CN104561662A - 一种粉末合金及其生产工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及合金生产技术领域，具体的说是一种粉末合金及其生产工艺，C为0.04-0.09%，Cr为12-14%，Co为7-9%，W为3.3-3.7%，Mo为3.3-3.7%，Al为2.3-3.7%，Ti为3.3-2.7%，Nb为3.3-3.7%，B为0.006-0.015%，Zr为0.03-0.07%，Ni为余量。本发明是一种高合金化的r′相沉淀强化型镍基高温合金，其r′体积含量为50%～55%，r′形成元素含量（原子）为28%。它是当前650℃使用条件下强度水平最高的涡轮盘材料，除用于高、低压涡轮盘外，也可用于压气机盘、涡轮轴、涡轮挡环、高温密封件等高温零件，本发明采用等离子旋转电极制粉设备制得粉末，其粉末质量大幅度提高。

Description

一种粉末合金及其生产工艺

技术领域

本发明涉及合金生产技术领域，具体的说是一种粉末合金及其生产工艺。

背景技术

精密合金具是有特殊物理性能的金属材料，用于制造电子、电工器件、精密仪器和仪表等，它是电气工业、电子工业、精密仪表工业和自动控制系统中不可缺少的材料，传统的高温精密合金带材，不能可用于压气机盘、涡轮轴、涡轮挡环、高温密封件等高温零件，根据不同使用要求，对粉末高温合金可以采用HIP（热等静压）直接成形、HIP+模锻、HIP+等温锻和挤压+等温锻等不同工艺路线。在我国没有大型挤压机和大型等温锻造机的条件下，曾选用HIP+包套模锻的成形工艺路线，模锻出φ420mm和φ630mm的全尺寸涡轮盘，但是存在的问题是粉末中的陶瓷夹杂含量较高，致使材料性能不太稳定。

因此，为克服上述技术的不足而设计出可用于压气机盘、涡轮轴、涡轮挡环、高温密封件等高温零件，采用等离子旋转电极制粉设备制得粉末，其粉末质量大幅度提高的一种粉末合金及其生产工艺，正是发明人所要解决的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种粉末合金及其生产工艺，可用于压气机盘、涡轮轴、涡轮挡环、高温密封件等高温零件，采用等离子旋转电极制粉设备制得粉末，其粉末质量大幅度提高，有非常好的效果。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种粉末合金配方比例如下，C为0.04-0.09%，Cr为12-14%，Co为7-9%，W为3.3-3.7%，Mo为3.3-3.7%，Al为2.3-3.7%，Ti为3.3-2.7%，Nb为3.3-3.7%，B为0.006-0.015%，Zr为0.03-0.07%，Ni为余量。

一种粉末合金生产工艺，工艺包含以下步骤：

（1）母合金熔炼，用200kg真空感应炉冶炼，熔炼温度1550℃，真空度1.3×10^-1Pa，浇注成φ80×1000mm的圆棒，处理后准备重熔喷粉;

（2）雾化制粉，用65kg真空感应炉—氩气雾化装置将母合金重熔，熔液经漏嘴流下，用高压氩气将其雾化成粉末，浇注温度为1520℃，氩气喷吹压力为1.6～1.8MPa;

（3）粉末处理，粉末高温合金对粉末质量要求十分严格，FGH95合金粉末在氩气保护下筛分，粒度为-150目，粉末经静电分离法去除陶瓷夹杂，在3.99×10^-3Pa的真空下，加热300℃，去除粉末表面吸附的气体，在真空下将粉末装入不锈钢套，摇实，焊封，钢套尺寸为φ240×380mm，装粉质量为82～88kg;

（4）热等静压成形， HIP工艺参数为1120℃，110MPa，3h，炉冷;

（5）自由锻制坯 ，HIP锭坯在12000t水压机上进行自由锻预制坯，加热温度为1120℃，分两火锻造，总变形量为61%;

（6）盘坯模锻，自由锻坯在12000t水压机上进行模锻，加热温度为1200℃，一火锻成;

（7）热处理，和时效强化型高温合金的热处理工艺相类似，进行固溶处理和时效处理，热处理规范为：1120℃，1h，油冷+870℃，1h，空冷+650℃，24h，空冷。

本发明的有益效果是：

1、本发明的是一种高合金化的r′相沉淀强化型镍基高温合金，其r′体积含量为50%～55%，r′形成元素含量（原子）为28%。它是当前650℃使用条件下强度水平最高的涡轮盘材料，除用于高、低压涡轮盘外，也可用于压气机盘、涡轮轴、涡轮挡环、高温密封件等高温零件;

2、本发明采用等离子旋转电极制粉设备制得粉末，其粉末质量大幅度提高。

附图说明

图1 为本发明结构示意图;

图2为本发明高倍组织结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明，应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落在申请所附权利要求书所限定的范围。

一种粉末合金配方，其配方比例如下，C为0.04-0.09%，Cr为12-14%，Co为7-9%，W为3.3-3.7%，Mo为3.3-3.7%，Al为2.3-3.7%，Ti为3.3-2.7%，Nb为3.3-3.7%，B为0.006-0.015%，Zr为0.03-0.07%，Ni为余量。

参见图1所示，一种粉末合金生产工艺，工艺包含以下步骤：

（1）母合金熔炼，用200kg真空感应炉冶炼，熔炼温度1550℃,真空度1.3×10^-1Pa，浇注成φ80×1000mm的圆棒，处理后准备重熔喷粉;

（2）雾化制粉，用65kg真空感应炉—氩气雾化装置将母合金重熔，熔液经漏嘴流下，用高压氩气将其雾化成粉末。浇注温度为1520℃，氩气喷吹压力为1.6～1.8MPa;

（3）粉末处理，粉末高温合金对粉末质量要求十分严格。FGH95合金粉末在氩气保护下筛分，粒度为-150目。粉末经静电分离法去除陶瓷夹杂。在3.99×10^-3Pa的真空下，加热300℃，去除粉末表面吸附的气体。在真空下将粉末装入不锈钢套，摇实，焊封。钢套尺寸为φ240×380mm，装粉质量为82～88kg;

（4）热等静压成形，HIP工艺参数为1120℃，110MPa，3h，炉冷;

（5）自由锻制坯，HIP锭坯在12000t水压机上进行自由锻预制坯。加热温度为1120℃，分两火锻造，总变形量为61%;

（6）盘坯模锻，自由锻坯在12000t水压机上进行模锻。加热温度为1200℃，一火锻成;

（7）热处理，和时效强化型高温合金的热处理工艺相类似，进行固溶处理和时效处理。热处理规范为：1120℃，1h，油冷+870℃，1h，空冷+650℃，24h，空冷。

参见图2所示，在上述工艺流程中，第4、第5和第6项为粉末压实成形阶段。通过压实工艺，不但要获得一定形状和尺寸的锻件或预成形件，使粉末材料致密化，达到理论密度，而且要使材料的组织发生显著的变化。锻造加热温度对FGH95合金显微组织和力学性能影响的研究表明，合金在1080～1140℃加热，所得组织均匀，晶粒细小，各项力学性能都能达到技术条件要求；而在1160℃加热，由于大部分r′相溶解，晶粒长大，虽然持久强度提高，但屈服强度明显降低。锻造变形量对合金显微组织和力学性能影响的研究结果表明，热等静压坯经锻造变形后，破碎了原始颗粒边界（PPB）和铸态枝晶组织。变形量由42%增加到77%，枝晶组织从1.99%减少到0.39%。由于组织的改善，锻造合金的拉伸强度、屈服强度和塑性，都比热等静压态的合金明显提高。若采用热挤压工艺，由于粉末颗粒受到了强烈的剪切变形，高倍组织中已观察不到枝晶组织和PPB，是完全再结晶的细晶组织。变形速度对合金的变形抗力和塑性影响也很大，慢速变形时，变形抗力降低，塑性提高。

按图1工艺流程制得的粉末高温合金盘件，其低倍组织均匀，无宏观偏析，晶粒细小。高倍组织如图2所示，其基体为奥氏体，组织均匀，晶粒细小，晶粒度为ASTM13～14级。基体上弥散分布着不同尺寸的r′相，0.5～1.5um的大r′相分布于晶界，晶内为细小的r′相，枝晶区有规则排列的r′相，晶内和晶界存在着微量MC和M23C6型碳化物和M3B2型硼化物。盘件的全面性能优异，有待进一步完善工艺，为高推比发动机提供高性能、可靠的盘件和其他热端部件。

粉末冶金IN100合金涡轮盘是采用热挤压+超塑性等温锻造工艺制造的。其最佳超塑温度范围是1036～1093℃，最大m值为0.5，最大延伸率为100%。镍基合金成功地进行等温锻造的关键是锻造前形成细晶组织并在锻造中维持细小晶粒组织。因此像IN100及Rene’95和Astroloy合金因含有大量r′相，在等温锻造中可防止晶粒长大，容易获得所必须的超塑性性能。对于等温锻造，采用带精确速度控制的液压机，典型的滑块速度在0.04～0.4mm/s范围中。在等温锻造时，模具必须在980～1095℃温度下保持其强度。最广泛应用的模具材料是钼合金钢TZM，它可在1205℃（2200F）温度下使用。这种钼合金在高温下虽然有良好的抗氧化性能，但一般仍要求锻造系统在保护气氛（如氩或氮）或在真空条件下操作，以防止模具材料氧化。

Claims (2)

1.一种粉末合金配方比例如下，其特征在于，配方比例为：C为0.04-0.09%，Cr为12-14%，Co为7-9%，W为3.3-3.7%，Mo为3.3-3.7%，Al为2.3-3.7%，Ti为3.3-2.7%，Nb为3.3-3.7%，B为0.006-0.015%，Zr为0.03-0.07%，Ni为余量。

2.一种粉末合金生产工艺，其特征在于：工艺包含以下步骤：

（1）母合金熔炼，用200kg真空感应炉冶炼，熔炼温度1550℃，真空度1.3×10^-1Pa，浇注成φ80×1000mm的圆棒，处理后准备重熔喷粉;

（2）雾化制粉，用65kg真空感应炉—氩气雾化装置将母合金重熔，熔液经漏嘴流下，用高压氩气将其雾化成粉末，浇注温度为1520℃，氩气喷吹压力为1.6～1.8MPa;

（3）粉末处理，粉末高温合金对粉末质量要求十分严格，FGH95合金粉末在氩气保护下筛分，粒度为-150目，粉末经静电分离法去除陶瓷夹杂，在3.99×10^-3Pa的真空下，加热300℃，去除粉末表面吸附的气体，在真空下将粉末装入不锈钢套，摇实，焊封，钢套尺寸为φ240×380mm，装粉质量为82～88kg;

（4）热等静压成形， HIP工艺参数为1120℃，110MPa，3h，炉冷;

（5）自由锻制坯 ，HIP锭坯在12000t水压机上进行自由锻预制坯，加热温度为1120℃，分两火锻造，总变形量为61%;

（6）盘坯模锻，自由锻坯在12000t水压机上进行模锻，加热温度为1200℃，一火锻成;

（7）热处理，和时效强化型高温合金的热处理工艺相类似，进行固溶处理和时效处理，热处理规范为：1120℃，1h，油冷+870℃，1h，空冷+650℃，24h，空冷。