高温合金薄壁点阵结构件的淬火工艺的制作方法

1.本发明属于材料处理技术领域，涉及高温合金薄壁点阵结构件的淬火工艺。


背景技术：

2.当前，对于飞行器与航空发动机的轻量化、高性能的要求越来越高，传统的航天器设计需要考虑结构与功能，即一方面需要具有高承载能力的结构件，另一方面需要满足隔热减振等特殊要求。因而，开发具有优异结构和功能特性的功能材料成为了必然要求。点阵结构以其具有高孔隙率、高比表面积及开孔特性，在航空领域应用有着巨大的潜力。
3.薄壁(蒙皮)点阵结构包括外部薄壁(蒙皮)结构和填充于外部薄壁(蒙皮)结构内的内部点阵结构，3d打印的薄壁点阵结构由于在接触部位具有很大的截面变形，因而其内应力比较大，由于结构原因，不恰当的热处理工艺会扩大局部应力的影响，造成宏观裂纹，导致零件报废。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供高温合金薄壁点阵结构件的淬火工艺。
5.本发明的目的通过以下技术方案来实现：
6.高温合金薄壁点阵结构件的淬火工艺，包括以下步骤：将高温合金薄壁点阵结构件置于真空热处理炉内，进行热处理，然后冷却出炉。
7.薄壁点阵结构件具有利用≤2mm厚度的蒙皮包覆点阵结构(点阵结构是由一系列单独元件通过接头连接起来的网络状几何结构)的特点，能够在保证结构刚度的前提下大幅度减轻重量。高温合金薄壁点阵结构件的制备原料包括高温合金，高温合金指的是一类使用温度范围通常在600～1000℃之间、短时使用工况(100s以内)下甚至可达1200℃的合金，可列举为镍基高温合金，如gh4169。
8.作为优选，所述热处理温度为800～1200℃。
9.进一步优选，所述热处理温度为900～1100℃。
10.作为优选，当热处理温度≤950℃时，所述热处理步骤包括：以1～30℃/min的升温速率将炉温升至热处理温度，并保温30～80min；当热处理温度＞950℃时，所述热处理步骤包括：以第一次升温速率1～30℃/min将炉温升至900～960℃，并保温30～80min；再以第二次升温速率0.5～5℃/min将炉温升至热处理温度，并保温30～80min。
11.热处理过程中，在某一温度保持一段时间，以减轻薄壁点阵结构件的点阵和薄壁受热膨胀时膨胀率不同产生的变形不同步，有利于消除打印应力，同时避免薄壁点阵结构件热处理时出现裂纹、局部过烧，影响合金的微观组织性能，有利于内部组织结构的调节。
12.作为优选，热处理过程中，第一次升温速率为1～10℃/min，第二次升温速率为0.5～3℃/min。在热处理过程中，采用缓慢升温的方式有利于消除内应力。
13.作为优选，热处理过程中，第二次升温速率小于第一次升温速率。第二次升温速率
较慢，有利于减小由于温度梯度过大引发的材料在高温阶段的变形。
14.作为优选，热处理过程中控制真空热处理炉内的真空度≤5
×
10-3
pa。高温合金薄壁点阵结构件置于真空热处理炉内，抽真空，使得真空热处理炉内的真空度≤5
×
10-3
pa，整个热处理在≤5
×
10-3
pa的真空度下进行。
15.作为优选，所述冷却包括以下步骤：通入惰性气体，调节惰性气体的压力为6～12bar，打开风机，风量为2～8m3/min，温度降至40℃以下时再出炉。
16.为了稳定高温下形成的组织结构形态，必须在冷却时通入气体介质在炉内形成对流，加快薄壁点阵结构冷却效率，而为防止结构件发生氧化，需通入惰性气体。惰性气体的气压和风机的风量是冷却速率的决定性因素之一，控制惰性气体的压力为6～12bar、风机风量为2～8m3/min，通过较大的气体压力以及强制风冷来达到快速带走热量的目的。
17.作为优选，冷却过程中，控制冷却速率≥100℃/min，当冷却速率≥100℃/min，才能达到本发明气淬的效果。
18.作为优选，所述高温合金薄壁点阵结构件由金属3d打印成型。金属3d打印成型的高温合金薄壁点阵结构件的内应力较大，采用本发明的淬火工艺具有显著的性能提升效果。
19.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
20.1、本发明对金属3d打印成型的高温合金薄壁点阵结构件进行真空热处理，在该过程中，于某一温度保温一段时间，可以减轻薄壁点阵结构件的点阵和薄壁受热膨胀时膨胀率不同产生的变形不同步，有利于消除打印应力，调节内部组织结构；
21.2、本发明对热处理过程中的升温速率和保温时间进行控制，更好地消除应力、调节微观组织，达到提高结构件性能的目的；
22.3、本发明在冷却过程中，通入惰性气体以达到较大的介质压力以及强制风冷相结合有达到快速带走热量的目的；
23.4、本发明控制冷却过程中的冷却速率可以有效解决热处理后材料性能不稳定的问题。
附图说明
24.图1为本发明实施例中高温合金薄壁点阵结构件的产品图。
具体实施方式
25.下面通过具体实施例和附图，对本发明的技术方案作进一步描述说明，应当理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于帮助理解本发明，不用于本发明的具体限制。且本文中所使用的附图，仅仅是为了更好地说明本发明所公开内容，对保护范围并不具有限制作用。如果无特殊说明，本发明的实施例中所采用的原料均为本领域常用的原料，实施例中所采用的方法，均为本领域的常规方法。
26.以下实施例中，采用的高温合金薄壁点阵结构件为金属3d打印成型的gh4169镍基高温合金薄壁点阵结构件，薄壁厚度约为1mm，其结构如图1所示。
27.实施例1
28.本实施例的淬火工艺在有效加热区间规格为800mm
×
800mm
×
1200mm的卧式真空
热处理炉中进行。将高温合金薄壁点阵结构件置于真空热处理炉内，对真空热处理炉抽真空至1
×
10-3
pa，然后以10℃/min的升温速率将炉温升至950℃，并保温50min，再以1℃/min的升温速率将炉温升至1050℃，并保温50min，然后进行冷却，冷却具体过程为：通入氩气，使得氩气的压力为10bar，并且打开风机，风量控制在6m3/min，控制冷却速率为200℃/min，直到温度降至40℃以下时再出炉。
29.实施例2
30.本实施例的淬火工艺在有效加热区间规格为800mm
×
800mm
×
1200mm的卧式真空热处理炉中进行。将高温合金薄壁点阵结构件置于真空热处理炉内，对真空热处理炉抽真空至2
×
10-3
pa，然后以9℃/min的升温速率将炉温升至900℃，并保温40min，再以2℃/min的升温速率将炉温升至980℃，并保温60min，然后进行冷却，冷却具体过程为：通入氩气，使得氩气的压力为9bar，并且打开风机，风量控制在4m3/min，控制冷却速率为150℃/min，直到温度降至40℃以下时再出炉。
31.实施例3
32.本实施例的淬火工艺在有效加热区间规格为800mm
×
800mm
×
1200mm的卧式真空热处理炉中进行。将高温合金薄壁点阵结构件置于真空热处理炉内，对真空热处理炉抽真空至0.5
×
10-3
pa，然后以5℃/min的升温速率将炉温升至930℃，并保温60min，再以0.5℃/min的升温速率将炉温升至1000℃，并保温40min，然后进行冷却，冷却具体过程为：通入氩气，使得氩气的压力为11bar，并且打开风机，风量控制在8m3/min，控制冷却速率为270℃/min，直到温度降至40℃以下时再出炉。
33.实施例4
34.本实施例的淬火工艺在有效加热区间规格为800mm
×
800mm
×
1200mm的卧式真空热处理炉中进行。将高温合金薄壁点阵结构件置于真空热处理炉内，对真空热处理炉抽真空至1
×
10-3
pa，然后以10℃/min的升温速率将炉温升至900℃，并保温45min，之后进行冷却，冷却具体过程为：通入氩气，使得氩气的压力为10bar，并且打开风机，风量控制在4m3/min，控制冷却速率为180℃/min，直到温度降至40℃以下时再出炉。
35.对比例1
36.对比例1的淬火工艺在有效加热区间规格为800mm
×
800mm
×
1200mm的卧式真空热处理炉中进行。将高温合金薄壁点阵结构件置于真空热处理炉内，对真空热处理炉抽真空至1
×
10-3
pa，然后以10℃/min的升温速率将炉温升至1050℃，并保温50min，之后进行冷却，冷却过程同实施例1。
37.对比例2
38.对比例2的淬火工艺在有效加热区间规格为800mm
×
800mm
×
1200mm的卧式真空热处理炉中进行。将高温合金薄壁点阵结构件置于真空热处理炉内，对真空热处理炉抽真空至1
×
10-3
pa，然后以1℃/min的升温速率将炉温升至1050℃，并保温50min，之后进行冷却，冷却过程同实施例1。
39.对比例3
40.对比例3的淬火工艺在有效加热区间规格为800mm
×
800mm
×
1200mm的卧式真空热处理炉中进行。将高温合金薄壁点阵结构件置于真空热处理炉内，对真空热处理炉抽真空至1
×
10-3
pa，然后以50℃/min的升温速率将炉温升至950℃，并保温50min，再以50℃/min的
升温速率将炉温升至1050℃，并保温50min，然后进行冷却，冷却过程同实施例1。
41.对比例4
42.对比例4的淬火工艺在有效加热区间规格为800mm
×
800mm
×
1200mm的卧式真空热处理炉中进行。将高温合金薄壁点阵结构件置于真空热处理炉内，对真空热处理炉抽真空至1
×
10-3
pa，然后以1℃/min的升温速率将炉温升至950℃，并保温50min，再以1℃/min的升温速率将炉温升至1050℃，并保温50min，然后进行冷却，冷却过程同实施例1。
43.对比例5
44.对比例5的淬火工艺在有效加热区间规格为800mm
×
800mm
×
1200mm的卧式真空热处理炉中进行。将高温合金薄壁点阵结构件置于真空热处理炉内，对真空热处理炉抽真空至1
×
10-3
pa，然后以10℃/min的升温速率将炉温升至950℃，并保温50min，再以10℃/min的升温速率将炉温升至1050℃，并保温50min，然后进行冷却，冷却过程同实施例1.
45.对比例6
46.对比例6的淬火工艺在有效加热区间规格为800mm
×
800mm
×
1200mm的卧式真空热处理炉中进行。将高温合金薄壁点阵结构件置于真空热处理炉内，对真空热处理炉抽真空至1
×
10-3
pa，然后以1℃/min的升温速率将炉温升至950℃，并保温50min，再以10℃/min的升温速率将炉温升至1050℃，并保温50min，然后进行冷却，冷却过程同实施例1。
47.对比例7
48.对比例6的淬火工艺在有效加热区间规格为800mm
×
800mm
×
1200mm的卧式真空热处理炉中进行。将高温合金薄壁点阵结构件置于真空热处理炉内，对真空热处理炉抽真空至1
×
10-3
pa，然后以2℃/min的升温速率将炉温升至950℃，并保温50min，再以8℃/min的升温速率将炉温升至1050℃，并保温50min，然后进行冷却，冷却过程同实施例1。
49.对比例8
50.对比例8与实施例1的区别在于，对比例8的冷却具体过程为：通入氩气，使得氩气的压力为3bar，并且打开风机，风量控制在2m3/min，控制冷却速率为50℃/min，直到温度降至40℃以下时再出炉。其它与实施例1相同。
51.对比例9
52.对比例9与实施例1的区别在于，对比例8的冷却具体过程为：打开风机，风量控制在8m3/min，控制冷却速率为60℃/min，直到温度降至40℃以下时再出炉。其它与实施例1相同。
53.对实施例1-4以及对比例1-9的经过淬火工艺处理的高温合金薄壁点阵结构件进行性能测试，结果如表1所示。
54.表1实施例1-4以及对比例1-9的结构件性能结果
[0055][0056][0057]
从表1中可以看出：对比例1和对比例2在热处理过程未进行阶段保温，对比例1和对比例2的结构件内应力较大，降低了结构件的性能；对比例3至对比例7在热处理过程中采用的升温速率不合适，同样也会降低结构件性能；对比例8冷却过程中，冷却速度较慢，影响淬火效果，对比例9没有通入气体，直接采用风冷，风冷冷却速率有限，同样影响淬火效果。
[0058]
本发明的各方面、实施例、特征应视为在所有方面为说明性的且不限制本发明，本发明的范围仅由权利要求书界定。在不背离所主张的本发明的精神及范围的情况下，所属领域的技术人员将明了其它实施例、修改及使用。
[0059]
在本发明的制备方法中，各步骤的次序并不限于所列举的次序，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，对各步骤的先后变化也在本发明的保护范围之内。此外，可同时进行两个或两个以上步骤或动作。
[0060]
最后应说明的是，本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明作举例说明，而并非对本发明的实施方式进行限定。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，这里无需也无法对所有的实施方式予以全例。而这些属于本发明的实质精神所引申出的显而易见的变化或变动仍属于本发明的保护范围，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

技术特征：
1.高温合金薄壁点阵结构件的淬火工艺，其特征在于，包括以下步骤：将高温合金薄壁点阵结构件置于真空热处理炉内，进行热处理，然后冷却出炉。2.根据权利要求1所述的淬火工艺，其特征在于，所述热处理温度为800～1200℃。3.根据权利要求1所述的淬火工艺，其特征在于，所述热处理温度为900～1100℃。4.根据权利要求1所述的淬火工艺，其特征在于，当热处理温度≤950℃时，所述热处理步骤包括：以1～30℃/min的升温速率将炉温升至热处理温度，并保温30～80min；当热处理温度＞950℃时，所述热处理步骤包括：以第一次升温速率1～30℃/min将炉温升至900～960℃，并保温30～80min；再以第二次升温速率0.5～5℃/min将炉温升至热处理温度，并保温30～80min。5.根据权利要求4所述的淬火工艺，其特征在于，第一次升温速率为1～10℃/min，第二次升温速率为0.5～3℃/min。6.根据权利要求4或5所述的淬火工艺，其特征在于，第二次升温速率小于第一次升温速率。7.根据权利要求1-5任一所述的淬火工艺，其特征在于，热处理过程中控制真空热处理炉内的真空度≤5
×
10-3
pa。8.根据权利要求1-5任一所述的淬火工艺，其特征在于，所述冷却包括以下步骤：通入惰性气体，调节惰性气体的压力为6～12bar；打开风机，风量为2～8m3/min，温度降至40℃以下时再出炉。9.根据权利要求8所述的淬火工艺，其特征在于，冷却过程中，控制冷却速率≥100℃/min。10.根据权利要求1所述的淬火工艺，其特征在于，所述高温合金薄壁点阵结构件由金属3d打印成型。

技术总结
本发明属于材料处理技术领域，涉及高温合金薄壁点阵结构件的淬火工艺，包括以下步骤：将高温合金薄壁点阵结构件置于真空热处理炉内，进行热处理，然后冷却出炉。当热处理温度≤950℃时，以1～30℃/min的升温速率将炉温升至热处理温度，并保温30～80min；当热处理温度＞950℃时，以第一次升温速率1～30℃/min将炉温升至900～960℃，并保温30～80min；再以第二次升温速率0.5～5℃/min将炉温升至热处理温度，并保温30～80min。本发明高温合金薄壁点阵结构件进行真空热处理，于某一温度保温一段时间，有利于消除打印应力，调节内部组织结构。调节内部组织结构。调节内部组织结构。


技术研发人员：郑永健 杨阳 梁力文 丁尧瑶 东野生栓 闫光强 林瞻远 王学鹏 黄其忠 张浩 张学峰
受保护的技术使用者：宁波杭州湾新材料研究院
技术研发日：2023.06.19
技术公布日：2023/10/15