CN103924125B

CN103924125B - 一种增加锆元素含量的k4169高温合金

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Publication number: CN103924125B
Application number: CN201410163845.2A
Authority: CN
Inventors: 黄太文; 介子奇; 张军; 刘林; 周伟; 张琰斌; 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: 2016-03-23
Anticipated expiration: 2034-04-21
Also published as: CN103924125A

Abstract

一种增加锆元素含量的K4169高温合金，通过增加锆元素的含量提高K4169高温合金的流动性。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0.0026％，Zr为0.035～0.056％，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

一种增加锆元素含量的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锆提高K4169高温合金的流动性。

背景技术

随着精密铸造技术的不断发展，航天、航空、电力及核能领域使用的关键热端部件的结构朝着整体、薄壁空心方向发展，而且正逐步向结构承载方向发展，这些都要求构件具有更好的尺寸稳定性、更优异的疲劳性能和使用寿命。无疑，这些新需求对铸件的成型与组织控制方面提出了更高的要求。但是，为了大型复杂薄壁铸件的成形，避免出现欠浇，高温合金的浇注温度通常非常高，这导致晶粒粗大、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。

因此，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。流动性是指金属本身的流动能力，它与金属的成分、温度、杂质含量，及其物理性质有关。它作为凝固特性的一个重要参数，理论上直接关系到金属的充型能力，即充满铸型的型腔获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力，实践中它直接影响大型薄壁铸件充型的成败。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很难起到作用。

经过对现有技术的文献检索发现：关于流动性的实验研究大都集中于铝、镁合金的砂型和金属型。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。该文献的只是研究了镁合金的流动性，并没有对高温合金的流动性提出工艺方法。

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碳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，很多都含有微量的锆。在K4169高温合金中，锆元素的质量百分比为0.028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锆元素含量的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0.0026％，Zr为0.035～0.056％，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。

本发明通过增加锆元素的含量提高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1所示为本发明不同含量的锆对K4169高温合金流动性测试的实物图。可以看出，当锆的质量百分比在0.035～0.049范围时，K4169高温合金的流动性提高了12％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。锆的质量百分比为0.042的显微疏松(图3)比K4169合金(图2)减少了81％。

合金的凝固区间是与流动性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。增加微量的元素锆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)。当锆的质量百分比从0.028增加到0.049时，液相线与γ相的初始熔化温度之间的温度间隔先减小后增大，当锆的质量百分比为0.042时，凝固温度间隔为31℃。增加锆的含量可以减小该温度间隔，使合金的流动性提高。

锆在高温合金中偏析到晶界，是合金最后凝固的区域。当增加微量的锆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锆含量的增加而增加(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。锆作为有益的微量元素对高温合金的力学性能有非常重要的作用。元素锆偏聚到晶界，可减少晶界缺陷，提高晶界结合力，降低晶界扩散速率，从而提高合金的力学性能。同时，锆还可以作为净化剂，与C和S结合形成一次硫化物或硫碳化物，使合金中的有害元素S含量降低。此外，加入合金中的锆大部分进入到γ′中，使γ′相的数量增加，并使γ′相的溶解温度提高，这对于合金的高温强度的提高十分有利。因此，本发明通过增加微量的锆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12％以上。

附图说明

图1是不同含量的锆对K4169合金流动性影响的实物图；其中，图1a是K4169合金试样；图1b是锆的质量百分比为0.035时K4169合金试样；图1c是锆的质量百分比为0.042时K4169合金试样；图1d是锆的质量百分比为0.049时K4169合金试样；图1e是锆的质量百分比为0.056时K4169合金试样。

图2是K4169合金的显微疏松图。

图3是锆的质量百分比为0.042对K4169合金显微疏松的影响。

图4是不同含量的锆对K4169合金的DSC曲线的影响；其中，曲线1是锆的质量百分比为0.056时DSC曲线图；曲线2是现有的K4169合金的DSC曲线图；曲线3是锆的质量百分比为0.049时DSC曲线图；曲线4是锆的质量百分比为0.035时DSC曲线图；曲线5是锆的质量百分比为0.042时DSC曲线图。

图5是不同含量的锆对K4169合金在不同温度下的剩余液相分数的影响；其中，曲线6是锆的质量百分比为0.056时剩余液相分数图；曲线7是锆的质量百分比为0.049时剩余液相分数图；曲线8是锆的质量百分比为0.042时剩余液相分数图；曲线9是锆的质量百分比为0.035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	0.0026
Zr(％)	Nb(％)	Ta(％)	Si(％)	Mn(％)	S(％)	P(％)
							0.035	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	0.0026
Zr(％)	Nb(％)	Ta(％)	Si(％)	Mn(％)	S(％)	P(％)
							0.042	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	0.0026
Zr(％)	Nb(％)	Ta(％)	Si(％)	Mn(％)	S(％)	P(％)
							0.049	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	0.0026
Zr(％)	Nb(％)	Ta(％)	Si(％)	Mn(％)	S(％)	P(％)
							0.056	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	265	296	220	168

表6本实施例2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2	1101.9	979.5	11.83

由表5和6可知，本发明通过增加锆的含量，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12％以上；当锆的质量百分比为0.042时，合金的流动性比现有的K4169高温合金流动性提高了97％。

Claims

1.一种增加锆元素含量的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0.0026％，Zr为0.035～0.056％，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。