)的保溫時(shí)間來(lái)完全固溶γ'相，同時(shí)也需要縮短保溫時(shí)間以提高熱處理效率，這兩種相反的需求使得高溫合金固溶熱處理工藝的合理設(shè)計(jì)成為了難題。

傳統(tǒng)的高溫合金固溶熱處理工藝設(shè)計(jì)中使用的是實(shí)驗(yàn)方法。實(shí)驗(yàn)方法中，需要對(duì)固溶熱處理的保溫溫度、保溫時(shí)間進(jìn)行反復(fù)調(diào)整與摸索，以得到優(yōu)化的固溶熱處理工藝。為了縮短固溶熱處理時(shí)間，實(shí)驗(yàn)方法中設(shè)計(jì)了階梯式固溶熱處理工藝，即設(shè)置一系列溫度階梯，來(lái)逐步提高固溶熱處理的保溫溫度。這是因?yàn)殍T態(tài)組織中存在大量低熔點(diǎn)共晶組織，因此初始保溫溫度不能設(shè)置太高。而當(dāng)進(jìn)行了一段時(shí)間熱處理后，元素逐漸均勻化，共晶組織數(shù)量減少，合金初熔溫度升高，因此熱處理溫度也能逐步提高。在第三代鎳基單晶高溫合金CMSX-10中，其階梯式固溶熱處理的保溫溫度多達(dá)10步，每一步都有明確的保溫溫度和保溫時(shí)間，總固溶熱處理時(shí)間多達(dá)45小時(shí)。終上所述，高溫合金固溶熱處理工藝設(shè)計(jì)非常復(fù)雜，需要確定的參數(shù)多，整個(gè)過(guò)程耗時(shí)耗力，成本高昂且效率低下。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決相關(guān)技術(shù)中的技術(shù)問(wèn)題之一。為此，本發(fā)明的一個(gè)目的在于提出一種基于數(shù)值模擬的鎳基單晶高溫合金固溶熱處理方法，解決傳統(tǒng)基于實(shí)驗(yàn)的固溶熱處理工藝設(shè)計(jì)中成本高，耗時(shí)長(zhǎng)，效率低，效果不佳的問(wèn)題。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，本發(fā)明提出了一種基于數(shù)值模擬獲得的鎳基單晶高溫合金固溶熱處理方法，根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施例，該方法包括：(1)模擬得到鎳基單晶高溫合金凝固后的鑄態(tài)組織；(2)通過(guò)熱力學(xué)計(jì)算，得到所述鑄態(tài)組織的初熔溫度Tmelt，將所述初熔溫度Tmelt減去一個(gè)常數(shù)值T_c作為熱處理保溫溫度T_hold；(3)在所述熱處理保溫溫度下保溫預(yù)定時(shí)間t_hold，模擬所述保溫過(guò)程中的組織變化，得到所述保溫結(jié)束后的組織；(4)重復(fù)步驟(2)-(3)，直到所述保溫過(guò)程模擬結(jié)束后組織中γ'相分?jǐn)?shù)小于等于設(shè)定值F_c，記錄以上每階段保溫時(shí)間與計(jì)算得到的保溫溫度，即為所述固溶熱處理模擬方法。