CN107419139A - 一种用于航空器压气机叶轮的合金 - Google Patents

一种用于航空器压气机叶轮的合金 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于航空器压气机叶轮的合金，由以下重量份的原料制成：Al 86.0～95.0份，Ni 2.0～3.4份，Si 0.7～1.2份，Fe 0.7～1.0份，Cu 1.8～2.6份，Mn 0.4～0.8份，Mg 0.4～0.8份。优点是：采用氮化硅喷料对坩埚进行熔炼前的喷涂，防止坩埚在高温下破裂；采用真空熔化处理，使得熔化合金充分脱气、去除杂质、避免污染；通过电子束熔炼合金，保证合金的高强度、高韧性、高抗腐蚀性；采用固溶处理、盐浴淬火和两次时效处理，使得合金在能够在复杂的航空器飞行环境中，具有较好的硬度、屈服强度、拉伸强度、冲击韧性和疲劳强度；采用热等静压处理，提高合金锭的整体力学性能；采用取样分析以及合金分析仪和超声波无损探伤仪检测合金锭，保证合金锭的质量。

Description

一种用于航空器压气机叶轮的合金
技术领域
本发明涉及合金技术领域，尤其涉及一种用于航空器压气机叶轮的合金。
背景技术
压气机是燃气涡轮发动机中利用高速旋转的叶片给空气作功以提高空气压力的部件。压气机都是按给定的进气条件、转速、增压比和空气流量设计的，但其工作状态（工作环境的温度、压力、转速和空气流量等）实际上是变化的，压气机在各种工作状态下的性能称为压气机特性。在一定转速下，当压气机的增压比增大到某一数值时，压气机就会进入不稳定的工作状态，很容易发生喘振，使整个系统产生低频大振幅的气流轴向脉动，甚至会发生瞬间气流倒流的现象。压气机喘振可能导致叶片断裂、结构损坏、燃烧室超温和发动机熄火。
现有合金及原材料选择、生产工艺，使材料强度虽高，但断裂韧性、抗应力腐蚀性能还不能满足高强度、高韧性、高抗腐蚀性能材料的市场需要，主要结构材料还依赖进口，极大地制约了我国航空器行业的发展。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种用于航空器压气机叶轮的合金。
为了达到以上目的，本发明提供如下技术方案：
一种用于航空器压气机叶轮的合金，其特征在于：由以下重量份的原料制成：Al 86.0～95.0份，Ni 2.0～3.4份，Si 0.7～1.2份，Fe 0.7～1.0份，Cu 1.8～2.6份，Mn 0.4～0.8份，Mg 0.4～0.8份。
所述的一种用于航空器压气机叶轮的合金的生产工艺，其特征在于：具体步骤为：
（1）干锅准备：对真空炉坩埚进行吹砂，并加热至700～800℃，保持2～4h；随后待坩埚冷却至200～300℃时，使用液态喷料对坩埚进行喷涂；之后将坩埚预热至500～600℃，保温2～3h；
（2）真空熔化处理：将Al板置于真空炉坩埚底部，然后向真空炉坩埚内添加Ni、Si、Fe、Cu、Mn、Mg；接着将真空炉坩埚抽内真空度1Mpa，升温至1100～1250℃，进行高温精炼；再保持温度890～930℃，进行低温精炼；最后降温冷却至1100～1230℃，出坩埚，浇注成合金棒备用；
（3）电子束提纯处理：将合金棒放置在电子束熔炼炉体内，调节电子束熔炼炉体内的真空度0.04～0.05Pa，电子枪体以1mA/s速度增加束流至150mA，使其轰击到合金圆棒上直至完全熔化；接着向电子束熔炼炉体内通入氩气，以1mA/s速度将电子枪束流从150mA增加至200mA，并将电子束束斑半径调整为15×15，精炼15～20min，并扒渣；
（4）取样分析：调节电子束炼炉体内的真空度0.01～0.02Pa，静置10～15min，并进行取样快速分析，分析结果符合成分要求的出炉浇注呈合金锭；
（5）热处理：将合金锭在280～300℃的条件下进行1～2h的固溶处理；随后将固溶处理后的合金锭随后放入盐浴淬火槽内与熔盐进行中温盐浴淬火，控制温度为150～170℃，保温2.5～3h；之后再将盐浴淬火后的合金锭在260～280℃的条件下进行3～5h的第一次时效处理；随后再在170～210℃的条件下进行2～3h的第二次时效处理；
（6）热等静压处理：将步骤（4）热处理后的合金锭放入热等静压机内，控制温度500～650℃，压力100～150Mpa，保持30～50min，然后用纯氩气进行高压气吹冷却至室温；
（7）合金检验：用合金分析仪和超声波无损探伤仪分别检测步骤（5）得到的合金锭的各元素成分含量以及内部是否有裂痕，检验合格的为成品，入库。
本发明一种用于航空器压气机叶轮的合金的生产工艺，首先进行干锅准备，对真空炉坩埚进行吹砂，加热，然后使用液态喷料对坩埚进行喷涂，之后再将坩埚预热并保温。从而可以防止坩埚在高温下破裂，并提高后续熔炼的纯度。
然后进行真空熔化处理，利用真空炉坩埚熔炼Al、Ni、Si、Fe、Cu、Mn、Mg，然后出坩埚，并依次进行高温精炼和低温精炼，最后浇注成合金棒备用。使得熔化合金充分脱气、去除杂质、避免污染。
接着进行电子束提纯处理，将得到的合金棒放置在电子束熔炼炉体内，通过电子枪束流使合金圆棒完全熔化；随后向电子束熔炼炉体内通入氩气，增加电子枪束流，调整电子束束斑进行精炼，并扒渣。通过电子束熔炼合金，可以极大地降低合金熔炼过程中O、N、S等有害杂质元素，从降低有害元素的含量角度提高合金的纯净度，进而提高合金中Al和Ni等元素的纯度与含量，保证合金的高强度、高韧性、高抗腐蚀性。
随后进行取样分析，分析结果符合成分要求的出炉浇注呈圆棒。
之后进行热处理，将得到的合金锭依次进行固溶处理、盐浴淬火和两次时效处理。使得合金在能够在复杂的航空器飞行环境中，具有较好的硬度、屈服强度、拉伸强度、冲击韧性和疲劳强度。
接着再进行热等静压处理：将热处理后的合金锭放入热等静压机内，控制温度与压力，然后用纯氩气进行高压气吹冷却至室温。使得合金锭得以烧结和致密化，通过热等静压处理后，合金锭可以达到100%致密化，提高合金锭的整体力学性能。
最后进行合金检验：用合金分析仪和超声波无损探伤仪分别检测合金锭的各元素成分含量以及内部是否有裂痕，检验合格的为成品，入库。从而保证合金锭的质量。
进一步的，所述步骤（1）干锅准备中的液态喷料为氮化硅溶液。
进一步的，所述步骤（2）真空熔化处理中Al板牌号为1060。
进一步的，所述步骤（6）热等静压处理中纯氩气进行高压气吹，分4～7次气吹，每次1～3s，气吹次数越多，每次气吹时间越短。
进一步的，所述步骤（7）合金成分检验中的合金分析仪为Delta合金分析。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：采用氮化硅喷料对坩埚进行熔炼前的喷涂，防止坩埚在高温下破裂，并提高后续熔炼的纯度；采用真空熔化处理，使得熔化合金充分脱气、去除杂质、避免污染；通过电子束熔炼合金，极大地降低合金熔炼过程中O、N、S等有害杂质元素，从降低有害元素的含量角度提高合金的纯净度，进而提高合金中Al和Ni等元素的纯度与含量，保证合金的高强度、高韧性、高抗腐蚀性；同时，电子束能量集中，使得熔池可以达到很高的温度，不仅有利于提高精炼提纯的效果，而且可用于熔炼高熔点金属；此外，电子束的可控性好，可通过控制电子束来控制熔池的加热部位，从而保证熔池温度分布均匀，有利于得到表面质量和结晶组织优良的金属锭；采用固溶处理、盐浴淬火和两次时效处理，使得合金在能够在复杂的航空器飞行环境中，具有较好的硬度、屈服强度、拉伸强度、冲击韧性和疲劳强度；采用热等静压处理，再用纯氩气进行高压气吹冷却至室温，使得合金锭得以烧结和致密化，通过热等静压处理后，合金锭可以达到100%致密化，提高合金锭的整体力学性能；采用取样分析以及合金分析仪和超声波无损探伤仪检测合金锭，保证合金锭的质量。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1
一种用于航空器压气机叶轮的合金，由以下重量份的原料制成：Al 86.0份，Ni 3.4份，Si 0.7份，Fe 1.0份，Cu 1.8份，Mn 0.8份，Mg 0.4份。
所述的一种用于航空器压气机叶轮的合金的生产工艺，具体步骤为：
（1）干锅准备：对真空炉坩埚进行吹砂，并加热至700℃，保持4h；随后待坩埚冷却至200℃时，使用液态喷料对坩埚进行喷涂；之后将坩埚预热至600℃，保温2h；其中，液态喷料为氮化硅溶液；
（2）真空熔化处理：将牌号为1060的Al板置于真空炉坩埚底部，然后向真空炉坩埚内添加Ni、Si、Fe、Cu、Mn、Mg；接着将真空炉坩埚抽内真空度1Mpa，升温至1100℃，进行高温精炼；再保持温度930℃，进行低温精炼；最后降温冷却至1100℃，出坩埚，浇注成合金棒备用；
（3）电子束提纯处理：将合金棒放置在电子束熔炼炉体内，调节电子束熔炼炉体内的真空度0.04Pa，电子枪体以1mA/s速度增加束流至150mA，使其轰击到合金圆棒上直至完全熔化；接着向电子束熔炼炉体内通入氩气，以1mA/s速度将电子枪束流从150mA增加至200mA，并将电子束束斑半径调整为15×15，精炼20min，并扒渣；
（4）取样分析：调节电子束炼炉体内的真空度0.01Pa，静置15min，并进行取样快速分析，分析结果符合成分要求的出炉浇注呈合金锭；
（5）热处理：将合金锭在280℃的条件下进行2h的固溶处理；随后将固溶处理后的合金锭随后放入盐浴淬火槽内与熔盐进行中温盐浴淬火，控制温度为150℃，保温3h；之后再将盐浴淬火后的合金锭在260℃的条件下进行5h的第一次时效处理；随后再在170℃的条件下进行3h的第二次时效处理；
（6）热等静压处理：将步骤（4）热处理后的合金锭放入热等静压机内，控制温度500℃，压力150Mpa，保持30min，然后用纯氩气进行高压气吹冷却至室温；其中，纯氩气进行高压气吹，分7次气吹，每次1s，气吹次数越多，每次气吹时间越短；
（7）合金检验：用Delta合金分析仪和超声波无损探伤仪分别检测步骤（5）得到的合金锭的各元素成分含量以及内部是否有裂痕，检验合格的为成品，入库。
实施例2
一种用于航空器压气机叶轮的合金，由以下重量份的原料制成：Al 95.0份，Ni 2.0份，Si 1.2份，Fe 0.7份，Cu 2.6份，Mn 0.4份，Mg 0.8份。
所述的一种用于航空器压气机叶轮的合金的生产工艺，具体步骤为：
（1）干锅准备：对真空炉坩埚进行吹砂，并加热至800℃，保持2h；随后待坩埚冷却至300℃时，使用液态喷料对坩埚进行喷涂；之后将坩埚预热至500℃，保温3h；其中，液态喷料为氮化硅溶液；
（2）真空熔化处理：将牌号为1060的Al板置于真空炉坩埚底部，然后向真空炉坩埚内添加Ni、Si、Fe、Cu、Mn、Mg；接着将真空炉坩埚抽内真空度1Mpa，升温至1250℃，进行高温精炼；再保持温度890℃，进行低温精炼；最后降温冷却至1230℃，出坩埚，浇注成合金棒备用；
（3）电子束提纯处理：将合金棒放置在电子束熔炼炉体内，调节电子束熔炼炉体内的真空度0.05Pa，电子枪体以1mA/s速度增加束流至150mA，使其轰击到合金圆棒上直至完全熔化；接着向电子束熔炼炉体内通入氩气，以1mA/s速度将电子枪束流从150mA增加至200mA，并将电子束束斑半径调整为15×15，精炼15min，并扒渣；
（4）取样分析：调节电子束炼炉体内的真空度0.02Pa，静置10min，并进行取样快速分析，分析结果符合成分要求的出炉浇注呈合金锭；
（5）热处理：将合金锭在300℃的条件下进行1h的固溶处理；随后将固溶处理后的合金锭随后放入盐浴淬火槽内与熔盐进行中温盐浴淬火，控制温度为170℃，保温2.5h；之后再将盐浴淬火后的合金锭在280℃的条件下进行3h的第一次时效处理；随后再在210℃的条件下进行2h的第二次时效处理；
（6）热等静压处理：将步骤（4）热处理后的合金锭放入热等静压机内，控制温度650℃，压力100Mpa，保持50min，然后用纯氩气进行高压气吹冷却至室温；其中，纯氩气进行高压气吹，分4次气吹，每次3s，气吹次数越多，每次气吹时间越短；
（7）合金检验：用Delta合金分析仪和超声波无损探伤仪分别检测步骤（5）得到的合金锭的各元素成分含量以及内部是否有裂痕，检验合格的为成品，入库。
实施例3
一种用于航空器压气机叶轮的合金，由以下重量份的原料制成：Al 89.2份，Ni 3.1份，Si 0.9份，Fe 0.8份，Cu 2.2份，Mn 0.6份，Mg 0.6份。
所述的一种用于航空器压气机叶轮的合金的生产工艺，具体步骤为：
（1）干锅准备：对真空炉坩埚进行吹砂，并加热至750℃，保持3h；随后待坩埚冷却至250℃时，使用液态喷料对坩埚进行喷涂；之后将坩埚预热至530℃，保温2.5h；其中，液态喷料为氮化硅溶液；
（2）真空熔化处理：将牌号为1060的Al板置于真空炉坩埚底部，然后向真空炉坩埚内添加Ni、Si、Fe、Cu、Mn、Mg；接着将真空炉坩埚抽内真空度1Mpa，升温至1170℃，进行高温精炼；再保持温度910℃，进行低温精炼；最后降温冷却至1170℃，出坩埚，浇注成合金棒备用；
（3）电子束提纯处理：将合金棒放置在电子束熔炼炉体内，调节电子束熔炼炉体内的真空度0.045Pa，电子枪体以1mA/s速度增加束流至150mA，使其轰击到合金圆棒上直至完全熔化；接着向电子束熔炼炉体内通入氩气，以1mA/s速度将电子枪束流从150mA增加至200mA，并将电子束束斑半径调整为15×15，精炼18min，并扒渣；
（4）取样分析：调节电子束炼炉体内的真空度0.015Pa，静置13min，并进行取样快速分析，分析结果符合成分要求的出炉浇注呈合金锭；
（5）热处理：将合金锭在290℃的条件下进行1.5h的固溶处理；随后将固溶处理后的合金锭随后放入盐浴淬火槽内与熔盐进行中温盐浴淬火，控制温度为160℃，保温2.8h；之后再将盐浴淬火后的合金锭在270℃的条件下进行3.5h的第一次时效处理；随后再在200℃的条件下进行2.5h的第二次时效处理；
（6）热等静压处理：将步骤（4）热处理后的合金锭放入热等静压机内，控制温度570℃，压力130Mpa，保持40min，然后用纯氩气进行高压气吹冷却至室温；其中，纯氩气进行高压气吹，分5次气吹，每次2s，气吹次数越多，每次气吹时间越短；
（7）合金检验：用Delta合金分析仪和超声波无损探伤仪分别检测步骤（5）得到的合金锭的各元素成分含量以及内部是否有裂痕，检验合格的为成品，入库。

Claims (6)

1.一种用于航空器压气机叶轮的合金，其特征在于：由以下重量份的原料制成：Al86.0～95.0份，Ni 2.0～3.4份，Si 0.7～1.2份，Fe 0.7～1.0份，Cu 1.8～2.6份，Mn 0.4～0.8份，Mg 0.4～0.8份。
2.根据权利要求1所述的一种用于航空器压气机叶轮的合金的生产工艺，其特征在于：具体步骤为：
（1）干锅准备：对真空炉坩埚进行吹砂，并加热至700～800℃，保持2～4h；随后待坩埚冷却至200～300℃时，使用液态喷料对坩埚进行喷涂；之后将坩埚预热至500～600℃，保温2～3h；
（2）真空熔化处理：将Al板置于真空炉坩埚底部，然后向真空炉坩埚内添加Ni、Si、Fe、Cu、Mn、Mg；接着将真空炉坩埚抽内真空度1Mpa，升温至1100～1250℃，进行高温精炼；再保持温度890～930℃，进行低温精炼；最后降温冷却至1100～1230℃，出坩埚，浇注成合金棒备用；
（3）电子束提纯处理：将合金棒放置在电子束熔炼炉体内，调节电子束熔炼炉体内的真空度0.04～0.05Pa，电子枪体以1mA/s速度增加束流至150mA，使其轰击到合金圆棒上直至完全熔化；接着向电子束熔炼炉体内通入氩气，以1mA/s速度将电子枪束流从150mA增加至200mA，并将电子束束斑半径调整为15×15，精炼15～20min，并扒渣；
（4）取样分析：调节电子束炼炉体内的真空度0.01～0.02Pa，静置10～15min，并进行取样快速分析，分析结果符合成分要求的出炉浇注呈合金锭；
（5）热处理：将合金锭在280～300℃的条件下进行1～2h的固溶处理；随后将固溶处理后的合金锭随后放入盐浴淬火槽内与熔盐进行中温盐浴淬火，控制温度为150～170℃，保温2.5～3h；之后再将盐浴淬火后的合金锭在260～280℃的条件下进行3～5h的第一次时效处理；随后再在170～210℃的条件下进行2～3h的第二次时效处理；
（6）热等静压处理：将步骤（4）热处理后的合金锭放入热等静压机内，控制温度500～650℃，压力100～150Mpa，保持30～50min，然后用纯氩气进行高压气吹冷却至室温；
（7）合金检验：用合金分析仪和超声波无损探伤仪分别检测步骤（5）得到的合金锭的各元素成分含量以及内部是否有裂痕，检验合格的为成品，入库。
3.根据权利要求2所述的一种用于航空器压气机叶轮的合金的生产工艺，其特征在于：所述步骤（1）干锅准备中的液态喷料为氮化硅溶液。
4.根据权利要求2所述的一种用于航空器压气机叶轮的合金的生产工艺，其特征在于：所述步骤（2）真空熔化处理中Al板牌号为1060。
5.根据权利要求2所述的一种用于航空器压气机叶轮的合金的生产工艺，其特征在于：所述步骤（6）热等静压处理中纯氩气进行高压气吹，分4～7次气吹，每次1～3s，气吹次数越多，每次气吹时间越短。
6.根据权利要求2所述的一种用于航空器压气机叶轮的合金的生产工艺，其特征在于：所述步骤（7）合金成分检验中的合金分析仪为Delta合金分析仪。
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