CN106086527A - 一种耐高温合金材料、其制备方法及其应用 - Google Patents

一种耐高温合金材料、其制备方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耐高温合金材料，属于合金材料技术领域，其化学组成，按重量百分比计为：C≤0.15%、Cr 13.0~17.0%、Mo 4.50%~5.50%、Co 14.0%~20.0%、Al 3.75%~4.75%、Ti 2.75%~3.75%、B 0.001%~0.05%，余量为Ni，本发明还公开了上述合金材料的制备方法和应用；本发明的合金材料具有优异的耐高温性能和力学性能，室温（25℃）的抗拉强度σb≥1250N/mm2，屈服强度σ0.2≥925N/mm2，伸长率δ5≥10％；高温（760±3℃）的抗拉强度σb≥1000N/mm2，屈服强度σ0.2≥845N/mm2，伸长率δ5≥5％；高温持久性能：应力185Mpa、温度900℃，持久断裂时间≥100h，伸长率δ5≥5％。

Description

一种耐高温合金材料、其制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及合金材料，尤其涉及一种耐高温合金材料、其制备方法及其应用。
背景技术
在航空技术领域，航空发动机的热部件中，叶片材料的使用条件最为苛刻。
涡轮叶片是燃气轮机的关键部件，为了提高发动机的效率，必须不断提高涡轮燃气进口温度。一般叶身部分的温度达650℃以上，甚至高达980℃，叶根部分的温度也高达700℃以上。而且涡轮叶片承受气动力和离心力的作用，产生拉应力和弯曲应力，同时燃气流的高速脉冲，使叶片产生震动应力。叶身部分承受的拉应力平均为140Mpa，叶根部分承受的拉应力达280Mpa以上，因此叶片材料要有足够的高温拉伸强度、持久强度和蠕变强度，此外还要有良好的机械疲劳、热疲劳性能、抗氧化性能、抗热腐蚀性能和一定的塑性。
现有的很多关于耐高温材料的报道，比如申请号为201110125242.X，发明名称为“一种Cr改性的高Mo的Ni3Al基单晶高温合金及其制备方法”的中国专利，该单晶高温合金性价比高、使用寿命长、抗氧化腐蚀性能优异,耐1100～1200℃高温下的氧化腐蚀；又比如申请号为201010296131.0发明名称为“一种含稀土元素的镍钴基高温合金及其制备方法”中国专利，该专利申请的合金具有优异的可加工性能以及室温至高温拉伸强度，持久性能与高性能铸锻高温合金TMW相当。
但是，现有的耐高温合金，在用于涡轮盘或涡轮叶片时，其理化性能仍然不能很好地满足要求；比如申请号为201110125242.X的中国专利，虽然其高温耐腐蚀性能较好，但是其力学性能较差；又比如申请号为201010296131.0的中国专利，其高温适应仅为700-750℃，而在750℃以上、甚至980℃的高温下，其力学性能较差，不能满足用于涡轮盘或涡轮叶片的需要，获得一种高温条件下具备优异力学性能和耐腐蚀性能的材料是本领域技术人员一种希望解决而未能解决的技术难题。
发明内容
本发明的目的之一，就在于提供一种耐高温合金材料，以解决上述问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种耐高温合金材料，其化学组成，按重量百分比计为：
C(碳)≤0.15％
Cr(铬)13.0～17.0％
Mo(钼)4.50％～5.50％
Co(钴)14.0％～20.0％
Al(铝)3.75％～4.75％
Ti(钛)2.75％～3.75％
B(硼)0.001％～0.05％，
余量为Ni(镍)。
作为优选的技术方案：其化学组成，按重量百分比计为：
C 0.04～0.10％
Cr 14.5～15.50％
Mo 4.60～5.30％
Co 14.5～15.50％
Al 4.20～4.60％
Ti3.30～3.70％
B 0.025～0.035％，
余量为Ni。
作为优选的技术方案：所述材料中，所含的杂质，按质量百分比计：
P≤0.025％S≤0.015％
Mn≤0.15％Si≤0.20％
Cu≤0.10％Fe≤4.0％。
本发明的目的之二，在于提供一种上述的耐高温合金材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按组分比例称量原料，然后进行熔炼，熔炼温度1450～1480℃，溶液浇注成自耗电极；
在熔炼过程中调节各元素的含量，使其重量比符合设计要求，控制杂质元素的含量尽量低；
(2)将步骤(1)所得的自耗电极进行重熔精炼，重熔成电渣锭；其目的是进一步降低杂质元素的含量，使其符合设计要求
(3)将步骤(2)所得的电渣锭加热至1110～1140℃，保温2～3小时，制成所需棒材或型材；
(4)将步骤(3)所得的棒材或型材采用探伤设备检查棒材芯部及表面缺陷，将无缺陷棒材或型材加热至1150℃保温30min后，经油冷或空冷至室温；并将棒材或型材再热加热至740℃～830℃，保温4小时后空冷至室温；即得。
作为优选的技术方案：步骤(1)中，熔炼时在真空感应炉中进行。
作为优选的技术方案：步骤(2)在可控气氛电渣炉中进行。
作为优选的技术方案：步骤(3)中采用液压力快锻机。
本发明的目的之三，在于提供一种上述合金材料的应用，即将所述合金材料用于制作涡轮盘或涡轮叶片。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的合金材料具有优异的耐高温性能和力学性能，室温(25℃)的抗拉强度σb≥1250N/mm2，屈服强度σ0.2≥925N/mm2，伸长率δ5≥10％；高温(760±3℃)的抗拉强度σb≥1000N/mm2，屈服强度σ0.2≥845N/mm2，伸长率δ5≥5％；高温持久性能：应力185Mpa、温度900℃，持久断裂时间≥100h，伸长率δ5≥5％，尤其适合于制作涡轮盘或涡轮叶片。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1-5：
采用不同含量的元素，制得合金材料，一共采用了5种不同的配方，各元素的组成见表1，表1中余量为Ni，表1中，均为质量百分含量值。
表1实施例1-5中各种元素的组成
C Cr Mo Co Al Ti B
实施例1 0.01 13.00 5.50 14.00 3.75 3.75 0.050
实施例2 0.15 17.00 4.50 20.00 4.75 2.75 0.001
实施例3 0.04 15.50 4.60 14.50 4.60 3.70 0.025
实施例4 0.10 14.50 5.30 15.50 4.20 3.30 0.035
实施例5 0.06 15.10 5.10 15.00 4.50 3.60 0.030
制备方法：
(1)按照表1取所需化学元素，在真空感应炉冶炼，熔炼温度1450～1480℃，熔炼过程中调节化学元素的含量，使其重量百分比如表1：溶液浇注成自耗电极；
(2)将步骤(1)所得的自耗电极进行重熔精炼，重熔成电渣锭；
(3)将步骤(2)所得的电渣锭加热至1110～1140℃，保温2～3小时，制成所需棒材或型材；
(4)将步骤(3)所得的棒材或型材采用探伤设备检查棒材芯部及表面缺陷，将无缺陷棒材或型材加热至1150℃保温30min后，经空冷至室温；并将棒材或型材再热加热至740℃～830℃，保温4小时后空冷至室温；即得。
实施例6：
材料性能测试：
在成品钢棒上取样检验力学性能，进行对应的力学性能试验；
--试样热处理步骤及工艺参数如下：
固溶：加热温度1150±14℃时间10～30Min冷却方式：水冷
将实施例1-5所制得的成品钢棒进行性能测试：
经室温拉伸试验，结果表明其力学性能完全达到设计要求，试验结果如下：
表2室温拉伸：
参数 σb σ0.2 δ5
单位 N/mm2 N/mm2 ％
实施例1结果 1250 925 10
实施例2结果 1251 927 12
实施例3结果 1286 939 16
实施例4结果 1279 941 15
实施例5结果 1305 962 26
表3 760±3℃拉伸：
参数 σb σ0.2 δ5
单位 N/mm2 N/mm2 ％
实施例1结果 1000 845 5
实施例2结果 1020 847 5
实施例3结果 1060 851 6
实施例4结果 1070 852 7
实施例5结果 1120 869 9
表4高温持久性能(应力185Mpa、温度900℃)：
参数 持久断裂时间 δ5
单位 h ％
实施例1结果 100 5
实施例2结果 102 5
实施例3结果 106 6
实施例4结果 107 7
实施例5结果 112 8
从上述结果可以看出，用本材料制作涡轮盘或涡轮叶片，能够满足制作涡轮盘或涡轮叶片工作环境的使用要求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种耐高温合金材料，其特征在于，其化学组成，按重量百分比计为：
C ≤0.15%
Cr 13.0~17.0%
Mo 4.50%~5.50%
Co 14.0%~20. 0%
Al 3.75%~4.75%
Ti 2.75%~3.75 %
B 0.001%~0.05%，
余量为Ni。
2.根据权利要求1所述的耐高温合金材料，其特征在于，其化学组成，按重量百分比计为：
C 0.04~0.10%
Cr 14.5~15.50%
Mo 4.60~5.30%
Co 14.5~15.50%
Al 4.20~4.60%
Ti 3.30~3.70 %
B 0.025~0.035%，
余量为Ni。
3.根据权利要求1所述的耐高温合金材料，其特征在于，所述材料中，所含的杂质，按质量百分比计：
P≤0.025 % S≤0.015%
Mn≤0.15% Si≤0.20%
Cu≤0.10 % Fe≤4.0%。
4.权利要求1或2或3所述的耐高温合金材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）按组分比例称量原料，然后进行熔炼，熔炼温度1450~1480℃，溶液浇注成自耗电极；
（2）将步骤（1）所得的自耗电极进行重熔精炼，重熔成电渣锭；
（3）将步骤（2）所得的电渣锭加热至1110~1140℃，保温2~3小时，制成所需棒材或型材；
（4）将步骤（3）所得的棒材或型材采用探伤设备检查棒材芯部及表面缺陷，将无缺陷棒材或型材加热至1150℃保温30min后，经油冷或空冷至室温；并将棒材或型材再热加热至740℃～830℃，保温4小时后空冷至室温；即得。
5.根据权利要求4所述的耐高温合金材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，熔炼时在真空感应炉中进行。
6.根据权利要求4所述的耐高温合金材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）在可控气氛电渣炉中进行。
7.根据权利要求4所述的耐高温合金材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）中采用液压力快锻机。
8.权利要求1或2或3所述的耐高温合金材料的应用，其特征在于，将所述合金材料用于制作涡轮盘或涡轮叶片。
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