一種高溫合金材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高溫合金材料及其制備方法，該合金材料的成分按重量百分比為：C：0.02～0.10，Cr：18.0～21.0，Mo：3.50～5.00，Co：12.0～15.0，Ti：2.75～3.25，Al：1.20～1.60，Zr：0.02～0.08，B：0.003～0.010，余量是Ni及雜質(zhì)。該合金材料的制備包括按所需成分配比原料、真空感應(yīng)熔煉、電渣重熔、鍛造四個(gè)步驟。該合金的力學(xué)性能顯著，對(duì)其進(jìn)行熱處理后，進(jìn)行室溫(25℃)拉伸試驗(yàn)，其抗拉強(qiáng)度≥1210Mpa；屈服強(qiáng)度≥830Mpa；伸長(zhǎng)率≥14％；斷面收縮率≥18％，進(jìn)行高溫(540℃)拉伸試驗(yàn)，其抗拉強(qiáng)度≥1070Mpa；屈服強(qiáng)度≥720Mpa；伸長(zhǎng)率≥14％；斷面收縮率≥18％，進(jìn)行高溫(730℃和815℃)持久試驗(yàn)，載荷分別為550Mpa和295Mpa，其持久斷裂時(shí)間均≥23h；伸長(zhǎng)率均≥8％。本發(fā)明制備的高溫合金材料能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)部件工作環(huán)境的使用要求。
【專利說明】一種高溫合金材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高溫合金材料，尤其涉及一種用于使用溫度不高于815°C的航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件的N1-Co-Cr系高溫合金材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]高溫合金材料是現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片必須的重要材料，而航空發(fā)動(dòng)機(jī)用渦輪葉片材料的使用溫度每年以約8°C的速度穩(wěn)定增長(zhǎng)，高溫合金的發(fā)展目標(biāo)就是要提高使用溫度以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)效率和推力不斷提出的要求。
[0003]航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件的工作環(huán)境對(duì)材料提出了苛刻的使用要求。首先是高溫，航空噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)從壓氣機(jī)到尾噴管，各零部件在一定溫度下工作，有些零件要在800°C以上的條件下長(zhǎng)期工作。其次是高應(yīng)力，一些高溫部件，由于震動(dòng)、氣流的沖刷，特別是旋轉(zhuǎn)造成的離心作用，將承受較大的應(yīng)力，如渦輪葉片的應(yīng)力可達(dá)300~409Mpa。再次是氧化和腐蝕等化學(xué)作用，燃?xì)庵写嬖诖罅康难?、水氣，并存在SO2、H2S等腐蝕性氣體，都對(duì)高溫零件起氧化和腐蝕作用。而且，隨著航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，推重比的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)部件的工作環(huán)境日益苛刻，以渦輪進(jìn)口溫度為例，現(xiàn)役機(jī)種為1600K左右，在研機(jī)種達(dá)到1850~1950K，預(yù)研機(jī)種將高達(dá)2250~2350K。發(fā)展更高推重比的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，首要任務(wù)是研制使用性能優(yōu)異的高溫材料。
[0004]航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)高溫材料的基本要求主要是: [0005]1、較高的熱穩(wěn)定性，即高溫下的抗腐蝕(主要是抗氧化)能力；
[0006]2、高的熱強(qiáng)度；
[0007]3、良好的工藝性能。
[0008]Ni基高溫合金是一種在650~1000°C范圍內(nèi)具有較高的強(qiáng)度和良好的抗氧化、抗燃?xì)飧g能力的高溫合金，其化學(xué)成分復(fù)雜，對(duì)成分含量的控制尤為苛刻，特別是一些雜質(zhì)元素，一般要求控制其含量在數(shù)個(gè)PPm之下，因此電渣重熔技術(shù)就成為制備高溫合金的關(guān)鍵精煉工藝之一，它是制約合金純凈度的核心工序。電渣重熔是利用電流通過熔渣所產(chǎn)生的熱進(jìn)行金屬精煉的方法。預(yù)先將被熔煉的金屬制成電極，當(dāng)電流通過電極與水冷結(jié)晶器之間時(shí)，可使熔渣產(chǎn)生高溫，按一定的速度將金屬電極送入熔渣，在其中逐步熔化、沉積、凝固而成鑄錠。熔化過程中，金屬熔液被熔渣有效凈化。在金屬凝固過程中，能造成有利的結(jié)晶方向，使鑄件的性能有很大提聞。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明提供一種用作航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件的高溫合金材料，能夠滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件在其工作環(huán)境下的使用要求。
[0010]本發(fā)明提供的高溫合金材料的成分按重量百分比計(jì)包括:
[0011]C:0.02 ~0.10, Cr:18.0 ~21.0,Mo:3.50 ~5.00, Co:12.0 ~15.0, Ti:2.75 ~
3.25, Al:1.20 ~1.60, Zr:0.02 ~0.08, B:0.003 ~0.010，余量是 Ni 及不可避免的雜質(zhì)；[0012]所述雜質(zhì)成分的組成及含量(重量百分比計(jì))為:P <0.015，S ^ 0.015,Fe ^ 2.00, Si ^ 0.15，Mn≤ 0.10，Cu≤ 0.10，Pb≤ 0.0005，Bi ( 0.00003，Se ( 0.0003，Ag ^ 0.0005。
[0013]本發(fā)明提供的高溫合金材料的制備方法包括以下步驟:
[0014](I)按配比取所需成分加入真空感應(yīng)爐中，抽真空至0.1Pa，在溫度為1440~1460°C下熔煉成合金熔液，將合金熔液澆注在模具中，然后隨爐冷卻至室溫即得到合金材料鑄件；
[0015] (2)將步驟⑴中得到的鑄件作為自耗電極，將自耗電極緩慢下降并插入電渣爐中，通電起弧后，調(diào)節(jié)重熔電壓和重熔電流，自耗電極的端部緩慢熔融形成金屬熔滴，熔滴從自耗電極的端頭脫落，穿過渣池進(jìn)入金屬熔池，在水冷結(jié)晶器的強(qiáng)制冷卻下形成重熔電洛錠；
[0016](3)將電渣錠加熱至1160~1180°C，保溫2~3小時(shí)后鍛造成鋼棒，將鍛造成的鋼棒空冷至室溫，將所得鋼棒表面車光處理后得到成品合金材料。
[0017]優(yōu)選的是，所述重熔電壓為54-58V，重熔電流為6700-7300A。
[0018]優(yōu)選的是，所述水冷結(jié)晶器的強(qiáng)制冷卻溫度為45_50°C。
[0019]優(yōu)選的是，所述鍛造使用的設(shè)備是2000MN壓機(jī)和3/4T電液錘中的一種。
[0020]本發(fā)明提供的高溫合金材料進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試前的熱處理方法包括以下步驟:
[0021](a)將合金材料加熱到1000-1040°C，保溫4小時(shí)后水冷至室溫；
[0022](b)將步驟(a)得到的合金材料加熱到835_855°C，保溫4小時(shí)后空冷至室溫；
[0023](c)將步驟(b)得到的合金材料加熱到750_770°C，保溫16小時(shí)后空冷至室溫。
[0024]本發(fā)明的技術(shù)效果:
[0025]采用上述材料及相應(yīng)工藝方法制備的高溫合金材料，經(jīng)熱處理后進(jìn)行室溫拉伸、高溫拉伸和高溫持久試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如下:
[0026]表1室溫(25°C )拉伸試驗(yàn)
【權(quán)利要求】
1.一種高溫合金材料，其特征在于:所述高溫合金材料的成分按重量百分比計(jì)包括:C:0.02 ~0.10，Cr:18.0 ~2L O, Mo:3.50 ~5.00, Co:12.0 ~15.0, Ti:2.75 ~3.25，Al:1.20~1.60, Zr:0.02~0.08, B:0.003~0.010，余量是Ni及不可避免的雜質(zhì)； 所述雜質(zhì)成分的組成及含量(重量百分比計(jì))為:P≤0.015，S ≤0.015，F(xiàn)e≤2.00，Si ≤ 0.15,Mn ≤ 0.10, Cu ≤ 0.10, Pb ≤ 0.0005, Bi ≤ 0.00003, Se≤ 0.0003，Ag≤ 0.0005。
2.—種權(quán)利要求1所述的高溫合金材料的制備方法，其特征在于包括以下步驟: (1)按配比取所需成分加入真空感應(yīng)爐中，抽真空至0.1Pa，在溫度為1440~1460°C下熔煉成合金熔液，將合金熔液澆注在模具中，然后隨爐冷卻至室溫即得到合金材料鑄件； (2)將步驟⑴中得到的鑄件作為自耗電極，將自耗電極緩慢下降并插入電渣爐中，通電起弧后，調(diào)節(jié)重熔電壓和重熔電流，自耗電極的端部緩慢熔融形成金屬熔滴，熔滴從自耗電極的端頭脫落，穿過渣池進(jìn)入金屬熔池，在水冷結(jié)晶器的強(qiáng)制冷卻下形成重熔電渣錠； (3)將電渣錠加熱至1160~1180°C，保溫2~3小時(shí)后鍛造成鋼棒，將鍛造成的鋼棒空冷至室溫，將所得鋼棒表面車光處理后得到成品合金材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述高溫合金材料的制備方法，其特征在于所述重熔電壓為54-58V，重熔電流為 6700-7300A。
4.根據(jù)權(quán)利要求 2所述高溫合金材料的制備方法，其特征在于所述水冷結(jié)晶器的強(qiáng)制冷卻溫度為45-50°C。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述高溫合金材料的制備方法，其特征在于所述鍛造使用的設(shè)備是2000MN壓機(jī)和3/4T電液錘中的一種。
6.一種權(quán)利要求1所述的高溫合金材料進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試前的熱處理方法，其特征在于包括以下步驟: (a)將合金材料加熱到1000-1040°C，保溫4小時(shí)后水冷至室溫； (b)將步驟(a)得到的合金材料加熱到835-855°C，保溫4小時(shí)后空冷至室溫； (c)將步驟(b)得到的合金材料加熱到750-770°C，保溫16小時(shí)后空冷至室溫。
【文檔編號(hào)】C22C19/05GK103924126SQ201410167953
【公開日】2014年7月16日 申請(qǐng)日期:2014年4月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月24日
【發(fā)明者】廖云虎 申請(qǐng)人:四川六合鍛造股份有限公司