Inconel 718与Rene’41异种高温合金焊接结构件的热处理强化方法
技术领域
本发明涉及镍基高温合金热处理
技术领域
，具体涉及Inconel 718与Rene’41异种高温合金焊接结构件的热处理强化方法。背景技术
镍基高温合金在中高温度下具有优异的性能，Inconel718具有良好的抗疲劳、抗辐射、抗氧化、耐腐蚀性能，及良好的加工性能、焊接性能和长期组织稳定性，已成为航空发动机历史上应用最为广泛的镍基高温合金，Rene’41在650℃～900℃下具有高的拉伸、持久蠕变强度和良好抗氧化性能，在变形后材料具有较好的塑性。Inconel 718、Rene’41是航空发动机涡轮、机匣、叶片等零件常用材料，Inconel718的相近牌号为GH4169、UNS N07718，Rene’41的相近牌号为GH141、UNS N07041，两种高温合金均为固溶时效强化镍基高温合金。固溶强化和时效硬化高温合金焊件一般在固溶或退火状态下焊接，具有较好的焊接性、塑性及致密性，接头强度高，时效硬化合金若需在时效态进行焊接，则存在焊裂和低性能的风险。
国内外对Inconel 718和Rene’41镍基高温合金变形强化热处理已经开展了相关研究，但都是基于单一材料性能研究。另外，由于结构设计原因，常需将异种高温合金零件焊接为结构件使用，而Incone718、Rene’41作为镍基高温合金中常用选材，目前已经开展了Inconel718和Rene’41异种高温合金焊接技术工艺研究，但内容多数是基于对两种高温合金焊接参数及焊缝性能研究，而对异种高温合金固溶或退火态母材焊接后，采用怎样的时效热处理方法达到各自母材时效态性能无相关报道。
发明内容
本发明解决的技术问题是针对异种镍基高温合金，目前还没有有效的热处理方法使焊缝和母材同时满足使用性能要求。
针对上述问题，本发明提供Inconel 718与Rene’41异种高温合金焊接结构件的热处理强化方法，包括如下步骤：
(1)对Inconel 718高温合金进行固溶热处理；
(2)对Rene’41高温合金进行固溶热处理+时效热处理；
(3)采用氩弧焊对固溶态Inconel 718与时效态Rene’41进行焊接，再对焊接结构件进行时效热处理。其中，焊接结构件包括母材和焊接接头。
进一步的，步骤1固溶热处理的温度为941～1010℃，1h，空冷至室温。
进一步的，步骤2固溶热处理的温度为1079℃，1h，空冷至室温。
进一步的，步骤2时效热处理的温度为760℃，15～17h，空冷至室温。
进一步的，步骤3时效热处理制度为718℃～760℃，保温8h，以48～64℃/h炉冷却至621℃～649℃，保温8小时，空冷至室温。
其中，焊接采用氩弧焊。
其中，Inconel 718合金可替换采用GH4169或UNS N07718。
其中，Rene’41合金可替换采用GH141或UNS N07041。
本发明所产生的有益效果为：
与现有单合金热处理强化方法以及现有异种高温合金焊接工艺相比，本发明热处理方法使Inconel 718和Rene’41焊接结构件性能最终同时满足母材和焊缝标准的力学性能要求；
本发明操作简单，执行方便，应用前景广阔，可为异种高温合金焊接结构件在航空发动机设计与制造中的应用提供技术方法。
具体实施方式
在实际生产过程中，设计结构采用高温合金制造零部件，主要是考虑了高温合金在固溶时效强化后，具有较好的力学性能和耐高温性能，需材料在达到时效强化后的性能才满足零件使用要求。本发明提供的一种热处理方法，是在Inconel 718和Rene’41异种高温合金焊接前后，采用相应的热处理方法使各母材满足各自时效强化性能要求，同时焊缝也满足相应的力学性能要求，对航空发动机异种高温合金焊接结构件的使用具有实用意义。
本发明对于焊接工艺没有特殊限制，优选采用氩弧焊。
作为优选的实施方式，焊接错边量不大于0.3mm，装配间隙不大于0.5mm，焊缝的宽度和余高不应超过焊缝尺寸的75％，焊缝上不应存在裂纹、夹渣、弧坑、烧穿等。
作为优选的实施方式，焊接前，清理待焊处表面(抛光或酸洗或酒精丙酮擦拭)，采用手工氩弧焊机进行装配定位焊，再用自动氩弧焊机进行焊接，焊接后，采用荧光、x光方法检测焊缝质量，合格后进行热处理。
作为优选的实施方式，本发明焊接后，冷却至室温，再进行时效处理。
由于本发明异种合金不仅限于Inconel 718和Rene’41，那么在固溶或时效处理中的具体热处理制度可根据不同的合金进行常规调整。
实施例1
将Inconel 718高温合金进行固溶热处理，在980℃热透后保温1小时，空冷至室温；将Rene’41高温合金进行固溶+时效热处理，在1079℃热透后保温1h，空冷至室温，在760℃热透后保温16小时，空冷至室温；采用氩弧焊对接接头将固溶态Inconel 718与时效态Rene’41进行焊接后进行时效处理，在760℃热透后，保温8小时，炉冷至633℃，保温8小时，空冷至室温。
实施例2
将Inconel 718高温合金进行固溶热处理，在960℃热透后保温1小时，空冷至室温；将Rene’41高温合金进行固溶+时效热处理，在1079℃热透后保温1h，空冷至室温，在760℃热透后保温16小时，空冷至室温；采用氩弧焊对接接头将固溶态Inconel 718与时效态Rene’41进行焊接后进行时效处理，在730℃热透后，保温8小时，炉冷至633℃，保温8小时，空冷至室温。
实施例3
将Inconel 718高温合金进行固溶热处理，在945℃热透后保温1小时，空冷至室温；将Rene’41高温合金进行固溶+时效热处理，在1079℃热透后保温1h，空冷至室温，在760℃热透后保温16小时，空冷至室温；采用氩弧焊对接接头将固溶态Inconel 718与时效态Rene’41进行焊接后进行时效处理，在720℃热透后，保温8小时，炉冷至633℃，保温8小时，空冷至室温。
对比例1
将Inconel 718高温合金进行固溶+时效热处理，在980℃热透后保温1小时，空冷至室温，在730℃热透后，保温8小时，炉冷至633℃，保温8小时，空冷至室温；将Rene’41高温合金进行固溶+时效热处理，在1079℃热透后保温1h，空冷至室温，在760℃热透后保温16小时，空冷至室温；将时效态Inconel 718与时效态Rene’41进行氩弧焊对接接头焊接。
对比例2
将Inconel 718高温合金进行固溶热处理，在980℃热透后保温1小时，空冷至室温；将Rene’41高温合金进行固溶热处理，在1079℃热透后保温1h，空冷至室温；采用氩弧焊将固溶态Inconel 718与固溶态Rene’41进行对接接头焊接后，再对母材和接头进行时效处理，760℃热透后保温16小时，空冷至室温。
性能测试例
本发明室温拉伸试验方法采用ASTM E8/E8M，硬度试验方法采用ASTM E10，高温拉伸试验方法采用ASTM E21，高温持久试验方法采用ASTM E292。
表1为经过不同热处理方法得到的Inconel 718母材性能，从表1可见施例1～3中Inconel 718焊接前经过固溶处理，焊接后经过时效处理后性能满足验收要求，对比例2中Inconel 718室温拉伸屈服强度不满足验收要求。
表2为经过不同热处理方法得到的Rene’41母材性能，从表2可见施例1～3中Rene’41经过双时效后性能满足验收要求。
不同材料组合焊接时，对接接头的抗拉强度按强度较低的母材计算，焊接后Ⅱ类对接接头抗拉强度不低于母材技术条件规定的强度极限下限的90％，即Inconel 718和Rene’41异种高温合金焊接后抗拉强度要求≥1054.8MPa(1172MPa×90％)。表3为经过不同热处理方法得到的接头抗拉强度，从表3可见施例1～3接头抗拉强度满足标准要求，并且实施例1-3焊接后，焊缝熔合区金相组织无密集氧化物和夹杂物，Ⅱ级焊缝X射线检测及荧光检测合格，对比例1中两种高温合金时效后焊接接头抗拉强度不满足验收要求。
表1 Inconel 718母材性能
表2 Rene’41母材性能
表3 接头抗拉强度
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明,不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。在不脱离本发明构思的前提下,其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。
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