CN106756253B

CN106756253B - 刷式密封用高性能镍基高温合金刷丝材料

Info

Publication number: CN106756253B
Application number: CN201611259247.0A
Authority: CN
Inventors: 周亮
Original assignee: JIANGSU SUNRAY TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Xin Xin Run Polytron Technologies Inc
Priority date: 2016-12-30
Filing date: 2016-12-30
Publication date: 2019-02-26
Anticipated expiration: 2036-12-30
Also published as: CN106756253A

Abstract

本发明公开了一种刷式密封用高性能镍基高温合金刷丝材料，所述刷丝材料的成分及其质量百分比如下：Cr为14~17%，Fe为5~9%，Co为5~8%，Al为1~1.5%，Ti为2~2.5%，Nb为0.7~1.2%，C≤0.08%，B为0.003~0.01%，Zr为0.01~0.05%，Mg为0.005~0.008%，Ce为0.01~0.03%，Y为0.01~0.06%，余量是Ni以及不可避免的杂质，该技术方案的成材率较好，焊接性能较好，抗高温耐磨、抗高温耐蚀、抗氧化和强度较高。即选用合适的合金成分配比以及相对应的加工制备工艺和复合热处理工艺，通过对合金强化元素的适量添加、改进加工制备工艺和热处理工艺，极大的强化合金性能、提高组织均匀性、细化晶粒、降低缺陷、改善夹杂，提高了合金的成材率。

Description

刷式密封用高性能镍基高温合金刷丝材料

技术领域

本发明涉及一种刷式密封用高性能镍基高温合金刷丝材料，具体用于制造高成型性能、高焊接性能、抗高温耐磨性、抗高温耐蚀性、抗氧化性和高强度的刷丝材料，属于密封技术领域。

背景技术

刷式密封是一种用于发动机、汽轮机以及蒸汽机等透平机械关键部分的空气密封装置，主要由刷环和与其对应配套的跑道构成。其中，刷环主要由前板、背板及夹持在两者之间直径为0.06~0.3mm左右的致密刷丝焊接组成，是空气系统篦齿密封最好的替代结构，其中刷丝是刷式密封装置中最为重要的材料部分，要求刷丝在使用过程中具有很好的耐磨性、耐腐蚀性和很高的强度以及高温下的性能。

在大功率透平机械中，密封泄漏是空气动力损失的主要来源。GE和CROSS公司的报告认为，由于密封失效导致的级间能量损失比例可以达到1/3，Chupp等报告密封泄漏导致汽轮机效率损失的比例高达22%左右，美国路易斯研究中心的报告认为先进的密封技术可以减少商用发动机10%的燃油消耗量。刷式密封是近几十年发展起来的新的密封，它的泄漏量相当于传统的迷宫密封的1/5~1/10，可以显著提高透平机械的效率和可靠性，降低燃油量，因此受到国内外广泛的关注。国内外学者对刷丝材料的研究不断的深入，研发了多种基体的刷丝材料（例如铁基、镍基、钴基等），应用温度范围广，能够适应不同温度条件，广泛的应用于燃气轮机、发动机以及航空发动机等，大大提高了效率、降低了损耗。针对刷式密封，高温合金要满足以下需求： 1）加工性能，由于刷式密封用高温合金直径较小，通常仅为0.06~0.3mm，过高的强度不利于丝材的加工成型，因此设计合金时既要考虑高温强度，又必须满足其加工成型性能；2）焊接性能，通常高温合金刷丝是通过焊接技术制成刷环，因而高温合金必须具有优异的焊接性能；3）耐高温腐蚀和摩擦磨损性能，由于高温合金使用环境通常是高温、潮湿以及摩擦相耦合的条件，因此高温合金必须具有优异的耐高温性能。GH4145是刷式密封用高温合金之一，目前存在的主要问题是高温强度偏低，同时高温耐腐蚀性能差，因而如何提高高温合金高温强度，同时不恶化其成型性能并改善高温耐腐蚀性能是亟需解决的问题。

综上所述，合理的合金元素的添加及配比，与之相匹配的加工制备工艺、热处理工艺尤为重要，需要对合金制造方法进行合金成分的优化以及工艺技术的创新与改进，以提高材料质量及成材率。

发明内容

本发明提正是针对现有技术中存在的技术问题，提供一种刷式密封用高性能镍基高温合金刷丝材料，该技术方案的成材率较好，焊接性能较好，抗高温耐磨、抗高温耐蚀、抗氧化和强度较高。即选用合适的合金成分配比以及相对应的加工制备工艺和复合热处理工艺，通过对合金强化元素的适量添加、改进加工制备工艺和热处理工艺，极大的强化合金性能、提高组织均匀性、细化晶粒、降低缺陷、改善夹杂，提高了合金的成材率。同时，在不改变合金可塑性前提下应尽可能的提高合金的综合性能。因此，此发明解决的关键技术包括刷丝材料合金元素的选择与用量、加工制备工艺的优化和复合热处理工艺的选择。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种刷式密封用高性能镍基高温合金刷丝材料，其特征在于，所述刷丝材料的成分及其质量百分比如下：Cr为14~17%，Fe为5~9%，Co为5~8%，Al为1~1.5%，Ti为2~2.5%，Nb为0.7~1.2%，C≤0.08%，B为0.003~0.01%，Zr为0.01~0.05%，Mg为0.005~0.008%，Ce为0.01~0.03%，Y为0.01~0.06%，余量是Ni以及不可避免的杂质，该刷丝材料制备过程中，首先将Ni、Cr、Co、Al、Ti、Nb、C、B、Zr、Y、Ce、Mg按照比例配料，放入熔炼炉中进行熔炼，高温精炼30~45min，温度为1750~1850℃，低温精炼15~25min，温度为1600~1750℃，再采用重熔进行进一步的精炼，浇铸成合金锭，对合金锭退火后进行锻造、轧制，制成合金盘条，对合金盘条预处理后进行多道次的拉拔-退火，加工成所需尺寸的刷丝材料，最后，采用二级分级固溶处理与三级分级时效处理组合而成的复合热处理制度进行固溶-时效处理制得镍基高温合金刷丝材料。

作为本发明的一种改进，所述熔炼为真空感应炉熔炼或真空电弧炉熔炼；所述重熔为电渣重熔、等离子重熔、电子束重熔方法中的一种。

作为本发明的一种改进，所述退火为均匀化退火，缓慢加热到900~950℃，保温2~5h：所述锻造工艺为在950~1100℃下，开坯锻造成合金坯1，经下料、氧化皮砂磨以及缺陷处理，再将合金坯在950~1200℃回火加热1h~2h后，950~1100℃下锻造成合金坯2。

作为本发明的一种改进，所述轧制工艺为在1000~1150℃下保温0.5~1.5h， 950~1200℃下热轧成Φ8~20mm的合金盘条。

作为本发明的一种改进，所述预处理为将合金盘条加热到900~1000℃保温1h~2h，油冷进行软化处理，然后在500~600℃下碱煮5~15min，接着高压水洗，水洗后酸洗，酸洗池温度为60~100℃，接着再超声清洗。

作为本发明的一种改进，所述的拉拔工艺前添加润滑剂，再多道次拉拔加工，得到合金丝；

作为本发明的一种改进，所述退火为在进行6~12 道次的拉拔之后要进行真空退火，退火温度为750~900℃；

作为本发明的一种改进，制得的刷丝尺寸为Φ0.08~0.4mm；

作为本发明的一种改进，所述的二级分级固溶处理与三级分级时效处理组合而成的复合热处理制度包括第一次固溶处理为加热至995~1040℃，保温2.0~4.0h，继续加热至1050~1150℃进行第二次固溶处理，保温0.5~2.0h，快速油淬或空冷得到固溶态合金，然后加热至840~850℃进行第一次时效处理，保温4~24h，空冷，再加热至710~750℃进行第二次时效处理，保温10~20h，空冷，再加热至620~650℃进行第三次时效处理，保温4~8h，空冷。

相对于现有技术，本发明的优点如下：

1）本发明采用了与刷丝材料合金成分相对应的特殊复合热处理制度，由二级分级固溶处理与三级分级时效处理组合而成，具体表现在第一次固溶处理温度为995~1040℃，低于γ′相溶解温度，保温2.0~4.0h，保温时间较长，这就使得第一次固溶处理期间γ′相没有被溶解，会抑制刷丝晶粒长大；继续加热至1050~1150℃进行第二次固溶处理，高于γ′相溶解温度，保温0.5~2.0h，保温时间短，此固溶阶段γ′相发生溶解，溶质原子充分固溶，但短时间内刷丝晶粒来不及长大；然后加热至840~850℃进行第一次时效处理，保温4~24h，进行稳定化处理，再加热至710~750℃进行第二次时效处理，保温10~20h，此阶段完成中温时效处理，再加热至620~650℃进行第三次时效处理，保温4~8h，此阶段进行低温时效处理。采用分级时效处理，第一、二次时效在较高温度下进行，主要控制一次γ′析出相的大小，减轻服役过程中合金析出相的粗化，第三次时效温度较低，进一步调整强化相的大小、数量和分布，合金中既有粗大的γ′相又有细小的γ′相弥散析出，使合金具有最佳的综合性能。经过上述特殊复合热处理后，刷丝晶粒细化，弥散相细小、分布均匀，丝材组织均匀，刷丝具有较高的成材率以及较好的焊接性能、抗高温耐磨性、抗高温耐蚀性、抗氧化性和较高的强度。作为刷式密封的刷丝材料，可以有效改善刷式密封的密封效果，并提高其使用寿命；

2）成型性能好，镍基高温合金成型性能与合金中γ'含量密切相关，所设计的合金中γ'含量不超过30%，同时通过添加Co、Y元素，并结合后期复合热处理工艺有效改善合金的加工成型性能，有利于加工成刷丝；

3）焊接性能优异，高温合金焊接性能与Al、Ti含量密切相关，本合金通过优化Al、Ti含量以及之间的比值，焊接性能优异；

4）高温性能好，本合金通过优化合金成分，尤其是加入适量的B和Zr强化晶界，提高合金丝材的强度和性能，同时基于电子空穴理论和晶格匹配度分析优化合金成分，避免η相和σ相的析出，高温性能优良；

5）耐腐蚀性能好，合金通过优化Al:Ti比，改善钝化膜的组分，同时通过加入Ce、Y改善膜层的组织，大大提高高温合金的耐腐蚀性能；

6）该合金丝有害杂质低，内部缺陷少，有效降低碳化物的析出与偏聚。改进合金熔炼工艺，采用真空高温精炼去除和降低有害杂质、真空低温精炼降低气体含量，提高合金的纯净度及可塑性。增加电渣重熔或等离子重熔或电子束重熔，改传统的单联冶金为双联冶金，合金中的非金属夹杂、气体和硫含硫量显著减少，合金纯度进一步提高，力学性能得到很大的改善；

7）该合金锻造过程表面裂纹少，塑性好，成材率高。改传统单一自由锻造为组合式多次锻造避免了裂纹产生的随机性，合理控制锻造比，锻造成功率大幅提高，表面裂纹减少，改善碳化物分布，破碎细化组织，提高锻造件的品质。

具体实施方式

下面结合说明书用实施例进一步描述本发明，但所述实施例仅用于本发明而不是限制本发明。

实施例1：

一种刷式密封用高性能镍基高温合金刷丝材料，该刷丝合金的成分及其质量百分比为：Cr 15%，Co 6%，Al 1.2%，Ti 2.2%，Nb 0.9%，C 0.07%，B 0.005%，Zr 0.03%，Y 0.03%，Ce 0.02%，Mg 0.006%，Ni为余量，尺寸为Φ0.2mm。

上述刷式密封用高性能镍基高温合金刷丝材料的制备方法步骤如下：

1）按重量分数称取Ni锭、Cr锭、Co锭、Ni80Al20（其中，Ni的质量分数为80%，Al的质量分数为20%）、Ni50Ti50（其中Ni的质量分数为50%，Ti的质量分数为50%）锭放入50kg真空感应炉中进行熔炼，熔炼温度为1750~1850℃，精炼35min；然后在充入10kPa氩，添加微量Nb、C、B、Zr、Ce、Mg-Y中间合金搅拌熔化，1550~1650℃下，第二次精炼20分钟，去除有害杂质、降低气体含量和非金属夹杂，在真空下静置浇铸成合金电极棒；将电极棒进行表面砂磨或车削去皮处理，进行电渣重熔，降低合金中夹杂物及元素偏析等冶金缺陷。

2）对合金锭进行锻造、轧制：

首先对电渣重熔合金锭进行均匀化退火，缓慢加热到1050℃，保温5h。然后在950~1000℃下，开坯锻造成合金坯，随后进行下料、砂磨去氧化皮及缺陷砂磨精整处理，再将合金坯回炉1100℃左右保温2h，在950~1000℃再次锻造。在进行轧制，在1100℃温度下保温1h， 1050~1150℃下热轧成Φ12mm的合金盘条；

3）对合金盘条进行拉拔-退火：

将合金盘条加热到950保温1h，油冷进行软化处理，然后在500℃下碱煮10min，接着高压水洗，水洗后酸洗，酸洗池温度为60~100℃，接着采用丙酮对合金盘条进行超声清洗，添加润滑剂，进行多道次拉拔加工，每经6~12道次拉拔后要进行真空退火，退火温度为750℃，总共经过50道次的拉拔得到Φ0.2mm 的合金丝；

4）对合金丝进行固溶-时效处理：

第一次固溶处理为加热至1020℃，保温3h，继续加热至1100℃进行第二次固溶处理，保温0.5h，快速油淬或空冷得到固溶态合金，然后加热至840℃进行第一次时效处理，保温4h，空冷，再加热至730℃进行第二次时效处理，保温15h，空冷，再加热至650℃进行第三次时效处理，保温5h，空冷。

实施例2

一种刷式密封用高性能镍基高温合金刷丝材料，该合金刷丝的成分及其质量百分比为：Cr 14%，Co 8%，Al 1.5%，Ti 2.4%，Nb 1%，C 0.07%，B 0.01%，Zr 0.04%，Ce 0.02%，Y0.03%，Mg 0.006%，Ni为余量，尺寸为Φ0.15mm。

1）按比例称取Ni锭、Cr锭9kg、Co锭9.675kg、Ni50Ti50（其中，Ni的质量分数为50%，Ti的质量分数为50%）锭放入50kg真空感应炉中进行熔炼，熔炼温度为1750~1850℃，精炼30min；然后在充入12kPa氩，添加微量Nb、C、B、Zr、Ce、Mg-Y搅拌熔化，1550~1650℃下，第二次精炼25min，去除有害杂质、降低气体含量和非金属夹杂，在真空下静置浇铸成合金棒；将电极棒进行表面砂磨或车削去皮处理，进行电子束重熔，降低合金中夹杂物及元素偏析等冶金缺陷，进一步提高合金性能；

2）对合金锭进行锻造、轧制：

首先对电渣重熔合金锭进行均匀化退火，缓慢加热到1100℃，保温4.5h。然后在950~1000℃下，开坯锻造成合金坯，随后进行下料、砂磨去氧化皮及缺陷砂磨精整处理，再将合金坯回炉1050℃左右保温2.5h，在950~1000℃再次锻造。在进行轧制，在1050℃温度下保温1.5h， 1050~1150℃下热轧成Φ10mm的合金盘条；

3）对合金盘条进行拉拔-退火：

将合金盘条加热到980保温1h，油冷进行软化处理，然后在500℃下碱煮10min，接着高压水洗，水洗后酸洗，酸洗池温度为60~100℃，接着采用丙酮对合金盘条进行超声清洗，添加润滑剂，进行多道次拉拔加工，每经6~12道次拉拔后要进行真空退火，退火温度为780℃，总共经过50道次的拉拔得到Φ0.15mm 的合金丝

4）对合金丝进行固溶-时效处理：

所述的二级分级固溶处理与三级分级时效处理组合而成的复合热处理制度包括第一次固溶处理为加热至1000~1020℃，保温3.5h，继续加热至1120~1150℃进行第二次固溶处理，保温1.5h，快速油淬或空冷得到固溶态合金，然后加热至845℃进行第一次时效处理，保温12h，空冷，再加热至740℃进行第二次时效处理，保温15h，空冷，再加热至620℃进行第三次时效处理，保温8h，空冷。

需要说明的是上述实施例仅仅是本发明的较佳实施例，并不是用来限定本发明的保护范围，在上述基础上作出的等同替换或者替代均属于本发明的保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims

1.一种刷式密封用高性能镍基高温合金刷丝材料，其特征在于，所述刷丝材料的成分及其质量百分比如下：Cr为14~17%，Fe为5~9%，Co为5~8%，Al为1~1.5%，Ti为2~2.5%，Nb为0.7~1.2%，C≤0.08%，B为0.003~0.01%，Zr为0.01~0.05%，Mg为0.005~0.008%，Ce为0.01~0.03%，Y为0.01~0.06%，余量是Ni以及不可避免的杂质，该刷丝材料制备过程中，首先将Ni、Cr、Fe、Co、Al、Ti、Nb、C、B、Zr、Y、Ce、Mg按照比例配料，放入熔炼炉中进行熔炼，高温精炼30~45min，温度为1750~1850℃，低温精炼15~25min，温度为1600~1750℃，再采用重熔进行进一步的精炼，浇铸成合金锭，对合金锭退火后进行锻造、轧制，制成合金盘条，对合金盘条预处理后进行多道次的拉拔-退火，加工成所需尺寸的刷丝材料，最后，采用二级分级固溶处理与三级分级时效处理组合而成的复合热处理制度进行固溶-时效处理制得镍基高温合金刷丝材料。

2.根据权利要求1所述的一种刷式密封用高性能镍基高温合金刷丝材料，其特征在于：所述熔炼为真空感应炉熔炼或真空电弧炉熔炼；所述重熔为电渣重熔、等离子重熔、电子束重熔方法中的一种。

3.根据权利要求2所述的一种刷式密封用高性能镍基高温合金刷丝材料，其特征在于：所述退火为均匀化退火，缓慢加热到900~950℃，保温2~5h：所述锻造工艺为在950~1100℃下，开坯锻造成合金坯1，经下料、氧化皮砂磨以及缺陷处理，再将合金坯在950~1200℃回火加热1h~2h后，950~1100℃下锻造成合金坯2。

4.根据权利要求2或3所述的一种刷式密封用高性能镍基高温合金刷丝材料，其特征在于：所述轧制工艺为在1000~1150℃下保温0.5~1.5h， 950~1200℃下热轧成Φ8~20mm的合金盘条。

5.根据权利要求4所述的一种刷式密封用高性能镍基高温合金刷丝材料，其特征在于：所述预处理为将合金盘条加热到900~1000℃保温1h~2h，油冷进行软化处理，然后在500~600℃下碱煮5~15min，接着高压水洗，水洗后酸洗，酸洗池温度为60~100℃，接着再超声清洗。

6.根据权利要求5所述的一种刷式密封用高性能镍基高温合金刷丝材料，其特征在于：所述的拉拔工艺前添加润滑剂，再多道次拉拔加工，得到合金丝。

7.根据权利要求6所述的一种刷式密封用高性能镍基高温合金刷丝材料，其特征在于：所述退火为在进行6~12 道次的拉拔之后要进行真空退火，退火温度为750~900℃。

8.根据权利要求7所述的一种刷式密封用高性能镍基高温合金刷丝材料，其特征在于：制得的刷丝尺寸为Φ0.08~0.4mm。

9.根据权利要求8所述的一种刷式密封用高性能镍基高温合金刷丝材料，其特征在于：所述的二级分级固溶处理与三级分级时效处理组合而成的复合热处理制度包括第一次固溶处理为加热至995~1040℃，保温2.0~4.0h，继续加热至1050~1150℃进行第二次固溶处理，保温0.5~2.0h，快速油淬或空冷得到固溶态合金，然后加热至840~850℃进行第一次时效处理，保温4~24h，空冷，再加热至710~750℃进行第二次时效处理，保温10~20h，空冷，再加热至620~650℃进行第三次时效处理，保温4~8h，空冷。