CN103924126A - 一种高温合金材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温合金材料及其制备方法，该合金材料的成分按重量百分比为：C：0.02～0.10，Cr：18.0～21.0，Mo：3.50～5.00，Co：12.0～15.0，Ti：2.75～3.25，Al：1.20～1.60，Zr：0.02～0.08，B：0.003～0.010，余量是Ni及杂质。该合金材料的制备包括按所需成分配比原料、真空感应熔炼、电渣重熔、锻造四个步骤。该合金的力学性能显著，对其进行热处理后，进行室温(25℃)拉伸试验，其抗拉强度≥1210Mpa；屈服强度≥830Mpa；伸长率≥14％；断面收缩率≥18％，进行高温(540℃)拉伸试验，其抗拉强度≥1070Mpa；屈服强度≥720Mpa；伸长率≥14％；断面收缩率≥18％，进行高温(730℃和815℃)持久试验，载荷分别为550Mpa和295Mpa，其持久断裂时间均≥23h；伸长率均≥8％。本发明制备的高温合金材料能够满足发动机部件工作环境的使用要求。

Description

一种高温合金材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高温合金材料，尤其涉及一种用于使用温度不高于815℃的航空发动机部件的Ni-Co-Cr系高温合金材料及其制备方法。

背景技术

高温合金材料是现代发动机涡轮叶片必须的重要材料，而航空发动机用涡轮叶片材料的使用温度每年以约8℃的速度稳定增长，高温合金的发展目标就是要提高使用温度以满足发动机效率和推力不断提出的要求。

航空发动机部件的工作环境对材料提出了苛刻的使用要求。首先是高温，航空喷气发动机从压气机到尾喷管，各零部件在一定温度下工作，有些零件要在800℃以上的条件下长期工作。其次是高应力，一些高温部件，由于震动、气流的冲刷，特别是旋转造成的离心作用，将承受较大的应力，如涡轮叶片的应力可达300～409Mpa。再次是氧化和腐蚀等化学作用，燃气中存在大量的氧、水气，并存在SO₂、H₂S等腐蚀性气体，都对高温零件起氧化和腐蚀作用。而且，随着航空燃气涡轮发动机的发展，推重比的增加，发动机部件的工作环境日益苛刻，以涡轮进口温度为例，现役机种为1600K左右，在研机种达到1850～1950K，预研机种将高达2250～2350K。发展更高推重比的燃气涡轮发动机，首要任务是研制使用性能优异的高温材料。

航空发动机对高温材料的基本要求主要是：

1、较高的热稳定性，即高温下的抗腐蚀(主要是抗氧化)能力；

2、高的热强度；

3、良好的工艺性能。

Ni基高温合金是一种在650～1000℃范围内具有较高的强度和良好的抗氧化、抗燃气腐蚀能力的高温合金，其化学成分复杂，对成分含量的控制尤为苛刻，特别是一些杂质元素，一般要求控制其含量在数个ppm之下，因此电渣重熔技术就成为制备高温合金的关键精炼工艺之一，它是制约合金纯净度的核心工序。电渣重熔是利用电流通过熔渣所产生的热进行金属精炼的方法。预先将被熔炼的金属制成电极，当电流通过电极与水冷结晶器之间时，可使熔渣产生高温，按一定的速度将金属电极送入熔渣，在其中逐步熔化、沉积、凝固而成铸锭。熔化过程中，金属熔液被熔渣有效净化。在金属凝固过程中，能造成有利的结晶方向，使铸件的性能有很大提高。

发明内容

本发明提供一种用作航空发动机部件的高温合金材料，能够满足航空发动机部件在其工作环境下的使用要求。

本发明提供的高温合金材料的成分按重量百分比计包括：

C：0.02～0.10，Cr：18.0～21.0，Mo：3.50～5.00，Co：12.0～15.0，Ti：2.75～3.25，Al：1.20～1.60，Zr：0.02～0.08，B：0.003～0.010，余量是Ni及不可避免的杂质；

所述杂质成分的组成及含量(重量百分比计)为：P≤0.015，S≤0.015，Fe≤2.00，Si≤0.15，Mn≤0.10，Cu≤0.10，Pb≤0.0005，Bi≤0.00003，Se≤0.0003，Ag≤0.0005。

本发明提供的高温合金材料的制备方法包括以下步骤：

(1)按配比取所需成分加入真空感应炉中，抽真空至0.1Pa，在温度为1440～1460℃下熔炼成合金熔液，将合金熔液浇注在模具中，然后随炉冷却至室温即得到合金材料铸件；

(2)将步骤(1)中得到的铸件作为自耗电极，将自耗电极缓慢下降并插入电渣炉中，通电起弧后，调节重熔电压和重熔电流，自耗电极的端部缓慢熔融形成金属熔滴，熔滴从自耗电极的端头脱落，穿过渣池进入金属熔池，在水冷结晶器的强制冷却下形成重熔电渣锭；

(3)将电渣锭加热至1160～1180℃，保温2～3小时后锻造成钢棒，将锻造成的钢棒空冷至室温，将所得钢棒表面车光处理后得到成品合金材料。

优选的是，所述重熔电压为54-58V，重熔电流为6700-7300A。

优选的是，所述水冷结晶器的强制冷却温度为45-50℃。

优选的是，所述锻造使用的设备是2000MN压机和3/4T电液锤中的一种。

本发明提供的高温合金材料进行力学性能测试前的热处理方法包括以下步骤：

(a)将合金材料加热到1000-1040℃，保温4小时后水冷至室温；

(b)将步骤(a)得到的合金材料加热到835-855℃，保温4小时后空冷至室温；

(c)将步骤(b)得到的合金材料加热到750-770℃，保温16小时后空冷至室温。

本发明的技术效果：

采用上述材料及相应工艺方法制备的高温合金材料，经热处理后进行室温拉伸、高温拉伸和高温持久试验，试验结果如下：

表1室温(25℃)拉伸试验

表2高温(540℃)拉伸试验

表3高温持久试验

用本发明制备的高温合金材料进行室温(25℃)拉伸试验，其抗拉强度σ_b≥1210Mpa；屈服强度σ_0.2≥830Mpa；伸长率δ₅≥14％；断面收缩率Ψ≥18％，进行高温(540℃)拉伸试验试验，其抗拉强度σ_b≥1070Mpa；屈服强度σ_0.2≥720Mpa；伸长率δ₅≥14％；断面收缩率Ψ≥18％，进行高温(730℃)持久试验，载荷550Mpa时，其持久断裂时间≥23h；伸长率δ≥8％；进行高温(815℃)持久试验，载荷295Mpa时，其持久断裂时间≥23h；伸长率δ≥8％，以上结果说明本发明制备的高温合金材料能够满足发动机部件工作环境的使用要求。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明提出一种高温合金材料，成分按重量百分比计包括：C：0.02～0.10，Cr：18.0～21.0，Mo：3.50～5.00，Co：12.0～15.0，Ti：2.75～3.25，Al：1.20～1.60，Zr：0.02～0.08，B：0.003～0.010，余量是Ni及不可避免的杂质；

所述杂质成分的组成及含量(重量百分比计)为：P≤0.015，S≤0.015，Fe≤2.00，Si≤0.15，Mn≤0.10，Cu≤0.10，Pb≤0.0005，Bi≤0.00003，Se≤0.0003，Ag≤0.0005。

本发明还提出一种上述高温合金材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)按配比取所需成分加入真空感应炉中，抽真空至0.1Pa，在温度为1440～1460℃下熔炼成合金熔液，将合金熔液浇注在模具中，然后随炉冷却至室温即得到合金材料铸件；

(2)将步骤(1)中得到的铸件作为自耗电极，将自耗电极缓慢下降并插入电渣炉中，通电起弧后，调节重熔电压为54-58V，重熔电流为6700-7300A，自耗电极的端部缓慢熔融形成金属熔滴，熔滴从自耗电极的端头脱落，穿过渣池进入金属熔池，在水冷结晶器的强制冷却(45-50℃)下形成重熔电渣锭；

(3)将电渣锭加热至1160～1180℃，保温2～3小时后在2000MN压机或3/4T电液锤上锻造成钢棒，将锻造成的钢棒空冷至室温，将所得钢棒表面车光处理后得到成品合金材料。

本发明还提供了一种上述高温合金材料进行力学性能测试前的热处理方法，包括以下步骤：

(a)将合金材料加热到1000-1040℃，保温4小时后水冷至室温；

(b)将步骤(a)得到的合金材料加热到835-855℃，保温4小时后空冷至室温；

(c)将步骤(b)得到的合金材料加热到750-770℃，保温16小时后空冷至室温。

实施例1-5：

表4实施例1-5合金成分及配比(按重量百分比计)

CCrCo	Mo	Ti	Al	Zr	B
						实施例10.0820.013.5	4.5	3.05	1.40	0.05	0.008
实施例20.0719.813.3	4.4	3.00	1.30	0.06	0.007
						实施例30.0919.513.6	4.3	2.98	1.35	0.07	0.008
实施例40.0820.113.8	4.5	2.95	1.38	0.05	0.007
						实施例50.0719.713.2	4.1	2.90	1.39	0.05	0.008

实施例1-5合金的成分及配比如表4所示，按实施例1-5分别取所需成分加入真空感应炉中，抽真空至0.1Pa，在温度为1440～1460℃下熔炼成合金熔液，将合金熔液浇注在模具中，然后随炉冷却至室温即得到合金材料铸件，将得到的铸件作为自耗电极，将自耗电极缓慢下降并插入电渣炉中，通电起弧后，调节重熔电压为54-58V，重熔电流为6700-7300A，自耗电极的端部缓慢熔融形成金属熔滴，熔滴从自耗电极的端头脱落，穿过渣池进入金属熔池，在水冷结晶器的强制冷却(45-50℃)下形成重熔电渣锭；将电渣锭加热至1160～1180℃，保温2～3小时后在2000MN压机或3/4T电液锤上锻造成钢棒，将锻造成的钢棒空冷至室温，将所得钢棒表面车光处理后得到成品合金材料。

在成品合金材料上取样检验力学性能，进行对应的力学性能试验，在测试之前对试样进行热处理，步骤如下：

(a)将合金材料加热到1000-1040℃，保温4小时后水冷至室温；

(b)将步骤(a)得到的合金材料加热到835-855℃，保温4小时后空冷至室温；

(c)将步骤(b)得到的合金材料加热到750-770℃，保温16小时后空冷至室温。

将热处理过的试样分别进行室温拉伸、高温拉伸和高温持久试验，结果表明进行室温(25℃)拉伸试验，其抗拉强度σ_b≥1210Mpa；屈服强度σ_0.2≥830Mpa；伸长率δ₅≥14％；断面收缩率Ψ≥18％，进行高温(540℃)拉伸试验试验，其抗拉强度σ_b≥1070Mpa；屈服强度σ_0.2≥720Mpa；伸长率δ₅≥14％；断面收缩率Ψ≥18％，进行高温(730℃)持久试验，载荷550Mpa时，其持久断裂时间≥23h；伸长率δ≥8％；进行高温(815℃)持久试验，载荷295Mpa时，其持久断裂时间≥23h；伸长率δ≥8％，以上结果说明本发明制备的高温合金材料能够满足发动机部件工作环境的使用要求。

Claims (6)

1.一种高温合金材料，其特征在于：所述高温合金材料的成分按重量百分比计包括：C：0.02～0.10，Cr：18.0～21.0，Mo：3.50～5.00，Co：12.0～15.0，Ti：2.75～3.25，Al：1.20～1.60，Zr：0.02～0.08，B：0.003～0.010，余量是Ni及不可避免的杂质；

所述杂质成分的组成及含量(重量百分比计)为：P≤0.015，S≤0.015，Fe≤2.00，Si≤0.15，Mn≤0.10，Cu≤0.10，Pb≤0.0005，Bi≤0.00003，Se≤0.0003，Ag≤0.0005。

2.一种权利要求1所述的高温合金材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)按配比取所需成分加入真空感应炉中，抽真空至0.1Pa，在温度为1440～1460℃下熔炼成合金熔液，将合金熔液浇注在模具中，然后随炉冷却至室温即得到合金材料铸件；

(2)将步骤(1)中得到的铸件作为自耗电极，将自耗电极缓慢下降并插入电渣炉中，通电起弧后，调节重熔电压和重熔电流，自耗电极的端部缓慢熔融形成金属熔滴，熔滴从自耗电极的端头脱落，穿过渣池进入金属熔池，在水冷结晶器的强制冷却下形成重熔电渣锭；

(3)将电渣锭加热至1160～1180℃，保温2～3小时后锻造成钢棒，将锻造成的钢棒空冷至室温，将所得钢棒表面车光处理后得到成品合金材料。

3.根据权利要求2所述高温合金材料的制备方法，其特征在于所述重熔电压为54-58V，重熔电流为6700-7300A。

4.根据权利要求2所述高温合金材料的制备方法，其特征在于所述水冷结晶器的强制冷却温度为45-50℃。

5.根据权利要求2所述高温合金材料的制备方法，其特征在于所述锻造使用的设备是2000MN压机和3/4T电液锤中的一种。

6.一种权利要求1所述的高温合金材料进行力学性能测试前的热处理方法，其特征在于包括以下步骤：

(a)将合金材料加热到1000-1040℃，保温4小时后水冷至室温；

(b)将步骤(a)得到的合金材料加热到835-855℃，保温4小时后空冷至室温；

(c)将步骤(b)得到的合金材料加热到750-770℃，保温16小时后空冷至室温。