镍基单晶高温合金的固溶热处理模拟方法
技术领域
本发明涉及热处理工艺设计技术，具体涉及基于数值模拟的镍基单晶高温合金固溶热处理工艺设计领域。
背景技术
镍基单晶高温合金是一类重要的高温结构材料，通常被用于航空发动机的单晶叶片中。单晶叶片由定向凝固技术制造，其铸态组织中存在粗大的共晶γ'相和微观偏析(元素分布不均)，这些都降低了叶片的高温力学性能。因此，通常需要对铸态叶片进行热处理以调控其组织形貌，减弱微观偏析，从而提高高温力学性能。高温合金热处理包括固溶热处理与时效热处理两个过程。其中固溶热处理的目的是消除全部或大部分粗大γ'相，得到单一的γ固溶体，同时改善微观偏析。而时效热处理的目的是在γ固溶体中形成细小、均匀、立方化程度高的γ'析出相，以得到优异的高温力学性能。在固溶热处理中，为了完全溶解γ'相，保温温度要高于γ'相的溶解温度，同时为了避免初熔发生，保温温度需要低于合金初熔温度。随着高温合金的发展，越来越多的难熔元素如W、Ta、Re和Ru等被加入到合金中，造成了共晶分数增加以及更严重的微观偏析。此外，粗大的共晶γ'相难以完全溶解，且Re和W等难熔元素扩散速度非常慢，这些因素使得固溶热处理的时间越来越长。而较长的固溶热处理时间带来了较高的能耗以及较低的制造速度，不利于降低成本和提高制造效率。终上所述，固溶热处理工艺的设计中需要充分长的保温时间来完全固溶γ'相，同时也需要缩短保温时间以提高热处理效率，这两种相反的需求使得高温合金固溶热处理工艺的合理设计成为了难题。
传统的高温合金固溶热处理工艺设计中使用的是实验方法。实验方法中，需要对固溶热处理的保温温度、保温时间进行反复调整与摸索，以得到优化的固溶热处理工艺。为了缩短固溶热处理时间，实验方法中设计了阶梯式固溶热处理工艺，即设置一系列温度阶梯，来逐步提高固溶热处理的保温温度。这是因为铸态组织中存在大量低熔点共晶组织，因此初始保温温度不能设置太高。而当进行了一段时间热处理后，元素逐渐均匀化，共晶组织数量减少，合金初熔温度升高，因此热处理温度也能逐步提高。在第三代镍基单晶高温合金CMSX-10中，其阶梯式固溶热处理的保温温度多达10步，每一步都有明确的保温温度和保温时间，总固溶热处理时间多达45小时。终上所述，高温合金固溶热处理工艺设计非常复杂，需要确定的参数多，整个过程耗时耗力，成本高昂且效率低下。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种基于数值模拟的镍基单晶高温合金固溶热处理方法，解决传统基于实验的固溶热处理工艺设计中成本高，耗时长，效率低，效果不佳的问题。
根据本发明的一个方面，本发明提出了一种基于数值模拟获得的镍基单晶高温合金固溶热处理方法，根据本发明的具体实施例，该方法包括：(1)模拟得到镍基单晶高温合金凝固后的铸态组织；(2)通过热力学计算，得到所述铸态组织的初熔温度Tmelt，将所述初熔温度Tmelt减去一个常数值Tc作为热处理保温温度Thold；(3)在所述热处理保温温度下保温预定时间thold，模拟所述保温过程中的组织变化，得到所述保温结束后的组织；(4)重复步骤(2)-(3)，直到所述保温过程模拟结束后组织中γ'相分数小于等于设定值Fc，记录以上每阶段保温时间与计算得到的保温温度，即为所述固溶热处理模拟方法。
由此，根据本发明提出的基于数值模拟的镍基单晶高温合金固溶热处理方法，只需要给出合金成分和凝固工艺，就可以完全通过模拟计算得到优化的固溶热处理方法。该方法完全使用模拟计算，不需要进行复杂的实验测试，具有成本低、速度快、效果好的特点，在高温合金热处理领域具有广阔的应用前景。
另外，根据本发明上述实施例的基于数值模拟获得的镍基单晶高温合金固溶热处理方法还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，所述单晶高温合金元素包含选自Ni、Al、Co、Cr、Hf、Mo、Nb、Re、Ru、Ta、Ti、W中的至少一种。
在本发明的一些实施例中，步骤(1)中模拟得到的所述铸态组织和步骤(3)中模拟得到的所述保温结束后的组织均包括相和元素分布。
在本发明的一些实施例中，步骤(2)中，所述常数值Tc为1～20K。
在本发明的一些实施例中，所述保温预定时间thold为0.5～8小时。
在本发明的一些实施例中，所述设定值Fc为0.0％～5.0％。
在本发明的一些实施例中，步骤(1)和步骤(3)中模拟方法为多相场法。
在本发明的一些实施例中，步骤(2)中，所述热力学计算使用商用合金热力学计算软件或开源合金热力学计算软件。
附图说明
图1是根据本发明实施例的现有镍基单晶高温合金的固溶热处理的设计方法流程图。
图2是根据本发明实施例的基于数值模拟获得的镍基单晶高温合金固溶热处理方法流程图。
图3是实施例1中DD6合金凝固过程组织变化过程的模拟结果图。
图4是实施例1中DD6合金固溶热处理过程组织变化的模拟结果图。
图5是实施例1获得的固溶热处理工艺。
图6是实施例2获得的固溶热处理工艺。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，下面描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本申请是基于下列考虑完成的：现有的镍基单晶高温合金固溶热处理设计方法如图1所示。首先，针对给定的镍基单晶高温合金成分，需要进行定向凝固实验来得到其典型的单晶组织。然后，需要测量铸态组织的初熔温度，在低于初熔温度以下进行保温热处理，得到了第1阶段的热处理组织。接下来继续测量第1阶段热处理组织的初熔温度，在初熔温度以下继续保温处理，得到第2阶段的热处理组织。重复上述过程，直到热处理结束后组织中γ'相分数为0，即完成热处理工艺设计。在上述过程中，每阶段热处理温度和热处理保温时间都需要进行人为调整与优化，这使得热处理工艺设计相当复杂，需要耗费大量时间，效率很低。而且该设计方法需要使用大量高温合金进行热处理实验，高温合金本身含有稀有元素，成本高；另外，需要进行大量实验测试工作来确定合理的热处理温度和保温时间，导致耗时很长；并且实验法中只能测试有限的热处理温度和热处理时间的组合，不一定能得到最佳的热处理工艺方案。
为此，根据本发明的一个方面，本发明提出了一种基于数值模拟获得的镍基单晶高温合金固溶热处理方法，根据本发明的具体实施例，该方法包括：(1)模拟得到镍基单晶高温合金凝固后的铸态组织；(2)通过热力学计算，得到所述铸态组织的初熔温度Tmelt，将所述初熔温度Tmelt减去一个常数值Tc作为热处理保温温度Thold；(3)在所述热处理保温温度下保温预定时间thold，模拟所述保温过程中的组织变化，得到所述保温结束后的组织；(4)重复步骤(2)-(3)，直到所述保温过程模拟结束后组织中γ'相分数小于等于设定值Fc，记录以上每阶段保温时间与计算得到的保温温度，即为所述固溶热处理模拟方法。
由此，根据本发明提出的基于数值模拟的镍基单晶高温合金固溶热处理方法，只需要给出合金成分和凝固工艺，就可以完全通过模拟计算得到优化的固溶热处理方法。该方法完全使用模拟计算，不需要进行复杂的实验测试，具有成本低、速度快、效果好的特点，在高温合金热处理领域具有广阔的应用前景。
下面参考图2对本发明上述实施的基于数值模拟的镍基单晶高温合金固溶热处理方法进行详细描述：
首先，步骤(1)模拟得到镍基单晶高温合金凝固后的铸态组织。
根据本发明的具体实施例，预先给定镍基单晶高温合金的成分和凝固条件，并使用多相场法模拟镍基单晶高温合金凝固后的铸态组织，具体地，铸态组织包括相与元素分布。
根据本发明的具体实施例，对给定镍基高温合金铸态组织模拟中，凝固过程的冷速的范围为0.0001～1000K/s。凝固过程模拟可以实现慢速与快速凝固下的组织形态、相和元素分布。
根据本发明的具体实施例，本发明的基于数值模拟的镍基单晶高温合金固溶热处理方法可以适用于任何成分的镍基单晶高温合金，可以是含有难熔元素如W、Ta、Re和Ru的镍基单晶高温合金。因此，本发明的方法适用范围广泛，并且该设计方法完全使用模拟计算，具有可以的科学依据性，方法获得速度快、效果好。具体地，本发明所涉及的镍基单晶高温合金中合金元素可以为选自Ni、Al、Co、Cr、Hf、Mo、Nb、Re、Ru、Ta、Ti、W中的至少一种。不同元素含量在0～100％之间。由此，本发明基于数值模拟获得的镍基单晶高温合金固溶热处理方法通过多相场模拟，可以实时原位观察到镍基单晶高温合金在凝固及固溶热处理过程中的相演变与元素扩散过程，具体的相有液相、γ和γ'相，具体的元素可以有Ni、Al、Co、Cr、Hf、Mo、Nb、Re、Ru、Ta、Ti、W等。因此，本发明基于数值模拟获得的镍基单晶高温合金固溶热处理方法能够对多元镍基高温合金的相变与元素扩散过程进行模拟，具有非常好的实用性。
其次，步骤(2)通过热力学计算，得到所述铸态组织的初熔温度Tmelt，将所述初熔温度Tmelt减去一个常数值Tc作为热处理保温温度Thold。
根据本发明的具体实施例，步骤(2)中，具体地，通过对步骤(1)模拟得到镍基单晶高温合金凝固后的铸态组织进行热力学计算，以便得到铸态组织的初熔温度Tmelt。
根据本发明的具体施例，上述热力学计算使用基于CALPHAD的商用合金热力学计算软件或开源合金热力学计算软件。由此，通过热力学计算，可以得到不同成分的镍基单晶高温合金的γ'相完全溶解温度、初始熔化温度，为固溶热处理保温温度的确定提供了理论依据。
根据本发明的具体实施例，常数值Tc取值可以为1～20K。由此，可以确保保温温度不超过组织的初熔温度此外，保温温度越高，越有利于加速元素扩散过程，加快γ'相的固溶速度。保温温度需要低于初熔温度以避免组织熔化，此外，保温温度越接近于初熔温度时，越有利于γ'相溶解和元素的均匀化，有利于提高固溶热处理效率。因此，上述常数值Tc优选为1～20K。
第三，步骤(3)在上述热处理保温温度下保温预定时间thold，模拟所述保温过程中的组织变化，得到所述保温结束后的组织。
根据本发明的具体实施例，该步骤中模拟方法同样为多相场法。由此通过多相场模拟，可以实时原位观察到镍基单晶高温合金在凝固及固溶热处理过程中的相演变与元素扩散过程。
根据本发明的具体实施例，该步骤(3)中模拟得到的保温结束后的组织均包括相和元素分布。由此可以计算出共晶γ'相溶解情况，并得到剩余γ'相的相分数。
根据本发明的具体实施例，步骤(3)中保温预定时间thold为0.5～8小时。发明人发现，保温时间较短时，模拟得到的热处理保温阶梯越多，越有利于及时提高保温温度，从而提高固溶热处理效率。因此，上述保温预定时间thold可以优选为0.5～4小时。进而可以在保温一段时间后及时计算新得到组织的初熔温度，同时更新保温温度(通常可以得到更高的保温温度)，从而加速固溶处理过程。
步骤(4)重复步骤(2)-(3)，直到所述保温过程模拟结束后组织中γ'相分数小于等于设定值Fc，记录以上每阶段保温时间与计算得到的保温温度，即为所述固溶热处理模拟方法。
由此，本发明通过重复步骤(2)-(3)，使得每隔一段时间便更新固溶热处理，该方法只需要通过数值计算，就可以得到优化的镍基单晶高温合金固溶热处理工艺，不需要进行繁琐的实验测试，具有成本低、效率高、效果好的优势。
根据本发明的具体实施例，上述设定值Fc为0.0％～5.0％。由此当消除全部或大部分粗大γ'相后，即完成固溶热处理。
由此，根据本发明上述实施例的基于数值模拟的镍基单晶高温合金固溶热处理方法至少具有下列优点之一：
(1)通过多相场模拟，可以实时原位观察到镍基单晶高温合金在凝固及固溶热处理过程中的相演变与元素扩散过程，具体的相有液相、γ和γ'相，具体的元素有Ni、Al、Co、Cr、Hf、Mo、Nb、Re、Ru、Ta、Ti、W等；
(2)通过热力学计算，可以得到不同成分的镍基单晶高温合金的γ'相完全溶解温度、初始熔化温度，为固溶热处理保温温度的确定提供了理论依据；
(3)在提出的每隔一段时间更新的固溶热处理设计框架下，只需要通过数值计算，就可以得到优化的镍基单晶高温合金固溶热处理工艺，不需要进行繁琐的实验测试，具有成本低、效率高、效果好的优势。
实施例1
选取第二代单晶高温合金DD6例，其化学成分(质量分数,％)为:Cr 4.3,Co 9.0,Mo 2.0,W 8.0,Ta 7.5,Re 2.0,Hf 0.1,Al 5.6,Nb 0.5,Ni余量。在凝固过程组织模拟中，冷速为1K/s，模拟得到的不同温度下的γ与γ'相分布如图3所示，图中白色为液相，灰色为γ相，黑色为γ'相。随后对组织的初熔温度进行计算，提取从枝晶干到枝晶间的相与元素分布，输入到热力学计算软件中计算对应的熔化温度，取其最低值为初熔温度。在低于初熔温度2K下进行保温模拟，保温时间为1小时，得到了保温后的组织。重复进行初熔温度计算和保温过程模拟，直到γ'相分数为0，模拟过程中的组织变化如图4所示。所得到的一系列保温温度和对应的保温时间即为所需的固溶热处理工艺，如图5所示。
实施例2
选取第二代单晶高温合金DD6例，其化学成分(质量分数,％)为:Cr 4.3,Co 9.0,Mo 2.0,W 8.0,Ta 7.5,Re 2.0,Hf 0.1,Al 5.6,Nb 0.5,Ni余量。在凝固过程组织模拟中，冷速为1K/s，模拟得到的不同温度下的γ与γ'相分布如图3所示，图中白色为液相，灰色为γ相，黑色为γ'相，随后对组织的初熔温度进行计算，提取从枝晶干到枝晶间的相与元素分布，输入到热力学计算软件中计算对应的熔化温度，取其最低值为初熔温度。在低于初熔温度2K下进行保温模拟，保温时间为2小时，得到了保温后的组织。重复进行初熔温度计算和保温过程模拟，直到γ'相分数为0。所得到的一系列保温温度和对应的保温时间即为所需的固溶热处理工艺，如图6所示。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
