CN108913952B

CN108913952B - 一种高温合金及其制备方法

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Publication number: CN108913952B
Application number: CN201810840227.5A
Authority: CN
Inventors: 巨佳; 王章忠; 王珏; 刘壮; 张保森; 章晓波; 毛向阳; 巴志新; 李旋; 李华冠
Original assignee: Nanjing Institute of Technology
Current assignee: Anhui Leda Precision Alloy Co ltd
Priority date: 2018-07-27
Filing date: 2018-07-27
Publication date: 2020-04-03
Anticipated expiration: 2038-07-27
Also published as: CN108913952A

Abstract

本发明公开了一种高温合金，以质量百分比计，其原料及配比如下：Cr：10.1～12.5％、Ti：4.6～5.8％、Co：7.0～9.0％、Mo：2.0～2.25％、W：7.0～9.0％、Al：6.25～6.75％、Zr：≤0.03％、Fe：≤1.0％、C：0.13～0.17％、B：0.02～0.03％、Mn：≤0.2％、Si：≤0.2％、Ta：3.25～3.75％、Ni：余量。本发明还公开了一种高温合金的制备方法。属于高温合金技术领域。本发明工艺制备下获得的一种高温合金与同类型材料相比具备较高的高温持久寿命和优异的抗热裂性能的优点，大大的改善了高温合金热裂问题。

Description

一种高温合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高温合金及其制备方法，属于高温合金技术领域。

背景技术

现代燃气涡轮发动机有50％以上的材料所采用的是高温合金，但是我国涡轮材料的发展相对欧美等发达国家落后较多。随着增压器技术的发展，涡轮材料也在不断更新换代。1988年以前，柴油机增压器涡轮普遍采用20Cr3MoV(A)材料，该材料仅适用于低速(40000r/min左右)较大型的增压器。随着增压器转速越来越高、体积越来越小，柴油机排气温度逐渐达到750℃以上，该材料已不能满足增压器的使用要求。随后更换为铁基高温合金，几年后又更新为镍基高温合金，成为国内目前一般车用和船用增压器涡轮的主要选材。

镍基高温合金因具有足够的热强性、热稳定性和良好的抗机械疲劳、热疲劳性能等优点，长期以来被大量用于制作汽车增压器涡轮。由于铸造高温合金的结晶温度范围大，若其线收缩率大，其热裂倾向也较大。增压涡轮结构复杂，叶片和轴部截面尺寸相差极大，叶梢最薄处甚至仅有0.3mm，因此采用熔模铸造方法浇注涡轮时，叶片极易产生热裂，造成其工业应用中出现报废率高、成品率低的现象，因此期望开发出一种具有抗热裂性能优异，高温抗氧化性能良好的新型高温合金来解决上述缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，本发明提供一种高温合金，该高温合金抗热裂性能优异，高温抗氧化性能良好，利用该合金制备的汽车增压器涡轮及其叶片成品率高，不易产生热裂。

本发明还提供一种高温合金的制备方法，本发明工艺制备下获得的高温合金与同类型材料相比，具备较高的高温持久寿命和优异的抗热裂性能的优点，大大的改善了高温合金热裂问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种高温合金，以质量百分比计，其原料及配比如下：Cr：10.1～12.5％、Ti：4.6～5.8％、Co：7.0～9.0％、Mo：2.0～2.25％、W：7.0～9.0％、Al：6.25～6.75％、Zr：≤0.03％、Fe：≤1.0％、C：0.13～0.17％、B：0.02～0.03％、Mn：≤0.2％、Si：≤0.2％、Ta：3.25～3.75％、Ni：余量。

一种高温合金的制备方法，具体步骤如下：

S1，配料：按上述比例配料秤重；

S2，母合金熔炼：将S1称重好的Cr、Co、Mo、W、Zr、Fe、C、Mn、Si、Ta和Ni元素置于坩埚中进行真空感应熔炼，待添加元素完全化清后，开启搅拌并继续熔炼25～39min；随后停止加热5～30s，再向熔体中加入Al、B和Ti元素并继续加热10～20min，随后停止加热，让液态合金随炉冷却，待合金熔体温度达到1600～1700℃时向锭模中进行浇注形成母合金锭；

S3，蜡模模具准备：采用铸件的蜡模模具压制出所需要的铸件腊模，随后在铸件腊模表面涂敷1～4mm厚的陶瓷浆料，然后在脱蜡釜中采用高温高压水蒸气将腊模脱除，最后将脱除腊模的陶瓷在1400～1850℃下焙烧5～7h后制成陶瓷壳型；

S4，重熔浇铸：将S3获得的陶瓷壳型和S2获得的母合金锭分别放入真空感应熔炼定向凝固炉和炉子的熔炼坩埚中，然后加热升温到1800～1900℃将母合金锭融化，随后将融化的母合金液浇入陶瓷壳型中并保温15～20min，然后以3～10mm/min的速度向下移动拉晶，拉晶结束后随炉冷却至室温取出铸件；

S5，性能热处理：将S4所获得的铸件置于热处理炉中进行固溶-时效两步性能热处理。

所述高温合金的微观组织中弥散分布γ-TiCr₂相。

S3中腊模脱除条件为：温度200～350℃，压力5～8MPa。

S5中固溶-时效两步性能热处理的具体工艺为：a，固溶热处理：在1350～1450℃保温6～8h，随后空冷至室温；b，时效热处理：950～1050℃保温6～12h，随后空冷至室温。

S2中的搅拌方式包括磁搅拌。

本发明所制造的一种高温合金具有良好的抗热裂性能，能够大幅度提高高温合金铸造成型合格率。本发明提供的一种高温合金，其微观组织中弥散分布γ-TiCr₂相，具有优异的弹塑性，能够有效减缓高温合金铸造过程中的热裂现象。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：本发明为一种新型抗热裂高温合金，与同类型材料相比具备较高的高温持久寿命和优异的抗热裂性能的优点。

(1)、较高的高温持久寿命：高温持久寿命是衡量高温合金性能的主要指标之一。在本发明的新型抗热裂高温合金中，通过特定的制备工艺在高温合金的组织中获得具有大量弥散分布的γ-TiCr₂相，该相属于典型耐高温抗腐蚀相，其在高温合金中弥散分布能够明显提高合金的高温持久寿命。

(2)、优异的抗热裂性能：铸造过程中的热裂问题始终困扰着高温合金的加工和成型，至今都没有有效措施去解决这一问题。在本发明的新型抗热裂高温合金中，通过特定的制备工艺在高温合金的组织中获得具有大量弥散分布的γ-TiCr₂相，该相具有优异的弹塑性，弥散分布的γ-TiCr₂相能够在热裂纹形成初期对裂纹的扩展起到了明显的阻滞作用，降低了高温合金的热裂纹形成数量和大小。此外，γ-TiCr₂相的热膨胀系数与高温合金基体相相近，在浇注过程中能够有效降低内应力，减少热裂纹源。

(3)、制备方法：本发明采用真空感应熔炼，在熔炼过程中，由于体系呈真空状态，避免了合金因表面氧化而降低其力学性能和组织缺陷。与传统方法相比，该方法还具有使合金内部熔炼缺陷向表面聚集的效果，使材料的加工性能增强，例如孔洞等。既能够保证纯金属有足够的时间和温度融化成合金锭，又能避免温度过高、时间过长发生合金成分烧损。

(4)、热处理方法：本发明采用固溶-时效两步性能热处理，热处理具体工艺为：(1)固溶热处理：在1350～1450℃保温6～8h，随后空冷至室温；(2)时效热处理：950～1050℃保温6～12h，随后空冷至室温。该工艺通过先固溶后时效的方式有效的提高了高温合金的高温持久寿命和抗热裂性能。

附图说明

图1为本发明的高温合金在室温下的SEM图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

如图1所示，一种高温合金，根据所需要的抗热裂高温合金的要求，制备的高温合金包括以下质量百分比(wt.％)的各组分：

S1.配料：按上述比例配料秤重；

S2.母合金熔炼：将步骤1称重好的Cr、Co、Mo、W、Zr、Fe、C、Mn、Si、Ta和Ni元素置于坩埚中进行真空感应熔炼，待添加元素完全化清后，开启磁搅拌并继续熔炼时间25min；随后停止加热5s，再向熔体中加入Al、B和Ti元素并继续加热10min。随后停止加热，让液态合金随炉冷却，待合金熔体温度达到1600℃时向锭模中进行浇注形成母合金锭；

S3.蜡模模具准备：采用铸件的蜡模模具压制出所需要的铸件腊模，随后在铸件腊模表面涂敷4mm厚的陶瓷浆料，然后在脱蜡釜中采用高温高压水蒸气将腊模脱除，脱除条件为：温度200℃，压力5MPa。最后将脱除腊模的陶瓷在1400℃下焙烧7h后制成陶瓷壳型；

S4.重熔浇铸：将步骤3获得的陶瓷壳型和母合金锭放入真空感应熔炼定向凝固炉和炉子的熔炼坩埚中，然后加热升温到1800℃将母合金融化。随后将融化的母合金液浇入陶瓷壳型中并保温15min，然后以3mm/min的速度向下移动拉晶，拉晶结束后随炉冷却至室温取出铸件；

S5.性能热处理：将步骤4所获得的铸件置于热处理炉中进行固溶-时效两步性能热处理，其性能热处理具体工艺为：(1)固溶热处理：在1350℃保温8h，随后空冷至室温；(2)时效热处理：950℃保温6h，随后空冷至室温，即得到所述一种抗热裂的高温合金。

将上述方法制备的铸件用线切割切取试样并进行检测1000℃和230MPa条件下的持久寿命测试和热裂纹观察。

实施例2：

S1.配料：按上述比例配料秤重；

S2.母合金熔炼：将步骤1称重好的Cr、Co、Mo、W、Zr、Fe、C、Mn、Si、Ta和Ni元素置于坩埚中进行真空感应熔炼，待添加元素完全化清后，开启磁搅拌并继续熔炼时间30min；随后停止加热15s，再向熔体中加入Al、B和Ti元素并继续加热15min。随后停止加热，让液态合金随炉冷却，待合金熔体温度达到1650℃时向锭模中进行浇注形成母合金锭；

S3.蜡模模具准备：采用铸件的蜡模模具压制出所需要的铸件腊模，随后在铸件腊模表面涂敷2mm厚的陶瓷浆料，然后在脱蜡釜中采用高温高压水蒸气将腊模脱除，脱除条件为：温度300℃，压力7MPa。最后将脱除腊模的陶瓷在1650℃下焙烧6h后制成陶瓷壳型；

S4.重熔浇铸：将步骤3获得的陶瓷壳型和母合金锭放入真空感应熔炼定向凝固炉和炉子的熔炼坩埚中，然后加热升温到1850℃将母合金融化。随后将融化的母合金液浇入陶瓷壳型中并保温18min，然后以5mm/min的速度向下移动拉晶，拉晶结束后随炉冷却至室温取出铸件；

S5.性能热处理：将步骤4所获得的铸件置于热处理炉中进行固溶-时效两步性能热处理，其性能热处理具体工艺为：(1)固溶热处理：在1400℃保温7h，随后空冷至室温；(2)时效热处理：1000℃保温9h，随后空冷至室温，即得到所述一种抗热裂的高温合金。

实施例3：

S1.配料：按上述比例配料秤重；

S2.母合金熔炼：将步骤1称重好的Cr、Co、Mo、W、Zr、Fe、C、Mn、Si、Ta和Ni元素置于坩埚中进行真空感应熔炼，待添加元素完全化清后，开启磁搅拌并继续熔炼时间39min；随后停止加热30s，再向熔体中加入Al、B和Ti元素并继续加热20min。随后停止加热，让液态合金随炉冷却，待合金熔体温度达到1700℃时向锭模中进行浇注形成母合金锭；

S3.蜡模模具准备：采用铸件的蜡模模具压制出所需要的铸件腊模，随后在铸件腊模表面涂敷4mm厚的陶瓷浆料，然后在脱蜡釜中采用高温高压水蒸气将腊模脱除，脱除条件为：温度350℃，压力8MPa。最后将脱除腊模的陶瓷在1850℃下焙烧5h后制成陶瓷壳型；

S4.重熔浇铸：将步骤3获得的陶瓷壳型和母合金锭放入真空感应熔炼定向凝固炉和炉子的熔炼坩埚中，然后加热升温到1900℃将母合金融化。随后将融化的母合金液浇入陶瓷壳型中并保温20min，然后以10mm/min的速度向下移动拉晶，拉晶结束后随炉冷却至室温取出铸件；

S5.性能热处理：将步骤4所获得的铸件置于热处理炉中进行固溶-时效两步性能热处理，其性能热处理具体工艺为：(1)固溶热处理：在1450℃保温6h，随后空冷至室温；(2)时效热处理：1050℃保温12h，随后空冷至室温，即得到所述一种抗热裂的高温合金。

上述实施例1-3的检测结果见表1。

表1高温合金1000℃和230MPa条件下的持久寿命测试和热裂纹观察对比表

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种高温合金，其特征在于：以质量百分比计，其原料及配比如下：Cr：10.1~12.5%、Ti：4.6~5.8%、Co：7.0~9.0%、Mo：2.0~2.25%、W：7.0~9.0%、Al：6.25~6.75%、Zr：≤0.03%、Fe：≤1.0%、C：0.13~0.17%、B：0.02~0.03%、Mn：≤0.2%、Si：≤0.2%、Ta：3.25~3.75%、Ni：余量；

所述的一种高温合金的制备方法，具体步骤如下：

S1，配料：按上述比例配料秤重；

S2，母合金熔炼：将S1称重好的Cr、Co、Mo、W、Zr、Fe、C、Mn、Si 、Ta和Ni元素置于坩埚中进行真空感应熔炼，待添加元素完全化清后，开启搅拌并继续熔炼25~39min；随后停止加热5~30s，再向熔体中加入Al、B和Ti 元素并继续加热10~20min，随后停止加热，让液态合金随炉冷却，待合金熔体温度达到1600~1700℃时向锭模中进行浇注形成母合金锭；

S3，蜡模模具准备：采用铸件的蜡模模具压制出所需要的铸件蜡模，随后在铸件腊模表面涂敷1~4mm厚的陶瓷浆料，然后在脱蜡釜中采用高温高压水蒸气将蜡模脱除，最后将脱除蜡模的陶瓷在1400~1850℃下焙烧5~7h后制成陶瓷壳型；

S4，重熔浇铸：将S3获得的陶瓷壳型和S2获得的母合金锭分别放入真空感应熔炼定向凝固炉和炉子的熔炼坩埚中，然后加热升温到1800~1900℃将母合金锭融化，随后将融化的母合金液浇入陶瓷壳型中并保温15~20min，然后以3~10mm/min的速度向下移动拉晶，拉晶结束后随炉冷却至室温取出铸件；

2.根据权利要求1所述的一种高温合金的制备方法，其特征在于：所述高温合金的微观组织中弥散分布γ-TiCr₂相。

3.根据权利要求1所述的一种高温合金的制备方法，其特征在于：S3中腊模脱除条件为：温度200~350℃，压力5~8MPa。

4.根据权利要求1所述的一种高温合金的制备方法，其特征在于：S5中固溶-时效两步性能热处理的具体工艺为：a，固溶热处理：在1350~1450℃保温6~8h，随后空冷至室温；b，时效热处理：950~1050℃保温6~12h，随后空冷至室温。

5.根据权利要求1所述的一种高温合金的制备方法，其特征在于：S2中的搅拌方式包括磁搅拌。