K417G高溫合金渦輪葉片真空熱處理工藝優(yōu)化

劉瑞琳

(成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川610100)

1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

高壓渦輪葉片材料為等軸晶鑄造高溫合金K417G，在高溫下具有較好的力學(xué)性能及抗熱腐蝕性能，化學(xué)成分如表1所示。這類合金適于用做航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片、導(dǎo)向葉片及整鑄渦輪。

K417G高溫合金渦輪葉片的熱處理采用華海立式真空氣淬爐，其技術(shù)指標(biāo)如下：

(1)有效工作尺寸600 mm×600 mm×900 mm，最大裝爐量600 kg。

(2)工作溫度500～1300℃，最高溫度1350℃，溫度均勻性±5℃。

(3)系統(tǒng)精度±1.7℃，測試溫度950℃。

(4)工作真空度5×10-3Pa，極限真空度5×10-4Pa。

(5)在冷態(tài)、空載、清潔、干燥、無污染的條件下，從啟動(dòng)真空系統(tǒng)開始，30 min內(nèi)達(dá)到5×10-2Pa，50 min內(nèi)達(dá)到工作真空度5×10-3Pa。

(6)最大氣冷壓強(qiáng)6 bar。

(7)空爐從1200℃冷卻到300℃的時(shí)間不大于5 min。

(8)50 min內(nèi)從室溫升到1250℃。

2 試驗(yàn)過程

(1)預(yù)熱擴(kuò)散泵：打開電源→打開控制電箱的電腦主機(jī)→解警→點(diǎn)用戶登錄→點(diǎn)系統(tǒng)按鍵→點(diǎn)機(jī)械控制→依次打開維持閥、維持泵、擴(kuò)散泵進(jìn)行預(yù)熱。

(2)調(diào)程序：打開工藝庫選用所需程序并記住其程序號(hào)→裝載工藝→輸入程序號(hào)→檢查程序無誤后→點(diǎn)工藝傳輸→待顯示工藝傳輸完成即可。

(3)裝爐：抽真空至可以打開鎖圈→點(diǎn)放氣閥→壓力控制儀讀數(shù)到100時(shí)可降爐門→把實(shí)驗(yàn)工件放置在專用夾具上→進(jìn)爐→設(shè)置超溫報(bào)警、分壓溫度設(shè)置980℃→關(guān)閉放氣閥→打到高真空→打自動(dòng)→看爐，半小時(shí)記錄1次時(shí)間、真空度和溫度。

表1 K417G鑄造高溫合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of K417G high temperature cast alloy (Mass, %)

3 優(yōu)化前的工藝及分析

3.1 優(yōu)化前工藝

基本工藝參數(shù)如表2所示。

第一階段：在室溫狀態(tài)下抽真空至小于0.013 Pa，然后以(13±2)℃/min的速率升溫至(670±100)℃，保溫1～1.5 h。

第二階段：以(10±2)℃/min的升溫速率升至(950±10)℃，保溫1～1.5 h。

第三階段：以(5±1)℃/min升溫速率升至(1210±10)℃，保溫4～4.25 h后，以(40±15)℃/min的冷卻速率冷卻至1000℃，此過程中充入氬氣，并關(guān)閉風(fēng)機(jī)，冷卻至1000℃后開啟風(fēng)機(jī)氣淬，氣淬壓力為1～2 bar，300℃以下允許空冷出爐。

3.2 優(yōu)化前工藝分析

K417G所含合金金屬元素在不同的蒸汽壓下的平衡溫度如表3所示。

表2 基本工藝參數(shù)Table 2 Basic technical parameters

表3 K417G所含合金金屬元素在不同的蒸汽壓下的平衡溫度Table 3 Balancing temperature ofalloying metal element contained inK417G under different vapor pressure

根據(jù)相平衡理論，在不同溫度下金屬蒸發(fā)作用于金屬表面上的平衡壓力是不同的，隨著溫度的升高，蒸汽壓也升高。當(dāng)外界壓力小于該溫度下金屬元素的蒸汽壓時(shí)，金屬元素就會(huì)產(chǎn)生蒸發(fā)，外界壓力越小，即真空度越高，金屬元素越容易蒸發(fā)，在相同的條件下蒸汽壓高的元素比蒸汽壓低的元素更容易蒸發(fā)。金屬元素的蒸發(fā)，會(huì)造成工件表面合金元素的貧化、抗腐蝕性能的下降以及降低工件表面的光亮度。同時(shí)蒸發(fā)出來的金屬元素呈氣體形態(tài)圍繞在工件與裝料筐周圍，黏附并污染金屬表面，冷卻時(shí)造成工件之間或工件與裝料筐之間相互粘接，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成爐體的短路。這對(duì)于航空類工件來說無疑是致命的，所以必須杜絕這一現(xiàn)象的發(fā)生。

當(dāng)在真空固溶熱處理時(shí)原有的工藝中所要求的真空度小于0.013 Pa，而在0.013 Pa以下的蒸汽壓時(shí)Cr、Mn的平衡溫度相對(duì)較低，其中Mn的平衡溫度達(dá)到了980℃。為了使合金元素在真空下不被蒸發(fā)而又要使工件表面不被氧化，就需在低于其最低的平衡溫度下進(jìn)行分壓。分壓就是采取向真空加熱室內(nèi)回充高純度中性或惰性氣體的方法來提高壓強(qiáng)，將真空加熱室的壓強(qiáng)調(diào)節(jié)在0.1～650 Pa的范圍內(nèi)，這種方法既可防止合金元素的蒸發(fā)，又可獲得光亮的表面，同時(shí)可以增加對(duì)流傳熱作用，更有利于工件的均勻加熱。

綜上所述，分壓溫度就設(shè)定在小于0.013 Pa蒸汽壓下最低的平衡溫度980℃，充入的惰性氣體為純度達(dá)到99.99%的氬氣，5～80 Pa的充氣壓強(qiáng)比較理想。

4 結(jié)論

原真空固溶熱處理工藝的最高加熱溫度達(dá)到了1210℃，根據(jù)金屬元素在不同的蒸汽壓力下的平衡溫度不同，K417G材料所含的Cr和Mn元素在工藝要求的真空度下平衡溫度偏低，最低達(dá)到了980℃。為了不讓金屬元素蒸發(fā)，保證其組織性能達(dá)到使用要求，所以應(yīng)進(jìn)行分壓，分壓溫度在最低平衡溫度980℃合適，分壓壓強(qiáng)5～80 Pa。優(yōu)化后的工藝如下：

第一階段：在室溫狀態(tài)下抽真空至小于0.013 Pa，然后以(13±2)℃/min的速率升溫至(670±100)℃，保溫1～1.5 h(鑄件和試棒應(yīng)同爐進(jìn)行真空熱處理)。

第二階段：以(10±2)℃/min的升溫速率升至(950±10)℃，保溫1～1.5 h。工藝過程中在980℃時(shí)進(jìn)行分壓，壓強(qiáng)為5～80 Pa。

第三階段：以(5±1)℃/min升溫速率升至(1210±的10)℃，保溫4～4.25 h后，以(40±15)℃/min冷卻速率冷卻至1000℃，此過程中充入氬氣，并關(guān)閉風(fēng)機(jī)，冷卻至1000℃后開啟風(fēng)機(jī)氣淬，氣淬壓力為1～2 bar，300℃以下允許出爐。

[1] 黃乃寧，李增祥，李敏，等. 高溫合金GH416薄壁管材真空熱處理[J]. 金屬熱處理，2002，27(11)：43-45.

[2] 于保正，湯鑫，劉發(fā)信. 細(xì)晶鑄造K418B合金熱處理工藝研究[J]. 航空材料學(xué)報(bào)，2002，22(3)：13-15.

[3] 王志國. 精密鑄造K444高溫合金葉片鑄態(tài)組織及熱處理優(yōu)化研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.