劉瑞琳

(成都航空職業(yè)技術(shù)學院，四川610100)

1 試驗材料及設(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性能及抗熱腐蝕性能，化學成分如表1所示。這類合金適于用做航空發(fā)動機渦輪葉片、導向葉片及整鑄渦輪。

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，從啟動真空系統(tǒng)開始，30 min內(nèi)達到5×10-2Pa，50 min內(nèi)達到工作真空度5×10-3Pa。

(6)最大氣冷壓強6 bar。

(7)空爐從1200℃冷卻到300℃的時間不大于5 min。

(8)50 min內(nèi)從室溫升到1250℃。

2 試驗過程

(1)預熱擴散泵：打開電源→打開控制電箱的電腦主機→解警→點用戶登錄→點系統(tǒng)按鍵→點機械控制→依次打開維持閥、維持泵、擴散泵進行預熱。

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

(3)裝爐：抽真空至可以打開鎖圈→點放氣閥→壓力控制儀讀數(shù)到100時可降爐門→把實驗工件放置在專用夾具上→進爐→設(shè)置超溫報警、分壓溫度設(shè)置980℃→關(guān)閉放氣閥→打到高真空→打自動→看爐，半小時記錄1次時間、真空度和溫度。

表1 K417G鑄造高溫合金化學成分(質(zhì)量分數(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)閉風機，冷卻至1000℃后開啟風機氣淬，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。當外界壓力小于該溫度下金屬元素的蒸汽壓時，金屬元素就會產(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，冷卻時造成工件之間或工件與裝料筐之間相互粘接，嚴重時會造成爐體的短路。這對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。

當在真空固溶熱處理時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Cr、Mn的平衡溫度相對較低，其中Mn的平衡溫度達到了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，將真空加熱室的壓強調(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，同時可以增加對流傳熱作用，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到99.99%的氬氣，5～80 Pa的充氣壓強比較理想。

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，最低達到了980℃。為了不讓金屬元素蒸發(fā)，保證其組織性能達到使用要求，所以應(yīng)進行分壓，分壓溫度在最低平衡溫度980℃合適，分壓壓強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℃時進行分壓，壓強為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)閉風機，冷卻至1000℃后開啟風機氣淬，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. 細晶鑄造K418B合金熱處理工藝研究[J]. 航空材料學報，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，2013.