CN103924124B

CN103924124B - 一种增加硼元素含量的k4169高温合金

Info

Publication number: CN103924124B
Application number: CN201410162882.1A
Authority: CN
Inventors: 黄太文; 介子奇; 张军; 刘林; 张琰斌; 周伟; 傅恒志
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2014-04-21
Filing date: 2014-04-21
Publication date: 2016-02-10
Anticipated expiration: 2034-04-21
Also published as: CN103924124A

Abstract

一种增加硼元素含量的K4169高温合金，通过增加硼元素的含量使K4169高温合金的流动性提高30％以上。其中C为0.056％，Ni为52.54％，Cr为19.15％，Mo为3.11％，Al为0.61％，Ti为0.94％，B为0.0037～0.0070％，Zr为0.028％，Nb为5.03％，Ta为0.05％，Si为0.043％，Mn为0.0035％，S为0.0018％，P为0.0015％，杂质≤0.01％，余量为Fe；所述百分比均为质量百分比。

Description

一种增加硼元素含量的K4169高温合金

技术领域

本发明涉及高温合金铸造领域，具体是增加并控制微量元素硼提高K4169高温合金的流动性。

背景技术

高温合金广泛运用于航天航空领域，不仅可以用于制造发动机的涡轮盘，合金叶片及各种结构件，而且其大型结构铸件也大量运用于航空发动机。K4169(国外合金牌号为IN718)高温合金的产量已经达到所有高温合金年总产量的50％以上，特别适合于铸造650℃以下工作的宇航用发动机叶轮、导向环、扩压器、机匣及其它结构件。随着科技的进步，航空工业正朝着高性能低成本方向发展，大型薄壁铸件代替组装件的造价和性能上的优势使得其应用日益广泛。但是，为了保证大型复杂薄壁铸件的成形，避免出现欠浇，常采用高的浇注温度，导致晶粒粗大、疏松严重、断面柱晶比例大、合金熔体与模壳反应加重等问题，成为航空工业急需解决的重要问题。如果通过改变合金的成分提高流动性，就可实现在低的浇注温度下铸件成型，间接起到组织细化的作用。

提高高温合金熔体的流动性是改善大型复杂薄壁铸件成形质量的有效方法之一。以前关于流动性的实验研究大都集中于铝、镁合金，对于提高高温合金的流动性的研究很少。因此，随着高温合金薄壁铸件的需求增加，探索通过添加微量元素改变高温合金的流动性在高温合金铸造上的应用是十分必要的。目前，现有技术中经常采用高的浇注温度、高的模壳温度提高合金的流动性，但是高的浇注温度和高的模壳温度会使合金凝固后的晶粒组织变大，从而降低合金的力学性能。向合金中添加稀土元素可以提高合金的流动性，但高温合金对成分要求很严格，其组织和力学性能对成分变化十分敏感，那些在其它合金中被广泛使用的有效的稀土元素对高温合金起不到作用。

经过对现有技术的文献检索发现：文献“W.Qudong,L.Yizhen等人在MaterialsScienceandEngineeringA271(1999)发表的“StudyonthefluidityofAZ91+xREmagnesiumalloy”公开了稀土元素对AZ91镁合金流动性的影响。该文献只是研究了镁合金的流动性，并没有涉及到高温合金的流动性。

中国专利号为ZL200610025394在AZ91D合金基础上添加Ca/Sr/混合稀土等元素改性，提高合金的流动性，但是稀土元素价格昂贵，大幅度提高了合金的制造成本，并且该专利只适用于镁合金。

文献“郭建亭在2008年科学出版社出版的高温合金材料学上册中提到C元素可以提高高温合金的流动性,但在铸造高温合金中碳的百分含量为0.05左右，如果再提高碳的含量就会降低合金的机械性能。现有的高温合金中，很多都含有微量的硼。在K4169高温合金中，硼元素的质量百分比为0.0026左右。

发明内容

为克服现有技术中存在的流动性差的不足，本发明提出了一种增加硼元素含量的K4169高温合金。

所述K4169高温合金中C为0.056％，Ni为52.54％，Cr为19.15％，Mo为3.11％，Al为0.61％，Ti为0.94％，B为0.0037～0.0070％，Zr为0.028％，Nb为5.03％，Ta为0.05％，Si为0.043％，Mn为0.0035％，S为0.0018％，P为0.0015％，杂质≤0.01％，余量为Fe；所述百分比均为质量百分比。

本发明通过增加硼元素的含量提高K4169高温合金的流动性。合金的流动性是通过螺旋型流动性测试模型进行测定的，以测定浇注的液态高温合金在模型中流动后凝固的长度表征合金的流动性。如图2所示为本发明不同含量的硼对K4169高温合金流动性测试的实物图。可以看出，当硼的质量百分含量在0.0037～0.007范围时，使K4169高温合金的流动性提高了30％以上(详见表5)。由于合金流动性的提高，其显微疏松也明显减少。当硼的质量百分比为0.0059的显微疏松(图4)比K4169合金(图3)减少了74％。

合金的凝固区间是与流动性有直接关联的凝固参数，γ相是K4169高温合金的基体相，占有很大的体积分数，故选定γ相初始熔化温度为固相线，而不选择与补缩相关的凝固后期的共晶温度，因此合金的液相线与γ相的初始熔化温度之间的温度间隔对合金的流动性有很大的影响。增加微量的元素硼对合金的液相线温度影响不大，对γ相的初始熔化温度呈先增加后减小的趋势(图4)。当硼的质量百分比从0.0026增加到0.0070时，温度间隔先减小后增大，当硼的质量百分比为0.0059时，凝固温度间隔为31℃。增加硼的含量可以减小该温度间隔，使合金的流动性提高。

硼在高温合金偏析到晶界，是合金最后凝固的区域。当增加微量的硼可以形成少量的低熔点相，使合金在同一温度下的剩余液相体积分数增大，从而使合金的流动性提高。当合金液的温度从1350℃降低到1290℃时，各成分合金的剩余液相分数在不断地减少，同时合金的剩余液相分数随着硼含量的增加而增加(图5)。K4169高温合金为宽结晶温度间隔凝固合金，当凝固后的固相体积分数为25～50％时，液态合金就停止流动了。所以在相同温度下，剩余液相越多合金的流动性越好。

由于K4169高温合金的组织和力学性能对成分变化十分敏感，如果通过改变调整主要元素来提高合金的流动性会使合金的力学性能降低。硼是高温合金中应用最广泛的微合金化元素。硼对合金的持久、蠕变性能影响最明显，通常有一个最佳的范围。硼可在晶界偏聚引起晶界结合力增加，提高断裂强度，消耗或减少晶界析出团块，通过位置竞争减少如硫等有害元素在晶界上的含量并改善晶界处的滑移和位错攀移以防止裂纹的产生。同时，当硼的含量超过一定值时，合金中会出现对性能有害的硼化物共晶。因此，本发明通过增加微量的硼，在不降低合金力学性能的前提下使K4169高温合金的流动性提高30％以上。

附图说明

图1是不同含量的硼对K4169合金流动性影响的实物图；其中，图1a是现有的K4169合金试样；图1b是硼的质量百分比为0.0037时K4169合金试样；图1c是硼的质量百分比为0.0048时K4169合金试样；图1d是硼的质量百分比为0.0059时K4169合金试样；图1e是硼的质量百分比为0.0070时K4169合金试样。

图2是现有的K4169合金显微疏松图。

图3是硼的质量百分比为0.0059对K4169合金显微疏松的影响。

图4是不同含量的硼对K4169合金的DSC曲线的影响；其中，曲线1是硼的质量百分比为0.0059时DSC曲线图；曲线2是现有的K4169合金的DSC曲线图；曲线3是硼的质量百分比为0.0048时DSC曲线图；曲线4是硼的质量百分比为0.0070时DSC曲线图；曲线5是硼的质量百分比为0.0037时DSC曲线图。

图5是不同含量的硼对K4169合金在不同温度下的剩余液相分数的影响；曲线6是硼的质量百分比为0.0070时剩余液相分数图；曲线7是硼的质量百分比为0.0059时剩余液相分数图；曲线8是硼的质量百分比为0.0048时剩余液相分数图；曲线9是硼的质量百分比为0.0037时剩余液相分数图；曲线10是现有的K4169合金的剩余液相分数图。

具体实施方式

实施例1

本实例是一种能够提高K4169高温合金流动性的配方，其组分如表1所示：

表1

C(％)	Ni(％)	Cr(％)	Mo(％)	Al(％)	Ti(％)	B(％)
							0.056	52.54	19.15	3.11	0.61	0.94	0.0037
Zr(％)	Nb(％)	Ta(％)	Si(％)	Mn(％)	S(％)	P(％)
							0.028	5.03	0.05	0.043	0.0035	0.0018	0.0015
杂质(％)	Fe(％)
							≤0.01	余量

所述百分比均为质量百分比。

实施例2

本实例是一种能够提高K4169高温合金流动性的配方，其组分如表2所示：

表2

C(％)	Ni(％)	Cr(％)	Mo(％)	Al(％)	Ti(％)	B(％)
							0.056	52.54	19.15	3.11	0.61	0.94	0.0048
Zr(％)	Nb(％)	Ta(％)	Si(％)	Mn(％)	S(％)	P(％)
							0.028	5.03	0.05	0.043	0.0035	0.0018	0.0015
杂质(％)	Fe(％)
							≤0.01	余量

所述百分比均为质量百分比。

实施例3

本实例是一种能够提高K4169高温合金流动性的配方，其组分如表3所示：

表3

C(％)	Ni(％)	Cr(％)	Mo(％)	Al(％)	Ti(％)	B(％)
							0.056	52.54	19.15	3.11	0.61	0.94	0.0059
Zr(％)	Nb(％)	Ta(％)	Si(％)	Mn(％)	S(％)	P(％)
							0.028	5.03	0.05	0.043	0.0035	0.0018	0.0015
杂质(％)	Fe(％)

≤0.01

余量

所述百分比均为质量百分比。

实施例4

本实例是一种能够提高K4169高温合金流动性的配方，其组分如表4所示：

表4

C(％)	Ni(％)	Cr(％)	Mo(％)	Al(％)	Ti(％)	B(％)
							0.056	52.54	19.15	3.11	0.61	0.94	0.0070
Zr(％)	Nb(％)	Ta(％)	Si(％)	Mn(％)	S(％)	P(％)
							0.028	5.03	0.05	0.043	0.0035	0.0018	0.0015
杂质(％)	Fe(％)
							≤0.01	余量

所述百分比均为质量百分比。

对上述配方材料和现有的K4169高温合金在浇注温度为1470℃和模壳温度为900℃条件下进行流动性和机械性能测试，其结果见表5和6。

表5实施例与K4169高温合金的流动性对比

合金种类	K4169合金	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4
						流线长度(mm)	150	278	260	291	200

表6实施例3与K4169高温合金的机械性能对比

合金种类	抗拉强度(Mpa)	屈服强度(Mpa)	延伸率(％)
				K4169合金	1044.8	957.7	10.64
实施例3	1059.6	1012.2	10.93

由表5和表6可知，本发明通过增加硼的含量，相比较于现有的K4169高温合金在不降低合金的机械性能的前提下，使K4169高温合金的流动性提高了30％以上；当硼的质量百分比为0.0059时，合金的流动性比现有的K4169高温合金流动性提高了94％。

Claims

1.一种增加硼元素含量的K4169高温合金，其特征在于，所述K4169高温合金中C为0.056％，Ni为52.54％，Cr为19.15％，Mo为3.11％，Al为0.61％，Ti为0.94％，B为0.0037～0.0070％，Zr为0.028％，Nb为5.03％，Ta为0.05％，Si为0.043％，Mn为0.0035％，S为0.0018％，P为0.0015％，杂质≤0.01％，余量为Fe；所述百分比均为质量百分比。