本發(fā)明涉及一種高性能鈷基高溫合金刷絲材料，具體用于制造抗高溫耐磨性、抗高溫耐蝕性、抗氧化性和高強(qiáng)度的刷絲材料，屬于材料加工技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

刷式密封是一種用于發(fā)動機(jī)、汽輪機(jī)以及蒸汽機(jī)等透平機(jī)械關(guān)鍵部分的空氣密封裝置，主要由刷環(huán)和與其對應(yīng)配套的跑道構(gòu)成。其中，刷環(huán)主要由前板、背板及夾持在兩者之間直徑為0.06~0.3mm左右的致密刷絲焊接組成，是空氣系統(tǒng)篦齒密封最好的替代結(jié)構(gòu)，其中刷絲是刷式密封裝置中最為重要的材料部分，要求刷絲在使用過程中具有很好的耐磨性、耐腐蝕性和很高的強(qiáng)度以及高溫下的性能。

在大功率透平機(jī)械中，密封泄漏是空氣動力損失的主要來源。GE和CROSS公司的報(bào)告認(rèn)為，由于密封失效導(dǎo)致的級間能量損失比例可以達(dá)到1/3，Chupp等報(bào)告密封泄漏導(dǎo)致汽輪機(jī)效率損失的比例高達(dá)22%左右，美國路易斯研究中心的報(bào)告認(rèn)為先進(jìn)的密封技術(shù)可以減少商用發(fā)動機(jī)10%的燃油消耗量。刷式密封是近幾十年發(fā)展起來的新的密封，它的泄漏量相當(dāng)于傳統(tǒng)的迷宮密封的1/5~1/10，可以顯著提高透平機(jī)械的效率和可靠性，降低燃油量，因此受到國內(nèi)外廣泛的關(guān)注。國內(nèi)外學(xué)者對刷絲材料的研究不斷的深入，研發(fā)了多種基體的刷絲材料（例如鐵基、鎳基、鈷基等），應(yīng)用溫度范圍廣，能夠適應(yīng)不同溫度條件，廣泛的應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)、發(fā)動機(jī)以及航空發(fā)動機(jī)等，大大提高了效率、降低了損耗。針對刷式密封，高溫合金要滿足以下需求： 1）加工性能，由于刷式密封用高溫合金直徑較小，通常僅為0.06~0.3mm，過高的強(qiáng)度不利于絲材的加工成型，因此設(shè)計(jì)合金時(shí)既要考慮高溫強(qiáng)度，又必須滿足其加工成型性能；2）焊接性能，通常高溫合金刷絲是通過焊接技術(shù)制成刷環(huán)，因而高溫合金必須具有優(yōu)異的焊接性能；3）耐高溫腐蝕和摩擦磨損性能，由于高溫合金使用環(huán)境通常是高溫、潮濕以及摩擦相耦合的條件，因此高溫合金必須具有優(yōu)異的耐高溫性能。

鈷基高溫合金GH5605是刷式密封用高溫合金之一，目前存在的主要問題是高溫強(qiáng)度偏低，同時(shí)高溫耐腐蝕性能差，因而如何提高高溫合金高溫強(qiáng)度，同時(shí)不惡化其成型性能并改善高溫耐腐蝕性能是亟需解決的問題。

綜上所述，合理的合金元素的添加及配比，與之相匹配的加工制備工藝、熱處理工藝尤為重要，需要對合金制造方法進(jìn)行合金成分的優(yōu)化以及工藝技術(shù)的創(chuàng)新與改進(jìn)，以提高材料質(zhì)量及成材率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提正是針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，提供一種高性能鈷基高溫合金刷絲材料，該材料抗高溫耐磨性、抗高溫耐蝕性、抗氧化性，并且具有較高強(qiáng)度，即選用合適的合金成分配比以及相對應(yīng)的加工制備工藝和熱處理工藝，通過對合金強(qiáng)化元素的適量添加、改進(jìn)加工制備工藝，極大的強(qiáng)化合金性能、提高組織均勻性、細(xì)化晶粒、降低缺陷、改善夾雜，提高了合金的成材率。同時(shí)，在不改變合金塑性前提下應(yīng)盡可能的提高合金的綜合性能。該合金絲通過合理的成分控制及合金元素添加，制備期間通過改進(jìn)冶煉工藝、降低熔煉缺陷、改善組合熱變形加工技術(shù)、精確控制熱處理及拉拔參數(shù)、分級固溶、分級時(shí)效、控制彌散相的分布大小形態(tài)、組織均勻性，從而具有較高的成材率以及較好的抗高溫耐磨性、抗高溫耐蝕性、抗氧化性和較高的強(qiáng)度。作為刷密封的刷絲材料，可以有效改善刷密封的密封效果和提高使用壽命。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種高性能鈷基高溫合金刷絲材料，其特征在于，所述刷絲材料的成分及其質(zhì)量百分比如下：C 0.02-0.1%，Al 1~1.5%，Ti 0.5~2%，B 0.003~0.01%，W 10~14%，Cr 9~11%，Ni 17~25%，余量是Co以及不可避免的雜質(zhì)。

作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，該刷絲材料的制備方法包括以下步驟：

1）將Ni、Cr、Co、W、Al、Ti、C、B按照比例配料，放入熔煉爐中進(jìn)行熔煉，高溫精煉30~45min，溫度為1750~1850℃，低溫精煉15~25min，溫度為1600~1750℃，再采用重熔進(jìn)行進(jìn)一步的精煉，澆鑄成合金錠；

2）對合金錠退火后進(jìn)行鍛造、軋制，制備成合金盤條；

3）對合金盤條預(yù)處理后進(jìn)行多道次的拉拔-退火，加工成所需尺寸的合金刷絲；

4）對合金刷絲進(jìn)行固溶-時(shí)效處理。

作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，步驟1）中所述的熔煉為真空感應(yīng)爐熔煉或真空電弧爐熔煉；步驟1）中所述的重熔為電渣重熔、等離子重熔、電子束重熔方法中的一種。

作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，所述步驟2）所述的退火為均勻化退火，緩慢加熱到800~950℃，保溫2~5h；步驟2）中所述鍛造工藝為在950~1100℃下，開坯鍛造成合金坯1，經(jīng)下料、氧化皮砂磨以及缺陷處理，再將合金坯在950~1200℃回火加熱1h~2h后，950~1100℃下鍛造成合金坯2；

作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，步驟2）中所述的軋制工藝為在1000~1150℃下保溫0.5~1.5h， 950~1200℃下熱軋成Φ8~20mm的合金盤條。

作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，步驟3）中所述的預(yù)處理為將合金盤條加熱到900~1000℃保溫1h~2h，油冷進(jìn)行軟化處理，然后在500~600℃下堿煮5~15min，接著高壓水洗，水洗后酸洗，酸洗池溫度為60~100℃，接著再超聲清洗。

作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，所述步驟3）中拉拔工藝前添加潤滑劑，再多道次拉拔加工，得到合金絲；步驟3）中所述退火為在進(jìn)行6~12 道次的拉拔之后要進(jìn)行真空退火，退火溫度為800~950℃；步驟3) 中制得的合金刷絲的尺寸為Φ0.08~0.4mm。

作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，步驟4）中所述的固溶為加熱至1000~1100℃，保溫0.5~1.5h，繼續(xù)加熱至1200~1350℃，保溫1~2h，快速油淬得到固溶態(tài)合金。

作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，步驟4）中所述的時(shí)效為加熱至950~1100℃下，保溫3~8h，空冷，再加熱至750~850℃下，保溫20~30h，空冷。

相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下：

1）高溫性能好，本合金通過優(yōu)化合金成分，尤其是加入適量的B強(qiáng)化晶界，提高合金絲材的強(qiáng)度和性能，同時(shí)基于電子空穴理論和晶格匹配度分析優(yōu)化合金成分，避免不利相的析出，高溫性能優(yōu)良；

2）焊接性能優(yōu)異，高溫合金焊接性能與Al、Ti含量密切相關(guān)，本刷絲合金通過優(yōu)化Al、Ti含量以及之間的比值，焊接性能優(yōu)異；

3）耐腐蝕性能好，合金通過優(yōu)化Al:Ti比，改善鈍化膜的組分，大大提高高溫合金的耐腐蝕性能；

4）成型性能好，本高溫合金采用優(yōu)化成分并結(jié)合后期熱處理工藝有效改善合金的加工成型性能，有利于加工成刷絲；

5）該合金絲有害雜質(zhì)低，內(nèi)部缺陷少，有效降低碳化物的析出與偏聚。改進(jìn)合金熔煉工藝，采用真空高溫精煉去除和降低有害雜質(zhì)、真空低溫精煉降低氣體含量，提高合金的純凈度及可塑性。增加電渣重熔或等離子重熔或電子束重熔，改傳統(tǒng)的單聯(lián)冶金為雙聯(lián)冶金，合金中的非金屬夾雜、氣體和硫含硫量顯著減少，合金純度進(jìn)一步提高，力學(xué)性能得到很大的改善；

6）該合金鍛造過程表面裂紋少，塑性好，成材率高。改傳統(tǒng)單一自由鍛造為組合式多次鍛造避免了裂紋產(chǎn)生的隨機(jī)性，合理控制鍛造比，鍛造成功率大幅提高，表面裂紋減少，改善碳化物分布，破碎細(xì)化組織，提高鍛造件的品質(zhì)；

7）該合金絲晶粒細(xì)小均勻，組織均勻，合金中γ′相體積分?jǐn)?shù)較高，顆粒尺寸合適。采用分級固溶處理，使合金成分均勻化，從而有利于進(jìn)一步提高合金初融溫度，然后繼續(xù)提高固溶溫度和延長固溶時(shí)間，使合金成分分布更為均勻。采用分級時(shí)效處理，一次時(shí)效在較高溫度下進(jìn)行，主要控制一次γ′析出相的大小，減輕服役過程中合金析出相的粗化，二次時(shí)效溫度較低，進(jìn)一步調(diào)整強(qiáng)化相的大小、數(shù)量和分布，合金中既有粗大的γ′相又有細(xì)小的γ′相彌散析出，使合金具有最佳的綜合性能。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合說明書發(fā)明內(nèi)容用實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明，但所述實(shí)施例僅用于本發(fā)明而不是限制本發(fā)明。

實(shí)施例1：

一種高性能鈷基高溫合金刷絲材料，該刷絲合金的成分及其質(zhì)量百分比為：C 0.08%，Al 1.2%，Ti 1.5%，B 0.005%，W 12%，Cr 10%，Ni 22%，Co為余量，尺寸為Φ0.2mm。

上述高性能鈷基高溫合金刷絲材料的制備方法步驟如下：

1）按重量分?jǐn)?shù)稱取Ni錠、Cr錠、Co錠、Ni80Al20（其中，Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%，Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%）、Ni50Ti50（其中Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%，Ti的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%）錠放入50kg真空感應(yīng)爐中進(jìn)行熔煉，熔煉溫度為1750~1850℃，精煉35min；然后在充入10kPa氬，添加微量C、B攪拌熔化，1550~1650℃下，第二次精煉20分鐘，去除有害雜質(zhì)、降低氣體含量和非金屬夾雜，在真空下靜置澆鑄成合金電極棒；將電極棒進(jìn)行表面砂磨或車削去皮處理，進(jìn)行電渣重熔，降低合金中夾雜物及元素偏析等冶金缺陷。

2）對合金錠進(jìn)行鍛造、軋制：

首先對電渣重熔合金錠進(jìn)行均勻化退火，緩慢加熱到1050℃，保溫5h。然后在950~1100℃下，開坯鍛造成合金坯，隨后進(jìn)行下料、砂磨去氧化皮及缺陷砂磨精整處理，再將合金坯回爐1100℃左右保溫2h，在950~1000℃再次鍛造。在進(jìn)行軋制，在1100℃溫度下保溫1h， 1050~1150℃下熱軋成Φ12mm的合金盤條；

3）對合金盤條進(jìn)行拉拔-退火：

將合金盤條加熱到950保溫1h，油冷進(jìn)行軟化處理，然后在500℃下堿煮10min，接著高壓水洗，水洗后酸洗，酸洗池溫度為60~100℃，接著采用丙酮對合金盤條進(jìn)行超聲清洗，添加潤滑劑，進(jìn)行多道次拉拔加工，每經(jīng)6~12道次拉拔后要進(jìn)行真空退火，退火溫度為750℃，總共經(jīng)過50道次的拉拔得到Φ0.2mm 的合金絲；

4）對合金絲進(jìn)行固溶-時(shí)效處理：

將合金絲加熱至1050℃，保溫1h，繼續(xù)加熱至1150℃，保溫2h，快速油淬得到固溶態(tài)合金。接著將固溶態(tài)合金，加熱至1000℃下，保溫5h，空冷，再加熱至850℃，保溫25h，空冷后即得所述的合金刷絲。

實(shí)施例2

一種高性能鈷基高溫合金刷絲材料，該刷絲合金的成分及其質(zhì)量百分比為：C 0.05%，Al 1 %，Ti 1.5%，B 0.008%，W 14%，Cr 10%，Ni 23%，Co為余量，尺寸為Φ0.2mm。

上述高性能鈷基高溫合金刷絲材料的制備方法步驟如下：

1）按比例稱取Ni錠、Cr錠、Co錠、Ni50Ti50（其中，Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%，Ti的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%）錠放入50kg真空感應(yīng)爐中進(jìn)行熔煉，熔煉溫度為1750~1850℃，精煉30min；然后在充入12kPa氬，添加微量C、B攪拌熔化，1550~1650℃下，第二次精煉25min，去除有害雜質(zhì)、降低氣體含量和非金屬夾雜，在真空下靜置澆鑄成合金棒；將電極棒進(jìn)行表面砂磨或車削去皮處理，進(jìn)行電子束重熔，降低合金中夾雜物及元素偏析等冶金缺陷，進(jìn)一步提高合金性能；

2）對合金錠進(jìn)行鍛造、軋制：

首先對電渣重熔合金錠進(jìn)行均勻化退火，緩慢加熱到1100℃，保溫4.5h。然后在950~1000℃下，開坯鍛造成合金坯，隨后進(jìn)行下料、砂磨去氧化皮及缺陷砂磨精整處理，再將合金坯回爐1050℃左右保溫2.5h，在950~1000℃再次鍛造。在進(jìn)行軋制，在1050℃溫度下保溫1.5h， 1050~1150℃下熱軋成Φ10mm的合金盤條；

3）對合金盤條進(jìn)行拉拔-退火：

將合金盤條加熱到980保溫1h，油冷進(jìn)行軟化處理，然后在500℃下堿煮10min，接著高壓水洗，水洗后酸洗，酸洗池溫度為60~100℃，接著采用丙酮對合金盤條進(jìn)行超聲清洗，添加潤滑劑，進(jìn)行多道次拉拔加工，每經(jīng)6~12道次拉拔后要進(jìn)行真空退火，退火溫度為780℃，總共經(jīng)過50道次的拉拔得到Φ0.15mm 的合金絲；

4）對合金絲進(jìn)行固溶-時(shí)效處理：

將合金絲加熱至1080℃，保溫1h，繼續(xù)加熱至1160℃，保溫2h，快速油淬得到固溶態(tài)合金。接著將固溶態(tài)合金，加熱至1020℃，保溫5h，空冷，再加熱至780℃，保溫27h，空冷后即得所述的合金刷絲。

需要說明的是上述實(shí)施例僅僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不是用來限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，在上述基礎(chǔ)上作出的等同替換或者替代均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍，本發(fā)明的保護(hù)范圍以權(quán)利要求書為準(zhǔn)。