CN110629141A - 一种提高gh4220螺栓力学性能的热处理工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种提高GH4220螺栓力学性能的热处理工艺；通过将镦制后的螺栓清洗处理后进行第一段固溶处理、弯晶处理、第二段固溶处理、时效处理后，本发明形成弯曲晶界提高了晶界强度的同时，也改善了晶内强度，使晶界强度和晶内强度得以最佳配合，从而使高温合金的强度得以提高，包括高温瞬时拉伸强度和高温持久强度。

Description

一种提高GH4220螺栓力学性能的热处理工艺
技术领域
本发明涉及一种提高GH4220螺栓力学性能的热处理工艺。
背景技术
GH4220合金是我国仿制于前苏联的ХН51ВМТЮКФР-ВД镍基时效沉淀硬化型高温合金。该材料适合于制造在950℃以下工作的航空发动机涡轮工作叶片、紧固件等零部件。具有较高的高温强度、应力持久性能。该合金在航空领域的应用不是很广泛，使用面较窄，相关的研究及其资料也相对较少。目前已有航空发动机型号的GH4220螺栓，其技术要求为：1)950℃高温抗拉≥490MPa；2)硬度285～341HBS；3)应力持久性能940℃、加载215MPa、保持40h不断.在航空用GH4220螺栓的生产过程中，由于GH4220合金在冶炼过程中每个炉批次存在成分含量的波动，合金元素的偏析，杂质元素的数量、种类、大小、形状不同，以及热变形工艺等因素的影响，按标准热处理制度进行热处理后，高温拉伸和应力持久性能往往不能满足技术条件的要求。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种提高GH4220螺栓力学性能的热处理工艺。
本发明通过以下技术方案得以实现。
本发明提供的一种提高GH4220螺栓力学性能的热处理工艺；包括以下步骤，
S1、清洗处理：头部镦制成型的螺栓清洗并烘干；
S2、第一段固溶处理：将螺栓升温至1190～1250℃，保温4h；
S3、弯晶处理：将第一段固溶处理后的螺栓缓冷至1000～1100℃，保温1min，空冷至室温；
S4、第二段固溶处理：将弯晶处理后的螺栓升温至1000～1100℃，保温4h；
S5、时效处理：将第二段固溶处理后的螺栓空冷至900～970℃，保温2h，空冷至室温。
所述步骤S3中缓慢冷却的时间为17～40min。
所述S3中缓冷采用真空炉，炉温均匀性±10℃，控温精度±1℃，期间回充惰性气体保护。
所述S1～S5中的螺栓采用GH4220合金螺栓。
所述S2中升温速率＜5℃/min。
所述S4中升温速率小于5℃/min。
本发明的有益效果在于：通过弯晶处理形成弯曲晶界提高了晶界强度的同时，也改善了晶内强度，使晶界强度和晶内强度得以最佳配合，从而使高温合金的强度得以提高，包括高温瞬时拉伸强度和高温持久强度。
附图说明
图1是本发明实施例采用普通固溶工艺处理后形成的平直晶界；
图2是本发明实施例采用普通固溶工艺处理后形成的弯曲晶界。
具体实施方式
下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。
一种提高GH4220螺栓力学性能的热处理工艺；包括以下步骤，
S1、清洗处理：头部镦制成型的螺栓清洗并烘干；
S2、第一段固溶处理：将螺栓升温至1190～1250℃，保温4h；
S3、弯晶处理：将第一段固溶处理后的螺栓缓慢冷却至的螺栓缓冷至1000～1100℃，保温1min，空冷至室温；
S4、第二段固溶处理：将弯晶处理后的螺栓升温至1000～1100℃，保温4h；
S5、时效处理：将第二段固溶处理后的螺栓空冷至900～970℃，保温2h，空冷至室温。
所述步骤S3中缓慢冷却的时间为17～40min。
所述S3中缓冷采用真空炉，炉温均匀性±10℃，控温精度±1℃，期间回充惰性气体保护。
所述S1～S5中的螺栓采用GH4220合金螺栓。
所述S2中升温速率＜5℃/min。
所述S4中升温速率小于5℃/min。
本申请与现有的GH4220螺栓标准热处理制度(两段固溶+时效)相比，本发明采用在标准热处理制度(两段固溶+时效)的基础上，在第一段固溶1220℃，4h保温结束后采用缓慢冷却以获得弯曲晶界。
标准热处理和弯晶热处理后虽然合金中γ/相的总量相同，如GH4220合金，两种热处理合金中的γ/相总量都在42～45％范围，所不同的是，缓冷弯晶热处理有两种大小不同的γ/相，使γ/相质点的间距变小，而小γ/相弥散分布在大γ/相之间对位错运动的阻碍作用更大。因此，弯曲晶界在提高晶界强度的同时，也改善了晶内强度，使晶界强度和晶内强度得以最佳配合，从而使高温合金的强度得以提高，包括高温瞬时拉伸强度和高温持久强度。
弯曲晶界可有效推迟裂纹的形成和降低裂纹的扩展，从而改善力学性能。
高温合金在高温的断裂往往垂直于主应轴的晶界上，对平直晶界往往在晶粒的三岔点处萌生，多为楔形裂纹，而弯曲晶界的裂纹萌生要比平直晶界困难得多，因为晶界滑动是高温裂纹形核的主要控制因素，而弯曲晶界可有效阻止晶界滑动，因而推迟了晶界孔洞裂纹的形成。
弯曲晶界不但能推迟晶界裂纹的形成，同时也可有效阻止或推迟裂纹的扩展。因为裂纹一旦萌生后出现的每一条微裂纹，由于其位向不同，而局限于弯曲晶界分段的较短单元范围内，与邻近裂纹彼此隔开，故能阻止或推迟裂纹的扩展。另外，弯曲晶界上微裂纹端部在扩展过程中遇到具有塑性较高的晶粒变形而钝化，晶内区域的应力集中也因变形而得到松弛。这样就有效降低了裂纹的扩展速率，推迟了大尺寸晶界裂纹的形成。
由于合金中存在弯曲晶界，从而成功解决了GH4220螺栓按标准热处理制度(两段固溶+时效)热处理后，高温拉伸强度和高温持久性能不能保证的技术难题。
实施例1：将头部镦制成型的螺栓清洗并烘干通过以下热处理工艺处理:
S1、清洗处理：头部镦制成型的螺栓清洗并烘干；
S2、第一段固溶：升温至1220℃，保温4h，空冷至室温；
S3、第二段固溶：升温至1050℃，保温4小时，
S4、时效处理：缓慢冷却至950℃，保温2h，空冷至室温。
实施例2：将头部镦制成型的螺栓清洗并烘干通过以下热处理工艺处理:
S1、清洗处理：头部镦制成型的螺栓清洗并烘干；
S2、第一段固溶处理：将螺栓升温至1190℃，保温4h；
S3、弯晶处理：将第一段固溶处理后的螺栓缓慢冷却至1000℃，冷却时间为17min，保温1min，空冷至室温；
S4、第二段固溶处理：将弯晶处理后的螺栓升温至1000℃，保温4h；
S5、时效处理：将第二段固溶处理后的螺栓空冷至900℃，保温2h，空冷至室温。
实施例3：将头部镦制成型的螺栓清洗并烘干通过以下热处理工艺处理:
S1、清洗处理：头部镦制成型的螺栓清洗并烘干；
S2、第一段固溶处理：将螺栓升温至1250℃，保温4h；
S3、弯晶处理：将第一段固溶处理后的螺栓缓慢冷却至1100℃，冷却时间为40min，保温1min，空冷至室温；
S4、第二段固溶处理：将弯晶处理后的螺栓升温至1100℃，保温4h；
S5、时效处理：将第二段固溶处理后的螺栓空冷至970℃，保温2h，空冷至室温。
实施例4：将头部镦制成型的螺栓清洗并烘干通过以下热处理工艺处理:
S1、清洗处理：头部镦制成型的螺栓清洗并烘干；
S2、第一段固溶处理：将螺栓升温至1220℃，保温4h；
S3、弯晶处理：将第一段固溶处理后的螺栓缓慢冷却至1100℃，冷却时间为24min，保温1min，空冷至室温；
S4、第二段固溶处理：将弯晶处理后的螺栓升温至1050℃，保温4h；
S5、时效处理：将第二段固溶处理后的螺栓空冷至950℃，保温2h，空冷至室温。
以上实施例得出的螺栓均加工为MJ10的螺栓成品，并分别取样做金相检测、高温拉伸强度、应力持久试验后，对比如下：
1、950℃高温拉伸强度
热处理方案 σb(950℃)≥490MPa
实施例1 479MPa
实施例2 502MPa
实施例3 510MPa
实施例4 503MPa
2、940℃应力持久
热处理方案 持久(940℃施加215MPa，不少于40h)
实施例1 首件37.9h断螺纹
实施例2～4 首件50.5h断螺纹

Claims (6)

1.一种提高GH4220螺栓力学性能的热处理工艺，其特征在于：包括以下步骤，
S1、清洗处理：头部镦制成型的螺栓清洗并烘干；
S2、第一段固溶处理：将螺栓升温至1190～1250℃，保温4h；
S3、弯晶处理：将第一段固溶处理后的螺栓缓冷至1000～1100℃，保温1min，空冷至室温；
S4、第二段固溶处理：将弯晶处理后的螺栓升温至1000～1100℃，保温4h；
S5、时效处理：将第二段固溶处理后的螺栓空冷至900～970℃，保温2h，空冷至室温。
2.如权利要求1所述的提高GH4220螺栓力学性能的热处理工艺，其特征在于：所述步骤S3中缓慢冷却的时间为17～40min。
3.如权利要求1所述的提高GH4220螺栓力学性能的热处理工艺，其特征在于：所述S3中缓冷采用真空炉，炉温均匀性±10℃，控温精度±1℃，期间回充惰性气体保护。
4.如权利要求1所述的提高GH4220螺栓力学性能的热处理工艺，其特征在于：所述S1～S5中的螺栓采用GH4220合金螺栓。
5.如权利要求1所述的提高GH4220螺栓力学性能的热处理工艺，其特征在于：所述S2中升温速率＜5℃/min。
6.如权利要求1所述的提高GH4220螺栓力学性能的热处理工艺，其特征在于：所述S4中升温速率小于5℃/min。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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