CN103952593A

CN103952593A - 一种k4169高温合金

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Publication number: CN103952593A
Application number: CN201410163739.4A
Authority: CN
Inventors: 张军; 介子奇; 黄太文; 刘林; 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: 2014-07-30
Anticipated expiration: 2034-04-21
Also published as: CN103952593B

Abstract

一种K4169高温合金，其中中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0.0048～0.0070％，Zr为0.035～0.049％，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。本发明通过同时改变硼和锆的含量提高K4169高温合金的流动性。

Description

一种K4169高温合金

技术领域

本发明涉及高温合金铸造领域，具体是同时改变硼和锆元素的含量提高K4169高温合金的流动性。

背景技术

近些年，随着我国大型运输机和大型客机项目的立项，国内对大型复杂薄壁高温合金铸件开始有迫切的需求。如在研的涡扇15、涡扇20及商业发动机机匣的直径都在1.2m以上、大面积薄壁壁厚仅1.8～2mm。由于缺乏技术积累，我国在这些复杂高温合金铸件的制造方面遇到巨大的困难，和国外有20～30年的差距。除了面临尺寸超差的问题以外，传统熔铸工艺在解决大型复杂薄壁铸件组织控制方面存在极大的挑战：为了保证良好充型通常采用高的浇注温度，由于铸件冷却速率慢、铸件表面和内部温差大，使得晶粒粗大、薄壁处出现贯穿晶等问题特别突出。而降低浇注温度则导致浇不足、冷隔、补缩差。因此，在浇注大型复杂薄壁铸件时，保证充型和实现凝固组织控制表现出尖锐的矛盾，很难兼顾。

如果通过改变合金的成分提高流动性，就可保证在低的浇注温度下铸件成型，间接起到组织细化的作用。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的流动性起不到作用。

经过对现有技术的文献检索发现：文献“W.Qudong,L.Yizhen等人在Materials Science and Engineering A271(1999)发表的“Study on the fluidity of AZ91+xRE magnesium alloy”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。

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。在K4169高温合金中，硼和锆元素的质量百分比分别为0.0026和0.028左右。

发明内容

本发明的目的是提供一种提高K4169高温合金流动性的配方，以实现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22％以上。

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0.0048～0.0070％，Zr为0.035～0.049％，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。

本发明通过同时改变硼和锆的含量提高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所示为本发明同时添加硼和锆对K4169高温合金流动性测试的实物图。可以看出，当同时改变硼和锆的含量，可使K4169高温合金的流动性提高22％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。当硼和锆的质量百分比分别为0.0059和0.042的显微疏松(图3)比现有K4169(图2)减少了85％。

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。同时改变硼和锆元素的含量可以减小合金的液相线与γ相的初始熔化温度之间的温度间隔(图4)，使合金的流动性提高。。

硼和锆在高温合金中偏析到晶界，是合金最后凝固的区域。当增加微量的硼和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。在同一温度下，同时改变硼和锆的含量使合金的剩余液相分数比现有的K4169高温合金有所提高(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影响合金的力学性能。高温合金中两种或两种以上微合金化元素的复合添加对合金力学性能产生重要的影响。微量元素硼和锆在高温合金中被认为是有益元素。硼和锆都可以改善合金的持久和蠕变性能，但是它们对合金性能的影响是以互补。由于它们的原子半径相差较大以及γ和γ′相中的低的溶解度，两者都向晶界偏聚，填充晶界上的空位，减少晶界扩散反应，推迟γ′贫化区的形成，从而提高合金的力学性能。因此，本发明通过改变硼和锆的含量在不降低合金力学性能的前提下可以提高合金的流动性。

附图说明

图1是不同硼和锆的含量对K4169合金流动性影响的实物图；其中，图1a是K4169合金试样；图1b是硼和锆的质量百分比分别为0.0059和0.042时K4169合金试样；图1c是硼和锆的质量百分比分别为0.0059和0.049时K4169合金试样；图1d是锆的质量百分比分别为0.0059和0.035时K4169合金试样；图1e是硼和锆的质量百分比分别为0.007和0.042时K4169合金试样；图1f是硼和锆的质量百分比分别为0.0048和0.042时K4169合金试样。

图2是K4169合金显微疏松图。

图3是硼和锆的质量百分比分别为0.0059和0.042时K4169合金显微疏松图。

图4是不同含量的硼和锆对K4169合金的DSC曲线的影响；其中，曲线1是硼和锆的质量百分比分别为0.0070和0.042时DSC曲线图；曲线2是硼和锆的质量百分比分别为0.0059和0.049时DSC曲线图；曲线3是硼和锆的质量百分比分别为0.0059和0.035时DSC曲线图；曲线4是硼和锆的质量百分比分别为0.0059和0.042时DSC曲线图；曲线5是硼和锆的质量百分比分别为0.0048和0.042时DSC曲线图。

图5是不同含量的硼和锆对K4169合金在不同温度下的剩余液相分数的影响；其中，曲线6是硼和锆的质量百分比分别为0.0059和0.042时剩余液相分数图；曲线7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	0.0059
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	0.0059
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(％)
							0.035	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	0.007
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5

表5

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(％)
							0.042	5.03	0.05	0.043	0.0035	0.0018	0.0015
杂质(％)	Fe(％)
							≤0.01	余量

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	实施例5
							流线长度(mm)	150	398	349	294	183	201

表6实施例5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5	1087.5	1083.2	9.93

由表5和6可知，本发明通过同时改变硼和锆的含量，相比较于现有的K4169高温合金在不降低合金机械性能的前提下，使K4169高温合金的流动性提高了22％以上；当硼和锆的质量百分比分别为0.0059和0.042时，合金的流动性比现有的K4169高温合金流动性提高了1.65倍。

Claims

1.一种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％，Nb为5.03％，Ta为0.05％，Si为0.043％，Mn为0.0035％，B为0.0048～0.007％，Zr为0.035～0.049％，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数。