CN104388756B - 一种镍基合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于材料制备技术领域，具体涉及一种镍基合金及其制备方法。其各组份重量百分比之和按100％计算，Cu的重量百分比数为25％～35％，Mn的重量百分比数为0.5～1.5％，Fe的重量百分比数为0～2.5％，Al的重量百分比数为2.5％～3.5％，Ti的重量百分比数为0.5％～0.9％，稀土Ce的重量百分比数为0.025％～0.065％，余量为Ni以及不可避免的杂质元素。其制备方法包括各组份熔炼、合金液氧含量处理、合金液变质处理以及最终浇铸冷却。本发明的镍基合金能够具备更小的晶粒度，耐腐蚀性也较之传统铸造镍基合金更强，其制作也极为简洁方便。

Description

一种镍基合金及其制备方法

技术领域

本发明属于材料制备技术领域，具体涉及一种镍基合金及其制备方法。

背景技术

以金属镍为主，金属铜为辅的镍基合金具有较好的耐腐蚀，耐高温性能；是应用最为广泛的耐腐蚀合金之一，被广泛的应用于制造耐热，承受耐腐蚀介质作用的使用场合，常用于制造航空、航海、化工泵阀等零部件。由于该种类合金主要成分为镍和铜，而镍的熔点为1453℃，铜的熔点为1083℃，二者熔点相差较大，因此在非真空条件也即正常大气状态下的熔炼铸造过程中，往往产生以下问题：1)、合金液流动性差，其合金凝固时会形成大量的气孔或在晶界上生成大量的夹杂物；2)、铸件在冷却过程中体收缩大，易造成缩孔、缩松等铸造缺陷；3)、合金液在冷却成铸件的过程中出现各部分化学成分不均匀的现象即成分偏析性以及吸气和氧化。合金液在冷却成铸件的过程中易产生氧化、吸气和枝晶偏析状况，从而不利于合金的铸造成型。

氧化、吸气：主要是指合金液在正常大气条件下浇注时，合金液与大气接触，将卷入一定的空气，由于合金液中主要为镍和铜，在高温条件下又极易被氧化，所以会导致合金成分不稳定，在最终的铸件中产生夹渣物，影响合金铸件的性能。

此外，铸件在冷却和凝固过程中，由于合金的液态收缩和凝固收缩，往往在铸件最后凝固的地方出现孔洞。容积大而且比较集中的孔洞称为缩孔；细小而且分散的孔洞称为缩松。缩孔的形状不规则，表面粗糙，可以看到发达的树枝晶末梢。合金液为镍铜合金，凝固时铸件的整体收缩较大，如果浇注温度和浇注时间控制不佳的话，合金液快速的凝固会导致最后凝固部分，合金液不缩不够，导致缩孔和缩松。

随着上述现象的发生，铸件缩孔、缩松、内应力、变形和裂纹等缺陷产生不可避免，进而导致该合金整体性能的下降，直至严重影响该合金的正常应用。如何寻求一种操作简便的新型镍基合金及其制备方法，从而能够解决目前在非真空条件下，镍基合金因吸气、氧化及枝晶偏析等缺陷而造成的铸件开裂、耐腐蚀性能及铸造性能不佳的问题，为本领域近十年来所亟待解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的之一是为克服上述现有技术的不足，提供一种镍基合金，其能够具备更小的晶粒度，耐腐蚀性也较之传统铸造镍基合金更强，可有效避免非真空条件下，镍基合金因吸气、氧化及枝晶偏析等状况造成的铸件开裂、耐腐蚀性能及铸造性能不佳的问题；同时，本发明还披露了上述合金的制作方法，以能通过简洁的操作完成其合金制作流程。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种镍基合金，该合金的组份组成至少包括Cu、Mn、Al、Ti、稀土Ce、Ni；各组份重量百分比之和按100％计算，Cu的重量百分比数为25％～35％，Mn的重量百分比数为0.5～1.5％，Fe的重量百分比数为0～2.5％，Al的重量百分比数为2.5％～3.5％，Ti的重量百分比数为0.5％～0.9％，稀土Ce的重量百分比数为0.025％～0.065％，余量为Ni以及不可避免的杂质元素。

本发明的目的之二是提供一种上述镍基合金的制备方法，包括以下步骤：

1)、组份熔炼：

按照其合金成分配比选定各原料组份，在正常大气状态下，于中频感应炉环境中进行熔炼；各原料组份的添加顺序为：

首先投入Ni板和Cu块，以二氧化硅作为溶剂进行熔炼，再向其熔融液中添入指定组份的Ti料、Mn料、Fe料和Al料，初步获得合金液；

2)、氧含量处理

在上述配料完全融化时，添入Ni-18Mg中间合金来控制合金液的含氧量在质量分数0.001％以下，Ni-18Mg中间合金中的镁与合金液中氧气反应生成固相氧化镁并从上述合金液中析出，形成炉渣，得到处理后的合金液；

3)、变质处理及浇铸

在上述处理后的熔融的合金液中加入定额的由铜皮包裹的稀土Ce粉末，以进行变质处理，随后浇铸到预热的砂型中；待浇铸后的砂型温度降低到400℃～450℃时，将铸件连同砂型一同放入加热炉中保温，保温温度为300℃～400℃，保温时间为2～4小时并随炉冷却，得到镍基合金。

镍基合金的各组份在中频感应炉环境中的总熔炼时间控制在60min～90min。

所述步骤3)中，在熔融的合金液浇铸到预热的砂型中时，浇铸温度控制为1480℃～1550℃，浇注时间控制为10～20S。

所述步骤3)中，在熔融的合金液浇铸到预热的砂型中时，砂型采用石英砂型，在合金浇铸前其在加热炉中提前预热至350℃～400℃，预热时间为4h。

所述步骤1)中，使用玻璃作为二氧化硅的原始提取料。

本发明的主要优点在于：

1)、通过合适的组份配比，跳出了传统的真空熔炼的框架，在非真空条件也即正常大气状态下，反而能够获得铸造性能和耐蚀性能更为良好的镍基合金铸件，同时较真空熔炼的铸造工艺更简单，制备成本更低，且熔炼及浇铸操作也更为方便，极为符合目前的厂家的低成本和高效能生产所需。

2)、采用较短的合金熔炼时间，有效的减少合金液的吸氧程度。在合金的各组份熔化完全时，通过添加Ni-18Mg中间合金，起到了脱氧除气、细化晶粒作用，可有效的改善铸件的机械性能。

3)、在合金熔液中添加稀土Ce，有效地避免了铸件吸氧、气孔的缺陷，改善了合金基体，细化了晶粒组成，从而可以有效地避免枝晶偏析的产生，有利于提升合金的综合性能。

稀土Ce元素作为一种变质剂，能够增加合金在凝固过程中非均匀形核的基底，且合金在杂质和型壁上形核可减少单位体积的表面能，而使临界晶核的原子数较均匀形核少；因此，可在较小的过冷度条件下形核。即稀土Ce元素能够强烈的促进非均匀形核，细化晶粒。此外，稀土Ce元素极易氧化，能够与熔融合金液中的氧气反应，并形成高熔点的稀土Ce氧化物，因此，加入稀土Ce元素能够在镍基合金凝固前沿形成大量的、尺寸细小的高熔点化合物作为凝固的非自发核心，以细化晶粒，能够有效地解决镍基合金组织粗大、枝晶发达以及成分偏析的情况。

4)、浇铸前对砂型进行定时定温预热，能够有效地消除砂型中的水汽，避免浇铸时产生气孔缺陷。浇铸后铸件与砂型一起放入加热炉中进行保温处理，能够有效地避免铸件因冷却过快而产生凝固裂纹，从而有效地限制了铸件裂纹的产生。

具体实施方式

为便于理解，此处通过以下具体实施方式，以对本发明的制备流程作进一步说明：

实施例1：

按照质量百分比，分别称取Cu：28％,Mn：0.5％，Al：2.5％，Ti：0.5％，Ce：0.025％，余量为Ni及不可避免杂质元素，各组份质量百分比之和为100％。按照上述成分配比，在非真空条件(也即正常大气状态)下在中频感应炉中进行熔炼。合金的添加顺序为：Ni板+Cu块+溶剂(也即玻璃)→熔化后添加海绵Ti+Mn板+Al丝，从而初步形成合金液→上述合金液中添加Ni-18Mg中间合金→测温出炉。整个合金熔炼时间控制在60min。在配料完全熔化时，通过添加Ni-18Mg中间合金，使其中的镁与合金液中氧气反应生成固相氧化镁炉渣，并析出上述合金液，以控制合金液的氧含量在质量分数为0.001％以下，剩下的合金液即可进行后续浇铸处理。将前述处理后的熔融的合金液浇注到提前预热4h，预热温度为350℃的石英砂型中前，加入定额的由铜皮包裹的稀土Ce粉末，进行变质处理。浇铸温度为1480℃，浇注时间为10S。待浇铸后的砂型温度降低到400℃时，将铸件连同砂型一同放入加热炉中，炉温为300℃，保温2小时，然后随炉冷却，最终得到镍基合金。

实施例2：

按照质量百分比，分别称取Cu：30％，Mn：1.0％，Fe：1.5％，Al：2.8％，Ti：0.75％，Ce：0.045％，余量为Ni及不可避免杂质元素，各组份质量百分比之和为100％。按照上述成分配比，在非真空条件(也即正常大气状态)下在中频感应炉中进行熔炼。合金的添加顺序为：Ni板+Cu块+溶剂(也即玻璃)→熔化后添加海绵Ti+Mn板+Al丝，初步形成合金液→添加Ni-18Mg中间合金→测温出炉。整个合金熔炼时间控制在75min；在配料完全熔化时，添加Ni-18Mg中间合金，使其中的镁与合金液中氧气反应生成固相氧化镁炉渣，并析出上述合金液，以控制合金液的氧含量在质量分数为0.001％以下，剩下的合金液即可进行后续浇铸处理。将前述处理后的熔融的合金液浇注到提前预热4h，预热温度为380℃的石英砂型中前，加入定额的由铜皮包裹的稀土(Ce)粉末，进行变质处理，浇铸温度为1500℃，浇注时间为15S。待浇铸后的砂型温度降低到420℃时，将铸件连同砂型一同放入加热炉中，炉温为350℃，保温3小时，然后随炉冷却，得到镍基合金。

实施例3：

按照质量百分比，分别称取Cu：35％，Mn：1.5％，Fe：2.5％，Al：3.5％，Ti：0.9％，Ce：0.065％，余量为Ni以及不可避免的杂质元素，组份质量百分比之和为100％。按照上述成分配比，在非真空条件(也即正常大气状态)下在中频感应炉中进行熔炼，合金的添加顺序为：Ni板+Cu块+溶剂(也即玻璃)→熔化后添加海绵Ti+Mn板+Al丝，初步形成合金液→合金液中添加Ni-18Mg中间合金→测温出炉；整个合金熔炼时间控制在90min；在配料完全熔化时，添加Ni-18Mg中间合金，最终镁与氧气反应生成固相氧化镁炉渣，并排出合金液，从而控制合金液的氧含量在质量分数为0.001％以下。在熔融的合金液浇注到提前预热4h，预热温度为400℃的石英砂型中前，加入定额的由铜皮包裹的稀土(Ce)粉末，进行变质处理。浇铸温度为1550℃，浇注时间为20S。待浇铸后的砂型温度降低到450℃时，将铸件连同砂型一同放入加热炉中，炉温为400℃，保温4小时，然后随炉冷却，得到镍基合金。

表1:普通的铸造镍基合金与本发明制备的铸造镍基合金性能对比：

从表1真空熔炼的普通铸造镍基合金与本发明制备的非真空熔炼镍基合金性能对比可以看出，经过本发明制备后的镍基合金，明显具有更细小的晶粒度，且耐腐蚀性更好。实际生产表明，在本发明的制备过程中，铸件开裂、耐腐蚀性能及铸造性能不佳的问题均得到了有效避免，其操作步骤简洁，工作可靠稳定而使用性能更高，更为符合目前厂家的低成本、高效率和快节奏的生产需求。

Claims (5)

1.一种镍基合金的制备方法，该镍基合金的组份组成至少包括Cu、Mn、Al、Ti、稀土Ce、Ni；各组份重量百分比之和按100％计算，Cu的重量百分比数为25％～35％，Mn的重量百分比数为0.5～1.5％，Fe的重量百分比数为0～2.5％，Al的重量百分比数为2.5％～3.5％，Ti的重量百分比数为0.5％～0.9％，稀土Ce的重量百分比数为0.025％～0.065％，余量为Ni以及不可避免的杂质元素；其特征在于包括以下步骤：

1)、组份熔炼：

按照其合金成分配比选定各原料组份，在正常大气状态下，于中频感应炉环境中进行熔炼；各原料组份的添加顺序为：

首先投入Ni板和Cu块，以二氧化硅作为溶剂进行熔炼，再向其熔融液中添入指定组份的Ti料、Mn料、Fe料和Al料，初步获得合金液；

2)、氧含量处理

在上述配料完全融化时，添入Ni-18Mg中间合金来控制合金液的含氧量在质量分数0.001％以下，Ni-18Mg中间合金中的镁与合金液中氧气反应生成固相氧化镁并从上述合金液中析出，形成炉渣，得到处理后的合金液；

3)、变质处理及浇铸

在上述处理后的熔融的合金液中加入定额的由铜皮包裹的稀土Ce粉末，以进行变质处理，随后浇铸到预热的砂型中；待浇铸后的砂型温度降低到400℃～450℃时，将铸件连同砂型一同放入加热炉中保温，保温温度为300℃～400℃，保温时间为2～4小时并随炉冷却，得到镍基合金。

2.根据权利要求1所述的镍基合金的制备方法，其特征在于：镍基合金的各组份在中频感应炉环境中的总熔炼时间控制在60min～90min。

3.根据权利要求1所述的镍基合金的制备方法，其特征在于：所述步骤3)中，在熔融的合金液浇铸到预热的砂型中时，浇铸温度控制为1480℃～1550℃，浇注时间控制为10～20s。

4.根据权利要求1所述的镍基合金的制备方法，其特征在于：所述步骤3)中，在熔融的合金液浇铸到预热的砂型中时，砂型采用石英砂型，在合金浇铸前其在加热炉中提前预热至350℃～400℃，预热时间为4h。

5.根据权利要求1所述的镍基合金的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中，使用玻璃作为二氧化硅的原始提取料。