CN106435278B - 一种铝-钛时效型合金材料及其热处理工艺和应用 - Google Patents

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    • C22F1/10—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of nickel or cobalt or alloys based thereon

Abstract

本发明公开了一种铝钛时效型合金及其热处理工艺，按重量百分比计：包括C≤0.16％、Mn≤0.25％、Cr：14.0～17.0％、Mo：4.5～6.5％、Ti：2.25～2.75％、Fe：9.0～11.0％、Al：1.75～2.25％、Co≤2.5％，余量为Ni以及不可避免的杂质。本发明的铝钛时效型合金具有良好的力学性能、耐腐蚀和抗氧化性能。本发明还提供了所得合金的热处理工艺及该合金在发动机部件，尤其是在涡轮叶片上的应用。

Description

一种铝-钛时效型合金材料及其热处理工艺和应用
技术领域
本发明涉及合金材料的设计制造，尤其涉及一种铝-钛时效型合金材料及其热处理工艺和应用。
背景技术
随着合金材料的发展，铝钛合金最为一种具有压铸成品率高，铸件致密、成品强度高、无断裂的特点、柔韧性强、同时镀铜着色效果佳的金属材料被广泛应用于各个行业，燃气涡轮是将高温高压燃气流的能量转换为机械能的一种叶片机，主要是用来驱动燃气涡轮发动机中的压气机和其他附件，在涡轮螺旋桨或涡轮风扇发动机上还用来驱动空气螺旋桨或风扇，涡轮转速受到涡轮叶片叶尖切线速度的限制。一般为数千转至数万转每分，并且通过涡轮的燃气流量从数公斤每秒至一百多公斤每秒，因此，对涡轮材料的要求就越来越高，而提高涡轮叶片和涡轮盘材料的高温强度和采取有效的冷却措施能够提高涡轮前的燃气温度，对于发展燃气涡轮发动机具有重要的意义。
另外，涡轮材料对抗氧化性能和抗腐蚀性能也有着较高的要求。目前，用于涡轮材料的合金通常还需要进行预氧化处理，以便形成保护性膜。不过，即便进行了预氧化处理后，现有合金的抗腐蚀性仍不令人满意(100h，3％H2S腐蚀后，增重在0.02％左右)。同时，现有的合金材料在抗氧化性方面也不佳，在600℃下氧化的Kp为6×10-19mg2·cm-4·s-1左右。
因此，本领域亟需一种高温强度好、抗氧化和抗腐蚀性能优异的合金材料。
发明内容
本发明的目的之一是开发出使用强度性能更高、抗氧化和抗腐蚀性能更好的涡轮叶片材料；本发明的另一目的是解决其有更好的使用性能的热处理工艺；本发明还有一个目的在于提供所得合金材料在发动机部件，尤其是在涡轮叶片上的应用。
本发明的技术解决方案是：采用Ni-Cr-Mo-Al-Ti钢基合金，其化学成分，以重量百分比计，包括C≤0.16、Mn≤0.25、Cr：14.0～17.0、Mo：4.5～6.5、Ti：2.25～2.75、Fe：9.0～11.0、Al：1.75～2.25、Co≤2.5，P≤0.01％、S≤0.03％、B≤0.009％、Si≤0.6％，余量为Ni以及不可避免的杂质。
一般而言，Fe的含量越低，合金的成本就会越高。但发动机部件对合金性能有着较高的要求，现有该类型合金的Fe含量通常最多只能达到5％，当超过5％时，强度会显著的降低，同时也更易于被腐蚀、氧化。
本发明的发明人通过对合金成分的反复研究，发现当采用本发明成分配比时，所得合金不仅有很高的强度性能，同时还有非常优秀的抗氧化和耐腐蚀性。
另外，虽然Mo和W同样是作为高温强度的元素，W也能提供一定的耐腐蚀和抗氧化性。但本发明的发明人发现，对于本发明的合金而言，当利用W替代一部分Mo时，所得合金的耐腐蚀性出现了显著下降。
本发明提供了上述合金的一种热处理工艺，其步骤为：将制备得到的锻件，于1065-1095℃下进行固溶处理，保温1-2小时，之后冷却至室温。
优选的，所述固溶处理的温度为1205℃。
优选的，所述冷却方式为水冷。
本发明还提供了上述合金的一种热处理工艺，其步骤包括：
(1)将制备得到的锻件，于1065-1095℃下进行固溶处理，保温0.5小时，之后冷却至室温
(2)于750-770℃下进行时效处理，保温16小时，之后冷却至室温。
优选的，所述冷却的方式为空冷。
上述热处理工艺中，所述锻件是将合金原料经真空感应炉和真空自耗重熔熔炼和精炼处理后所得。
本发明的有益效果是：
(1)本发明的铝钛时效型合金具有良好的力学性能，通过该种合金制作的燃气涡轮部件能够满足高温复杂工作环境的使用要求，该种材料经过退火或固溶时效处理，增加材料的延展性和韧性，改善组织，提高通过该种合金制造的工件的机械性能，依靠Ni3(Al，Ti)和Ti(C，N)强化相的方式进行时效强化；能满足制造燃气涡轮部件的需求，有良好的经济效益和社会效益，适合推广使用；
(2)本发明所得合金具有十分优秀的耐腐蚀性能，100h，3％H2S腐蚀后，增重可低至0.005％；
(3)本发明所得合金具有十分优秀的抗氧化性能，900℃下Kp可仅为1.55×10- 7mg2·cm-4·s-1。
具体实施方式
实施例1
(1)按下述合金成分(质量百分比)准备原料：
C 0.16、Mn 0.25、Cr：14.0、Mo：4.5、Ti：2.25、Fe：9.0、Al：1.75、Co 2.5，P≤0.01％、S≤0.03％、B≤0.009％、Si≤0.6％，余量为Ni；
(2)通过真空感应炉和真空自耗重熔进行熔炼和精炼后，获得合金锻件；
(3)将制备得到的锻件，于1065℃下进行固溶处理，保温2小时，之后冷却(水冷)至室温；
(4)利用热锻或热轧工艺进行成型处理。
实施例2
(1)按下述合金成分(质量百分比)准备原料：
C 0.10、Mn 0.20、Cr：17.0、Mo：6.5、Ti：2.75、Fe：10.0、Al：2.25、Co 2.0，P≤0.01％、S≤0.03％、B≤0.009％、Si≤0.6％，余量为Ni；
(2)通过真空感应炉和真空自耗重熔进行熔炼和精炼后，获得合金锻件；
(3)将制备得到的锻件，于1095℃下进行固溶处理，保温1小时，之后冷却(水冷)至室温；
(4)利用热锻或热轧工艺进行成型处理。
实施例3
(1)按下述合金成分(质量百分比)准备原料：
C 0.15、Mn 0.22、Cr：15.0、Mo：5.5、Ti：2.5、Fe：11.0、Al：2.0、Co 2.0，P≤0.01％、S≤0.03％、B≤0.009％、Si≤0.6％，余量为Ni；
(2)通过真空感应炉和真空自耗重熔进行熔炼和精炼后，获得合金锻件；
(3)将制备得到的锻件，于1205℃下进行固溶处理，保温1.5小时，之后冷却(水冷)至室温；
(4)利用热锻或热轧工艺进行成型处理。
实施例4
(1)按下述合金成分(质量百分比)准备原料：
C 0.08、Mn 0.20、Cr：15.0、Mo：5.5、Ti：2.55、Fe：10.0、Al：1.80、Co 2.2，P≤0.01％、S≤0.03％、B≤0.009％、Si≤0.6％，余量为Ni；
(2)通过真空感应炉和真空自耗重熔进行熔炼和精炼后，获得合金锻件；
(3)将制备得到的锻件，于1080℃下进行固溶处理，保温0.5小时，之后冷却(空冷)至室温；
(4)于760℃下进行时效处理，保温16小时，之后冷却(空冷)至室温；
(5)利用热锻或热轧工艺进行成型处理。
实验例1
对实施例1-4所得合金进行力学性能测试：
室温(25℃)的抗拉强度σb＝960-1030N/mm2，屈服强度σ0.2＝600-655N/mm2，伸长率δ5≥30％，杯突试验≥9.0mm，HRC≤27，夏比冲击性能≥35J。
对实施例1-4所得合金进行耐腐蚀和抗氧化性能测试，结果如表1所示。
表1
注：腐蚀条件为100h，3％H2S。
实验例2
将实施例3中Mo的一半含量替换为W后，100h，3％H2S条件下，腐蚀增重提升至0.035％，900℃下Kp提升至2.15×10-7。
实验例3
将实施例3中Fe的含量降低至5％后，100h，3％H2S条件下，腐蚀增重提升至0.051％，900℃下Kp提升至2.22×10-7。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种铝-钛时效型合金，其特征在于：其化学组成，按重量百分比计为：C 0.08 %；Mn0.20 %；Cr 15.0 %；Mo 5.5 %；Ti 2.55 %；Fe 10.0 %；Al 1.80 %；Co 2.2 %；余量为Ni和不可避免的杂质；所述不可避免的杂质，按质量百分比计为：P≤0.01 %，S≤0.03 %，B≤0.009%，Si≤0.6 %；
所述合金按照以下方法步骤进行：
（1）取上述元素，通过真空感应炉和真空自耗重熔进行熔炼和精炼后，获得合金锻件；
（2）将制备得到的锻件，于1080℃下进行固溶处理，保温0 .5小时，之后冷却至室温；
（3）于760℃下进行时效处理，保温16小时，之后冷却至室温；
（4）利用热锻或热轧工艺进行成型处理。
2.根据权利要求1所述的一种铝-钛时效型合金的热处理工艺，其特征在于，所述工艺包括如下步骤：
（1）将制备得到的锻件，于1080 ℃下进行固溶处理，保温0.5小时，之后冷却至室温；
（2）于760 ℃下进行时效处理，保温16小时，之后冷却至室温。
3.根据权利要求2所述的一种铝-钛时效型合金的热处理工艺， 其特征在于，所述冷却的方式为空冷。
4.根据权利要求2所述的一种铝-钛时效型合金的热处理工艺，其特征在于，所述锻件是将合金原料经真空感应炉和真空自耗重熔熔炼和精炼处理后所得。
5.权利要求1所述的一种铝-钛时效型合金材料在发动机部件上的应用。
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