CN103556117B - 一种MCrAlY离子镀阴极材料及其铸件的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及MCrAlY离子镀阴极材料制备领域，具体涉及一种叶片维修和表面防护用MCrAlY离子镀阴极材料及其铸件的制备方法，适用于MCrAlY材料和离子镀阴极铸件的制备。本发明在MCrAlY离子镀阴极材料的制备中采用一种新型的分段式凝固冷却控制技术，控制MCrAlY离子镀阴极材料铸件冷却过程中不同阶段的冷却速度。在初期，采用较快冷却速度，使合金铸件中形成细晶及抑制缩松；在中期，对铸件采用较为缓慢的冷却速度，减小合金中内应力；在凝固后期，可使铸件自然冷却至室温。本发明解决了MCrAlY合金铸造中的脆断和冷裂这一难题，将本发明制备的合金铸件与进口阴极件的组织结构对比，两者组织状态极为相近。
Description
技术领域
本发明涉及MCrAlY离子镀阴极材料制备领域，具体涉及一种叶片维修和表面防护用MCrAlY离子镀阴极材料及其铸件的制备方法，适用于MCrAlY材料和离子镀阴极铸件的制备。
背景技术
MCrAlY材料属于一种特殊的镍基高温合金，用其制备的防护涂层致密，结合强度好，耐热腐蚀和气蚀，使用温度高，抗氧化性能优良，是目前最先进的防护应用技术，主要应用于航空发动机叶片、燃气机叶片等热端部件的耐热涂层及其热障涂层的粘结过渡层，同时应用于冶金轧辊、热浸镀浸没辊、热处理炉辊等热工设备表面的耐热涂层以及高温炉风口、防热罩表面热障涂层的粘结过渡层等。
涡轮叶片和导向叶片等热端部件是发动机的关键部件，其制备和维修涉及叶片表面防护用MCrAlY离子镀阴极材料。由于国外在相关技术的封锁，而国内又没有相应的替代技术，掌握叶片制造的全部技术，包括MCrAlY离子镀阴极材料和制备技术，实现MCrAlY离子镀阴极材料和制备技术国产化具有重大的战略意义和显著的经济效益。
MCrAlY宏观结构为等轴晶组织，微观组织中主要由β-NiAl、α-Cr、γ′-Ni3Al或γ固溶体组成。由于该合金以金属间化合物为主，所以显示极高的脆性，同时在凝固过程中枝晶发达、合金中活性元素含量高（Cr18～22%、Al11～13.5%、Y0.3～0.6%）。此外，合金应用过程中，对气体含量有严格要求（(O+H+N)≦0.02wt%），但合金中将C作为杂质元素而限制其含量（≦0.05wt%），不利于合金在真空条件下脱除气体，这都对合金冶炼和铸造技术提出了更高要求。
MCrAlY合金在冶炼和制备离子镀阴极过程中存在几个问题：一是大量Al的加入引起熔体急剧升温，二是Y的挥发严重，使冶炼过程不易控制。同时，Al、Y含量较高，具有较强的化学活性，易与陶瓷型壳材料发生反应，在铸件表面形成缺陷。而最主要的，则是MCrAlY材料的铸件往往会产生穿透性断裂的问题，这是材料本质脆性所导致的铸件断裂。可见，脆性材料的铸造断裂是制备合格的离子镀阴极的一个关键技术难题，这也是该种材料在国内一直难以广泛应用的原因。
所以，急需开发我国具有自主知识产权的MCrAlY材料及其离子镀阴极制备技术，满足国内航空技术发展及其它领域的特殊需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种MCrAlY离子镀阴极材料及其铸件的制备方法，解决现有MCrAlY材料脆性较大，容易导致MCrAlY材料铸件产生穿透性断裂的问题。
本发明的技术方案是：
一种MCrAlY离子镀阴极材料及其铸件的制备方法，包括如下步骤：
（1）合金熔炼：按照MCrAlY离子镀阴极材料的化学成分和配比配料，采用真空感应炉熔炼并铸造成母合金锭；熔炼过程中，精炼温度1400～1600℃精炼时间1～10min，炉内真空度控制为0.01～5Pa；
（2）浇铸过程：经步骤（1）处理后的母合金锭进行重熔浇铸，采用真空感应炉熔化母合金锭，并浇注到铸型中，浇铸温度1400～1550℃，获得合金铸件；
（3）凝固及冷却过程：合金铸件凝固控制工艺为，初始冷却速度为5～50℃/秒；在合金固相线温度以下，铸件转入缓慢冷却，开始冷却速度控制为0.01～1℃/秒；当合金铸件冷却至200～500℃，可增加冷却速度为2～10℃/秒，直至室温，获得MCrAlY离子镀阴极材料铸件。
所述的MCrAlY离子镀阴极材料及其铸件的制备方法，步骤（1）熔炼过程中，加入微量碳粉进行脱气处理，碳粉加入量为1～5kg/吨钢水。
所述的MCrAlY离子镀阴极材料及其铸件的制备方法，步骤（2）浇铸过程中，浇铸合金铸件采用SiO2-Al2O3系陶瓷型壳。
所述的MCrAlY离子镀阴极材料及其铸件的制备方法，步骤（2）浇铸前，浇铸的模壳在500～800℃预热1～10h。
所述的MCrAlY离子镀阴极材料及其铸件的制备方法，步骤（3）凝固及冷却过程中，初始冷却速度优选为20～50℃/秒；在合金固相线温度以下，铸件转入缓慢冷却，开始冷却速度控制优选为0.01～0.05℃/秒；当合金铸件冷却至200～500℃，增加冷却速度优选为5～10℃/秒，直至室温。
所述的MCrAlY离子镀阴极材料及其铸件的制备方法，按重量百分含量计，MCrAlY离子镀阴极材料的化学成分为，Cr：10～35%；Al：5～20%；Y：0.1～5%；M：Ni或Co余量。
本发明设计原理如下：
本发明在MCrAlY离子镀阴极材料的制备中采用一种新型的分段式凝固冷却控制技术，控制MCrAlY离子镀阴极材料铸件冷却过程中不同阶段的冷却速度。在初期，采用较快冷却速度，使合金铸件中形成细晶及抑制缩松；在中期，对铸件采用较为缓慢的冷却速度，减小合金中内应力；在凝固后期，可使铸件自然冷却至室温。
MCrAlY合金在铸态存在残余铸造应力和非平衡组织结构，有不稳定倾向，结合合金相组成分析认为，合金凝固冷却过程中发生如下相变过程：
L（液相）→NiAl固溶体＋Ni固溶体→NiAl固溶体＋Cr沉淀相＋Ni固溶体
因此，本发明可以通过热处理调整组织，改善机械加工性能。本发明可以通过缓冷过程，合金硬度下降，对于机械加工是一个有利条件。同时，硬度的下降将引起材料脆性下降，有利于减小断裂倾向。
与常规技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、工艺简单。本发明在传统高温合金凝固工艺的基础上，通过对铸件冷却过程的控制，达到改善铸造性能和合金性能的目的。
2、合金组织改善。采用本发明工艺可以使合金中Cr沉淀相进一步沉淀析出和粗化，枝晶间析出蠕虫状新相γ′－Ni3Al相，总体结果是固溶强化减弱。
3、合金加工性能提高。采用本发明工艺可以使合金硬度明显下降，加工成形性良好。
4、铸造性能好。采用本发明工艺可以使铸件不发生冷裂，内部疏松减少，无裂纹。
附图说明
图1是本发明的凝固工艺曲线图。
图2是进口阴极件和采用本发明工艺研制阴极件的合金组织结构对比。其中：（a）图为进口阴极件组织结构；（b）图为研制阴极件组织结构。
图3是不同工艺合金内部疏松对比。其中：（a）图为凝固控制工艺铸件中疏松；（b）图为普通工艺铸件中的疏松。
图4（a）-图4（b）是采用本发明工艺阴极件和进口阴极件合金抗氧化性能对比试验曲线。其中：图4（a）为1000℃的氧化动力学曲线；图4（b）为1100℃的氧化动力学曲线。图中，R-1、R-2分别代表进口阴极，IMR-1、IMR-2分别代表实施例1和实施例2。
具体实施方式
本发明MCrAlY离子镀阴极材料及其铸件的制备方法，包括如下步骤：
（1）合金熔炼：按照MCrAlY离子镀阴极材料的化学成分和配比配料，采用真空感应炉熔炼并铸造成母合金锭。熔炼过程中，精炼温度1400～1600℃精炼时间1～10min，并加入微量碳粉进行脱气处理，碳粉加入量为1～5kg/吨钢水，炉内真空度控制为0.01～5Pa；
（2）浇铸过程：经步骤（1）处理后的母合金锭进行重熔浇铸，采用真空感应炉熔化母合金锭，并浇注到铸型中，浇铸温度1400～1550℃，获得近成型合金铸件；
（3）凝固及冷却过程：合金铸件凝固控制工艺为，初始冷却速度为5～50℃/秒；在合金固相线温度以下，铸件转入缓慢冷却，开始冷却速度控制为0.01～1℃/秒；当合金铸件冷却至200～500℃，可增加冷却速度为2～10℃/秒，直至室温，获得MCrAlY离子镀阴极材料铸件，冷却工艺曲线如图1。
步骤（2）浇铸过程中，浇铸近成型合金铸件可采用SiO2-Al2O3系陶瓷型壳。
步骤（2）浇铸前，浇铸的模壳在500～800℃预热1～10h。
按重量百分含量计，本发明MCrAlY离子镀阴极材料的化学成分为，Cr：10～35%；Al：5～20%；Y：0.1～5%；M（Ni或Co）：余量。
下面结合附图及实施例详述本发明
实施例1
（1）合金采用10Kg真空感应炉熔炼，并铸造成母合金锭。精炼温度为1600℃，精炼时间为8min，并加入微量碳粉进行脱气处理，碳粉加入量为3kg/吨钢水，真空度是0.1Pa，浇注温度为1400℃。
（2）采用真空感应炉熔化母合金锭，并浇注到铸型中，浇铸合金铸件采用SiO2-Al2O3系陶瓷型壳，浇铸温度1400℃，获得近成型合金铸件；浇铸前，浇铸的模壳在500℃预热10h。
（3）合金铸件在凝固过程中采用凝固控制工艺：初始冷却速度为30℃/秒；在合金固相线温度以下，铸件转入缓慢冷却，开始冷却速度控制为0.02～0.05℃/秒；当合金铸件冷却至400℃以下，使铸件自然冷却至室温（冷却速度为4℃/秒），直至室温，合金凝固工艺曲线参考图1。从而，获得MCrAlY离子镀阴极材料铸件，本实施例合金成分见表1。
表1.MCrAlY合金成分（wt%）
| 化学成分 | Cr | Al | Y | Ni |
| 含量（wt.%） | 20.84 | 13.3 | 0.35 | 余量 |
如图2所示，将本实施例制备的合金铸件与进口阴极件的组织结构对比，可以看出，两者组织状态极为相近，说明无论合金的化学成分，还是工艺状态都达到一致。
对比例1
MCrAlY合金化学成分同实施例1，在合金铸件凝固过程中不采用凝固控制工艺：铸件浇铸后自然冷却至室温。
对比例1中采用普通的浇铸工艺，铸件在凝固后硬度较高，凝固过程中易生成微小的内裂纹和较大内部疏松，严重情况会导致铸件断裂。如图3所示，将实施例1与对比例1中合金铸件毛坯的内部疏松对比，可以看出，采用本发明凝固控制工艺后，合金在凝固过程中内部疏松得到抑制，避免了铸件内部高温氧化及凝固过程中的冷裂行为。
实施例1浇铸出的毛坯铸件，合金组织致密，强化相细小弥散，内部铸造缺陷少，易于加工。从而，解决了MCrAlY合金铸造中的脆断和冷裂这一难题，使合金性能得到改善。
实施例2
（1）合金采用10Kg真空感应炉熔炼，并铸造成母合金锭。精炼温度为1530℃，精炼时间为5min，并加入微量碳粉进行脱气处理，碳粉加入量为2kg/吨钢水，真空度是0.05Pa，浇注温度是1450℃。
（2）采用真空感应炉熔化母合金锭，并浇注到铸型中，浇铸合金铸件采用SiO2-Al2O3系陶瓷型壳，浇铸温度1450℃，获得近成型合金铸件；浇铸前，浇铸的模壳在600℃预热5h。
（3）合金铸件在凝固过程中采用凝固控制工艺：初始冷却速度为40℃/秒；在合金固相线温度以下，铸件转入缓慢冷却，开始冷却速度控制为0.2～0.5℃/秒；当合金铸件冷却至300℃以下，使铸件自然冷却至室温（冷却速度为5℃/秒），直至室温，合金凝固工艺曲线参考图1。从而，获得MCrAlY离子镀阴极材料铸件，本实施例合金成分见表2。
表2.MCrAlY合金成分（wt%）
| 化学成分 | Cr | Al | Y | Ni |
| 含量（wt.%） | 20.84 | 12.8 | 0.46 | 余量 |
（4）以K465合金为基体材料，分别用研制阴极和进口阴极实施真空离子电弧镀，制备防护涂层，并分别进行1000℃和1100℃氧化试验。
如图4（a）-图4（b）所示，从两种材料的氧化试验曲线可以看出，研制的MCrAlY阴极材料与进口阴极材料具有相当水平的抗氧化性能。
实施例3
（1）合金采用10Kg真空感应炉熔炼，并铸造成母合金锭。精炼温度为1560℃，精炼时间为6min，并加入微量碳粉进行脱气处理，碳粉加入量为4kg/吨钢水，真空度是0.5Pa，浇注温度为1480℃。
（2）采用真空感应炉熔化母合金锭，并浇注到铸型中，浇铸合金铸件采用SiO2-Al2O3系陶瓷型壳，浇铸温度1480℃，获得近成型合金铸件；浇铸前，浇铸的模壳在800℃预热3h。
（3）合金铸件在凝固过程中采用凝固控制工艺：初始冷却速度为20℃/秒；在合金固相线温度以下，铸件转入缓慢冷却，开始冷却速度控制为0.01～0.03℃/秒；当合金铸件冷却至350℃以下，使铸件自然冷却至室温（冷却速度为3℃/秒），直至室温，合金凝固工艺曲线参考图1。从而，获得MCrAlY离子镀阴极材料铸件，本实施例合金成分见表3。
表3.MCrAlY合金成分（wt%）
| 化学成分 | Cr | Al | Y | Co |
| 含量（wt.%） | 26.75 | 10.4 | 1.85 | 余量 |
将本实施例制备的合金铸件与进口阴极件的组织结构对比，可以看出，两者组织状态极为相近，说明无论合金的化学成分，还是工艺状态都达到一致。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种MCrAlY离子镀阴极材料铸件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）合金熔炼：按照MCrAlY离子镀阴极材料的化学成分和配比配料，MCrAlY离子镀阴极材料中的M为Ni或Co，采用真空感应炉熔炼并铸造成母合金锭；熔炼过程中，精炼温度1400～1600℃精炼时间1～10min，炉内真空度控制为0.01～5Pa；
（2）浇铸过程：经步骤（1）处理后的母合金锭进行重熔浇铸，采用真空感应炉熔化母合金锭，并浇注到铸型中，浇铸温度1400～1550℃，获得合金铸件；
（3）凝固及冷却过程：合金铸件凝固控制工艺为，初始冷却速度为5～50℃/秒；在合金固相线温度以下，铸件转入缓慢冷却，开始冷却速度控制为0.01～1℃/秒；当合金铸件冷却至200～500 ℃，可增加冷却速度为2～10℃/秒，直至室温，获得MCrAlY离子镀阴极材料铸件。
2.按照权利要求1所述的MCrAlY离子镀阴极材料铸件的制备方法，其特征在于，步骤（1）熔炼过程中，加入微量碳粉进行脱气处理，碳粉加入量为1～5kg/吨钢水。
3.按照权利要求1所述的MCrAlY离子镀阴极材料铸件的制备方法，其特征在于，步骤（2）浇铸过程中，浇铸合金铸件采用SiO2-Al2O3系陶瓷型壳。
4.按照权利要求1所述的MCrAlY离子镀阴极材料铸件的制备方法，其特征在于，步骤（2）浇铸前，浇铸的模壳在500～800℃预热1～10h。
5.按照权利要求1所述的MCrAlY离子镀阴极材料铸件的制备方法，其特征在于，步骤（3）凝固及冷却过程中，初始冷却速度优选为20～50℃/秒；在合金固相线温度以下，铸件转入缓慢冷却，开始冷却速度控制优选为0.01～0.05℃/秒；当合金铸件冷却至200～500 ℃，增加冷却速度优选为5～10℃/秒，直至室温。
6.按照权利要求1所述的MCrAlY离子镀阴极材料铸件的制备方法，其特征在于，按重量百分含量计，MCrAlY离子镀阴极材料的化学成分为，Cr：10～35%；Al：5～20%；Y：0.1～5%；M：Ni或Co余量。
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