CN107974626A - 一种航空高强度零部件无钴新材料制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种航空高强度零部件无钴新材料制备方法，所述航空高强度零部件无钴新材料化学成分重量百分比（wt.%）组成为镍(Ni)：16.0‑20.0，钼(Mo)：4.0‑6.0，钛(Ti)：2.5‑3.5，碳(C)≤0.01，铝(Al)≤0.05，硅(Si)≤0.05，锰(Mn)≤0.05，硫(S)≤0.01，磷(P)≤0.05，氧(O)≤0.01，氮(N)≤0.01，余量的铁(Fe)及不可避免的杂质。所述无钴新材料具有高的强度，其抗拉强度σb≥2300MPa，屈服强度σ0.2≥2200MPa，δ≥3％，断面收缩率ψ≥20％，洛氏硬度HRC＝56~59，冲击韧性ak≥5J/cm2，断裂韧性K1C≥15MPa·m1/2，与现有传统的含钴马氏体时效钢相比，抗拉强度及屈服强度可达到一致，同时保证马氏体时效钢的高韧性特点，减少对钴资源的使用，缩小制造成本，进而减缓能源短缺情况，扩大了马氏体时效钢的应用及发展。

Description

一种航空高强度零部件无钴新材料制备方法
技术领域
本发明涉及航空、军工零部件使用的一种超高强度高韧性钢，具体地涉及一 种航空高强度零部件无钴新材料制备方法。
背景技术
马氏体时效钢以及其优异的超高强度、高韧性及其良好的综合性能成为在航 空、航天、海洋等高科技领域如机翼大梁、舰载飞机起落架、潜艇动力装置等承 力耐蚀(或中温)部件以及叶轮材料的首选材料。迄今为止，马氏体时效钢已发 展为两大主要类别，即18Ni型含钴马氏体时效钢和18Ni型无钴马氏体时效钢(亦 称T型)，18Ni型含钴马氏体时效钢以Ni-Co-Mo-Ti为基本成分，由于含有贵重 元素Co，18Ni型含钴马氏体时效钢一般造价成本高，价格昂贵，而18Ni型无 钴马氏体时效钢是以Ni-Mo-Ti(-W)为基本成分，节省Co原料，降低了制造成本。
一般马氏体时效钢都需要保证非常高的纯净度，高纯度马氏体时效钢可在拥 有较高的机械强度的同时有良好的高塑性和高韧性，为了将马氏体时效钢保证高 的纯净度，一般都将降低C、Mn、Si、P、S和O等元素，当这些元素含量过高 时马氏体时效钢的韧性和塑性大幅降低，即马氏体时效钢的脆性大、实用性能降 低。在现有技术中，18Ni型含钴马氏体时效钢发展和应用比较成熟，其最高强 度达到2400MPa，可同时保持良好的韧性和塑性，而18Ni型无钴马氏体时效钢 的最高强度只能达到2000MPa，与含钴马氏体时效钢的机械性能差距巨大，在 很大程度上限制了无钴马氏体时效钢的使用范围。因为钴是稀缺金属资源，即含 钴马氏体时效钢制造成本高，因此如何在保证马氏体时效钢的良好的机械性能的 情况下，节约钴资源，降低生产制造成本，成为当下技术研究人员的重要研究方 向。
发明内容
本发明的目的在于提出一种航空高强度零部件无钴新材料制备方法，所述航 空高强度零部件无钴新材料强度达到2400MPa可与18Ni含钴马氏体时效钢最 高强度相同，保持一定的塑性和断裂韧性，同时具有良好的加工性能，大幅度降 低成本，进而扩大应用范围。
为达到上述目的本发明采用的技术方案为：在传统18Ni型含钴马氏体时效 钢生产工艺的基础上，去除元素Co对马氏体时效钢的强度影响，而为确保马氏 体时效钢内有可代替的强化相，采取增加Ti和Ni元素的含量以及适量的Mo元 素，以便在固溶体中析出大量的Ni3Mo和Ni3Ti的强化相，同时降低C元素、有 害元素及夹杂物质的含量，制造高纯度的无钴马氏体时效钢，进而保证马氏体时 效钢的高强度及高韧性。
一种航空高强度零部件无钴新材料制备方法，其特征在于：所述航空高强度 零部件无钴新材料化学成分重量百分比(wt.％)组成为镍(Ni)：16.0-20.0，钼(Mo)： 4.0-6.0，钛(Ti)：2.5-3.5，碳(C)≤0.01，铝(Al)≤0.05，硅(Si)≤0.05，锰(Mn)≤0.05， 硫(S)≤0.01，磷(P)≤0.05，氧(O)≤0.01，氮(N)≤0.01，余量的铁(Fe)及不可避免的杂 质。
进一步的，所述一种航空高强度零部件无钴新材料制备步骤为：
步骤1：按照航空高强度零部件无钴新材料化学成分重量百分比在真空感应 熔炼炉内添加初期坯料，获得第一熔炼坯料；
步骤2：将所述第一熔炼坯料经真空电弧重熔工艺再次熔炼获得第二熔炼坯 料；
步骤3：将获得的所述第二熔炼坯料进行均匀化处理，所述均匀化处理的温 度范围为1185℃～1215℃之间，均匀化处理的时间的范围为12h～15h，经所述均 匀化处理的第二熔炼坯料后可获得初期钢锭；
步骤4：将所述初期铸锭进行锻造处理，所述锻造处理的温度范围为1000℃ ～1200℃，经所述锻造处理后造成棒材和初轧坯料；
步骤5：将所述初轧坯料进行热轧，所述热轧温度范围为1200℃～1500℃， 热轧后将进行冷轧，并将所述初轧坯料经多道次轧制成性能测试坯料和中期铸锭。
步骤6：将所述中期铸锭进行固溶处理，所述固溶处理温度范围为780℃ ～840℃，保温时间为1h～2h，将固溶处理的铸锭由空冷或水冷至室温。
步骤7：将步骤6中铸锭进行时效处理，所述时效处理的温度范围为450℃ ±510℃，保温时间为3h～20h，将经过时效处理的铸锭由空冷或水冷至室温得到 所述高强度无钴马氏体时效钢。
进一步的，所述真空感应熔融和真空电弧重熔制备步骤中，真空度小于 10-5Pa。
进一步的，经过上述制备步骤获得的航空高强度零部件无钴新材料的抗拉强 度σb≥2300MPa，屈服强度σ0.2≥2200MPa，δ≥3％，断面收缩率ψ≥20％，洛氏硬度 HRC＝56～59，冲击韧性ak≥5J/cm2，断裂韧性K1C≥15MPa·m1/2。
本发明的原理为：本发明中采用钛、钼是合金强化的主要元素，大幅度增加 钛的含量以之作为主要强化合金元素，适当含量的钼在保证基体的韧塑性的同时 与主要强化元素钛从过饱和固熔体中时效析出强化相(Ni3Mo、Ni3Ti)，钼可以 作为析出相的强化作用减弱，但可以阻止析出相沿晶界分布，得到细小而均匀且 弥散分布的析出相，从而保证钢强韧性的作用。析出相平均粒径约为4nm～10nm， 平均间距约为20nm～50nm，粒子高度弥散分布在高密度位错板条马氏体上中， 从而形成天然的纳米材料，达到了2400MPa的超高强度合金中镍与铁会形成柔 韧的Fe-Ni基以保证合金的塑性和韧性体。
与现有技术相比，本发明的有益效果为以下几点：
1.本发明中航空高强度零部件无钴新材料不采用钴元素，极大的节省了钴 资源，降低钴资源紧缺的情况。
2.本发明中钛元素的重量百分比(wt.％)为2.5-3.5以作为航空高强度零 部件无钴新材料的强化相，并采用真空感应熔炼和真空电弧重熔的方法 降低有害元素及夹杂物C、Mn、Si、P、S和O等元素的含量，保证航 空高强度零部件无钴新材料强度可达到2400Mpa时仍保持一定韧塑性。
3.本发明中镍的重量百分比(wt.％)在16.0-20.0，严格控制镍的含量，含 量过低，基体的韧塑性不足，含量过高，则使马氏体终了转变温度低于 室温，合金中残余奥氏体增多而降低强度或使合金的加工热处理工艺复 杂化。
4.本发明中制备步骤简单，便于实现，降低生产成本，适用于普遍推广实 用，能代替传统含钴马氏体时效钢及无钴马氏体时效钢，本发明的高强 度马氏体时效钢的强度能够达到2400MPa，强度显著增加。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明方式进一步的说明。
实施例1：
本发明中的一种航空高强度零部件无钴新材料制备方法，该航空高强度零部件无钴新材料的各个组分的重量百分比(wt.％)：镍(Ni)：19.1，钼(Mo)：4.4， 钛(Ti)：2.63，碳(C)0.0012，铝(Al)0.02，硅(Si)≤0.01，锰(Mn)0.01，硫 (S)0.0012，磷(P)0.0016，氧(O)0.0029，氮(N)0.001，余量的铁(Fe)及不可避 免的杂质。钢锭在经过真空感应熔融和真空电弧重熔工艺步骤获得第二熔炼坯料， 原料中的杂质及有害元素降低到所述重量百分百比，将第二熔炼坯料在1200℃均 匀化处理12小时，得到的初期钢锭在1000℃进行锻造处理，并在1200℃进行初期 坯料的热轧，经多道次轧制成测试坯料和中期铸锭，之后将所述中期坯料进行固 溶处理和时效处理得到本发明中的航空高强度零部件无钴新材料，得到的航空高 强度零部件无钴新材料的力学性能如表1所示：
表1
实施例2：
该航空高强度零部件无钴新材料的各个组分的重量百分比(wt.％)：镍(Ni)：18.8，钼(Mo)：5.39，钛(Ti)：2.59，碳(C)0.0038，铝(Al)0.01，硅(Si)≤0.01， 锰(Mn)0.01，硫(S)0.0006，磷(P)0.0023，氧(O)0.0018，氮(N)0.001，余 量的铁(Fe)及不可避免的杂质。经与实施例1相同的加工及热处理工艺，得到的 航空高强度零部件无钴新材料的力学性能如表2所示：
表2
实施例3：
该航空高强度零部件无钴新材料的各个组分的重量百分比(wt.％)：镍(Ni)：17.0，钼(Mo)：5.0，钛(Ti)：3.2，碳(C)0.0015，铝(Al)0.009，硅(Si)≤0.01， 锰(Mn)≤0.01，硫(S)0.0018，磷(P)0.0020，氧(O)0.0015，氮(N)0.001，余 量的铁(Fe)及不可避免的杂质。经与实施例1相同的加工及热处理工艺，得到的 航空高强度零部件无钴新材料的力学性能如表3所示：
表3
需要强调的是：以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单的修改、等同 变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种航空高强度零部件无钴新材料制备方法，其特征在于：所述航空高强度零部件无钴新材料化学成分重量百分比（wt.%）组成为镍(Ni)：16.0-20.0，钼(Mo)：4.0-6.0，钛(Ti)：2.5-3.5，碳(C)≤0.01，铝(Al)≤0.05，硅(Si)≤0.05，锰(Mn)≤0.05，硫(S)≤0.01，磷(P)≤0.05，氧(O)≤0.01，氮(N)≤0.01，余量的铁(Fe)及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种航空高强度零部件无钴新材料制备方法，其特征在于：所述一种航空高强度零部件无钴新材料制备步骤为：
步骤1：按照航空高强度零部件无钴新材料化学成分重量百分比在真空感应熔炼炉内添加初期坯料 ，获得第一熔炼坯料；
步骤2：将所述第一熔炼坯料经真空电弧重熔工艺再次熔炼获得第二熔炼坯料；
步骤3：将获得的所述第二熔炼坯料进行均匀化处理，所述均匀化处理的温度范围为1185℃~1215℃之间，均匀化处理的时间的范围为12h~15h，经所述均匀化处理的第二熔炼坯料后可获得初期钢锭；
步骤4：将所述初期铸锭进行锻造处理，所述锻造处理的温度范围为1000℃~1200℃，经所述锻造处理后造成棒材和初轧坯料；
步骤5：将所述初轧坯料进行热轧，所述热轧温度范围为1200℃~1500℃，热轧后将进行冷轧，并将所述初轧坯料经多道次轧制成性能测试坯料和中期铸锭。
步骤6：将所述中期铸锭进行固溶处理，所述固溶处理温度范围为780℃~840℃，保温时间为1h~2h，将固溶处理的铸锭由空冷或水冷至室温。
步骤7：将步骤6中铸锭进行时效处理，所述时效处理的温度范围为450℃±510℃，保温时间为3h~20h，将经过时效处理的铸锭由空冷或水冷至室温得到所述高强度无钴马氏体时效钢。
3.根据权利要求2所述的一种航空高强度零部件无钴新材料制备步骤，其特征在于：所述真空感应熔融和真空电弧重熔制备步骤中，真空度小于10-5Pa。
4.根据权利要求3所述的一种航空高强度零部件无钴新材料制备步骤，其特征在于：经过上述制备步骤获得的航空高强度零部件无钴新材料的抗拉强度σb≥2300MPa，屈服强度σ0.2≥2200MPa，δ≥3％，断面收缩率ψ≥20％，洛氏硬度HRC＝56~59，冲击韧性ak≥5J/cm2，断裂韧性K1C≥15MPa·m1/2。
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