CN100396806C - 一种高温模具用镍基铸造高温合金 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种高温模具用镍基铸造高温合金，其特征在于：该合金的化学成分及其质量百分比为：Co 9.0～12.0%；Al 5.0～6.5%；Cr 2.5～3.5%；Ti 0.5～1.5%；W 13.0～14.5%；Mo 1.5～2.5%；Nb 0.8～1.5%；Ta 2.0～5.0%；Hf 0.3～1.5%；C 0.07～0.18%；B 0.01～0.02%；Y≤0.01%，余量为镍，本发明技术方案所述高温模具用镍基铸造高温合金不仅具有良好的高温强度和塑性，而且具有优越的高温抗氧化性能、热疲劳性能以及良好的高温组织稳定性，同时加工成型性能优良，可用作大型高温模具或其它高温结构材料。
Description
技术领域
本发明是一种高温模具用镍基铸造高温合金，属金属材料领域
背景技术
等温变形是高温结构材料制件的主要成型工艺，而等温锻造工艺的关键技术之一是模具材料。镍基粉末高温合金，如Rene′95、Rene′88DT、CH-98等合金的变形温度都在1050℃以上，而更先进的金属间化合物(TiAl等)的变形温度在1100℃以上，所以对1050℃以上温度使用的等温锻造模具材料的研究与应用是国内外相关专业共同关心的方向。
国内外研究开发了大量的高温合金模具，使用温度在1000℃以下的有欧美的IN100、MAR-M-200、X-40、Udimet 700、Inconel713C合金，俄罗斯的ЖС6К、ЖС6У、ИЩв-1、ИЩв-2、Л114合金以及中国的K3、K465合金等。对于使用温度在1000℃以上的高温模具材料，欧美采用钼基合金，其变形温度可达到1200℃[4]，应变速率为10-3-10-2s-1，已经批量生产以IN100、Rene′95、Rene′88DT镍基合金为主的涡轮盘。但钼基合金(TZM)模具要求真空条件，需要建立完善的全封闭等温锻造设备，投资巨大。据称，俄罗斯采用1050-1200℃大气下使用的模具材料，但具体的合金成分以及高温力学性能未见报道，如ИЩв-31合金，使用温度达1080℃，该温度下的平均氧化速率为0.14g/m2·h；而ИЩв-17合金的使用温度达1150℃，该温度下的平均氧化速率为0.24g/m2·h，其模具用于制造ЭП975合金粉末盘。国内目前只有K21合金的使用温度能超过1000℃，在大气下使用，其极限使用温度为1050℃。
目前我国先进航空发动机均采用粉末涡轮盘路线，国内第二代粉末合金FGH96的变形温度为1070℃左右，同时由于全封闭等温锻设备造价昂贵，不适合我国国情，因此急需1050℃以上大气下使用的高温模具材料，以满足大直径粉末涡轮盘等温锻造的要求。
发明内容
本发明的目的正是针对上述情况，设计提供了一种能在1050-1100℃大气下使用的高温模具材料，同时具有优越的高温强度、抗氧化性能和热疲劳性能，以满足粉末镍基涡轮盘以及更先进的金属间化合物(TiAl等)等温成形的需要。
对高温模具材料而言，最主要的性能是高温强度和高温抗氧化性能，其次热疲劳性能也很重要，同时还应具备良好的加工成形工艺性能。针对上述目的，本发明的主要技术方案是采取复杂合金化，难熔元素总量达到20wt％左右，加入Cr、Ta、Y等对抗氧化性能有益的元素，以便使合金具有良好的综合性能。
本发明技术方案是通过以下措施来实现的：
该种高温模具用镍基铸造高温合金，其特征在于：其合金的化学成分及其质量百分比为：Co 9.0～12.0％；Al 5.0～6.5％；Cr 2.5～3.5％；Ti0.5～1.5％；W 13.0～14.5％；Mo 1.5～2.5％；Nb 0.8～1.5％；Ta 2.0～5.0％；Hf 0.3～1.5％；C 0.07～0.18％；B 0.01～0.02％；Y≤0.01％，余量为镍。在此基础上，该合金中难熔元素W、Mo、Nb、Ta的质量百分比之和W+Mo+Nb+Ta为：18％≤W+Mo+Nb+Ta≤23％。
该合金的显微组织主要由γ、γ′、MC以及极少量初生M6C相组成。在上述成分中，Mo、W、Nb、Ta等高熔点元素固溶强化基体γ相和γ′相；Al、Ti、Nb、Ta、Hf等形成γ′相及少量的碳化物进行第二相强化；C、B等元素进行晶界强化；Al、Cr是最重要的抗氧化元素；同时添加微量Y以细化组织和改善抗氧化性能；Ta不但对改善抗氧化性能也很有益处，而且能够改善MC碳化物的形态；适量Hf的存在有利于改善合金铸造工艺性能；Co对抑制大块初生M6C相有利，能改善合金的显微组织，同时对铸造性能和疲劳性能也有好处。
通过试验研究表明，在上述成分范围内该合金具有良好的综合性能。该合金1050℃拉伸屈服强度在500MPa左右，延伸率在4％以上；1100℃拉伸屈服强度也达到390MPa，均明显高于K21合金(1050℃拉伸屈服强度418MPa，1100℃时为330MPa)；该合金1050℃压缩屈服强度达690MPa，1100℃压缩屈服强度为600MPa，远高于K21合金；该合金具有良好的高温持久性能，1100℃/70MPa下的持久寿命为200h左右，比K21合金(1100℃/70MPa下的持久寿命为100小时左右)几乎高出一倍；该合金高温抗氧化性能优越，按照HB5258-2000的规定，该合金1050℃抗氧化性能达到完全抗氧化级，1100℃抗氧化性能为抗氧化级，而K21合金1050℃抗氧化性能为抗氧化级，因此该合金1050℃抗氧化性能比K21合金的高一个数量级；该合金的1050℃热疲劳性能也明显优于K21合金。此外，该合金高温组织稳定性良好，并具有良好的铸造工艺性能和加工性能。因此该合金是适合于1050～1100℃大气下使用的模具材料，其使用温度比国内目前使用温度最高的模具材料K21合金高约50℃，是一种很有前途的高温模具材料。
具体实施方式
该种高温模具用镍基铸造高温合金的化学成分及其质量百分比为：Co9.0～12.0％；Al 5.0～6.5％；Cr 2.5～3.5％；Ti 0.5～1.5％；W 13.0～14.5％；Mo 1.5～2.5％；Nb 0.8～1.5％；Ta 2.0～5.0％；Hf 0.3～1.5％；C 0.07～0.18％；B 0.01～0.02％；Y 0.001～0.01％，余量为镍。具体方案如表一所示。并将上述高温模具材料命名为DMO2合金。
表1：本发明DMO2合金实施方案及对比合金K21的化学成分(wt％)
采用双真空感应法冶炼，首先采用真空感应熔炼炉冶炼成分合格的母合金，该过程需要经过熔化——精炼——降温——合金化——浇注五步骤完成。在熔化步骤中，镍、钴、钼、钨、铌、钽、铬、碳直接装入坩埚，化清后精炼30min以上，精炼结束后强烈搅拌熔池，然后停电降温结膜；再通电，加入铝、钛，熔炼5分钟后进行搅拌，再加入硼铁、钇和铪熔炼5分钟后进行搅拌，促进成分的均匀化。最后，停电降温，当熔池温度达到浇注温度后，即可进行浇注，浇注应带电并通过过滤器进行。母合金成分合格后，采用熔模铸造或消失模法在真空感应熔炼炉内铸造成模具或其它高温结构件。
采用上述工艺，在真空感应炉上冶炼浇注了7炉本发明技术方案所述合金。各炉合金的1050℃拉伸性能如表2所示，1050℃静态抗氧化性能如图1所示。为了对比，在相同条件下还冶炼了一炉K21合金，其化学成分和有关性能也分别列于表1、表2和图1。
表2本发明DMO2合金及对比合金K21的1050℃高温瞬时拉伸性能
从表1、表2可见，W、C、Al、Cr、Ta含量的变化使本发明DMO2合金的1050℃高温拉伸性能有一些波动，拉伸强度在540～590MPa之间变化，屈服强度在470～515MPa之间变化，延伸率为4.0％～6.5％。难熔元素含量过高或γ′主要形成元素Al含量偏低都使本发明DMO2合金的高温拉伸性能略有下降，这说明强化过度或不足对合金的高温强度都不利。但无论在何种情况下，本发明DMO2合金的1050℃高温拉伸性能都明显优于K21合金，拉伸强度σb和屈服强度σ0.2都比K21合金的至少高50MPa以上，高温塑性也明显优于K21合金。对于最佳成分的DMO2合金，其1050℃瞬时拉伸强度σb达到590MPa，屈服强度σ0.2达到515MPa，分别比K21合金的高100MPa左右；同时该合金的延伸率也达到6.0％，明显高于K21合金的。
从图1可见，在本合金金成份范围内，Al、Cr、Ta含量的变化对DMO2合金的1050℃静态抗氧化性能影响很小，五种成分的DMO2合金的氧化性能相当，都是在氧化25h后氧化增重缓慢，氧化100h后的最终增重为 1.00～1.21mg/cm2。而K21合金在1050℃氧化25h后氧化增重就达到2.50mg/cm2，其后氧化增重仍增长较快，氧化100h后其增重达到3.57mg/cm2，为DMO2合金的3倍以上。因此DMO2合金的1050℃抗氧化性能明显优于K21合金。
综上所述，DMO2合金的综合性能，明显优于国内目前使用温度最高的模具材料K21合金。是一种很有前途的1050～1100℃大气下使用的高温模具材料。
Claims (4)
1.一种高温模具用镍基铸造高温合金，其特征在于：该合金的化学成分及其质量百分比为：Co 9.0～12.0％；Al 5.0～6.5％；Cr 2.5～3.5％；
Ti 0.5～1.5％；W 13.0～14.5％；Mo 1.5～2.5％；Nb 0.8～1.5％；Ta 2.0～5.0％；Hf 0.3～1.5％；C 0.07～0.18％；B 0.01～0.02％；Y 0.001～0.01％；余量为镍。
2.根据权利要求1所述的高温模具用镍基铸造高温合金，其特征在于：该合金中Ta的质量百分比为：2.5％～4.5％。
3.根据权利要求1所述的高温模具用镍基铸造高温合金，其特征在于：该合金中Hf的质量百分比为：0.3％～1.0％。
4.根据权利要求1所述的高温模具用镍基铸造高温合金，其特征在于：该合金中难熔元素W、Mo、Nb、Ta的质量百分比之和W+Mo+Nb+Ta为：18％≤W+Mo+Nb+Ta≤23％。
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