CN110016590B - 一种航空航天用高温合金材料 - Google Patents

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Abstract

本发明属于合金材料技术领域，具体涉及一种航空航天用高温合金材料，包括如下质量百分比的各组分：Cr 13.0‑18.0％、W 5.0‑8.0％、Mo 2.0‑4.0％、Ti 1.5‑2.5％、Al 1.3‑2.0％、Fe 2.5‑4.0％、Nb 0.5‑1.5％、Ce 0.3‑0.8％、C 0.05‑0.2％、Zr 0.02‑0.08％、B 0.01‑0.05％、O≤0.02％、P≤0.02％、S≤0.02％，余量为Ni。本发明通过各元素之间协同作用，有效提高合金的高温强度，延长合金材料在高温条件下的使用寿命，W和Mo有利于提高合金的高温性能，Ti和Nb可以提高高温抗氧化性能，较高的C含量有利于增加高温强度，Ce可以显著提高使用温度和寿命；在进行一段时间的包顶吹氧脱碳之后再加入Ti，并以镍铬合金的形式添加Cr和剩余的Ni，可以使Ti和Cr在体系中分散的更加均匀，并且可以有效避免过多的C消耗掉部分Ti和Cr，有利于TiCr2的形成，提高合金的高温寿命。

Description

一种航空航天用高温合金材料
技术领域
本发明属于合金材料技术领域，具体涉及一种航空航天用高温合金材料。
背景技术
高温合金是指以铁、镍、钴为基，在高温环境下服役，并能承受严酷的机械应力及具有良好表面稳定性的一类合金。高温合金一般具有较高的室温和高温强度、良好的抗氧化性和抗热腐蚀性、优异的蠕变与疲劳抗力、良好的组织稳定性和使用的可靠性。因此，高温合金既是航空航天用发动机高温部件的关键材料，又是舰船、能源、石油化工等工业领域不可缺少的重要材料。
与铁基和钴基高温合金相比，镍基高温合金具有更高的高温强度和组织稳定性，因此，被广泛用于制作航空航天领域的结构部件，例如航空航天用发动机的涡轮盘、工作叶片、燃烧室等。可见，开发出在高温下具有良好稳定性、具有更大高温寿命的高温合金对于我国航空航天事业的发展来说，具有非常重要的意义。
发明内容
为了获得在高温下具有良好稳定性、具有更大高温寿命的高温合金，本发明公开了一种航空航天用高温合金材料，以镍作为主要元素，并通过其他元素之间的相互配合，成功制备出在高温下具有良好稳定性、具有更大高温寿命的高温合金。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种航空航天用高温合金材料，包括如下质量百分比的各组分：Cr 13.0-18.0％、W5.0-8.0％、Mo 2.0-4.0％、Ti 1.5-2.5％、Al 1.3-2.0％、Fe 2.5-4.0％、Nb 0.5-1.5％、Ce 0.3-0.8％、C 0.05-0.2％、Zr 0.02-0.08％、B 0.01-0.05％、O≤0.02％、P≤0.02％、S≤0.02％，余量为Ni。
作为优选，上述航空航天用高温合金材料，包括如下质量百分比的各组分：Cr13.0-16.0％、W 5.0-7.0％、Mo 2.0-3.0％、Ti 1.5-2.0％、Al 1.3-1.8％、Fe 2.5-3.5％、Nb 0.8-1.5％、Ce 0.3-0.5％、C 0.1-0.2％、Zr 0.02-0.05％、B 0.01-0.03％、O≤0.02％、P≤0.02％、S≤0.02％，余量为Ni。
作为优选，上述航空航天用高温合金材料，包括如下质量百分比的各组分：Cr15.0-16.0％、W 5.5-6.5％、Mo 2.0-2.5％、Ti 1.8-2.0％、Al 1.5-1.8％、Fe 3.0-3.5％、Nb 0.8-1.0％、Ce 0.35-0.5％、C 0.15-0.2％、Zr 0.03-0.04％、B 0.01-0.02％、O≤0.02％、P≤0.02％、S≤0.02％，余量为Ni。
作为优选，上述航空航天用高温合金材料，采用如下方法制备而成：
(1)按比例准备好原料，其中Cr和部分Ni以镍铬中间合金的形式准备；
(2)将除Ti、Cr和部分Ni以外的其他原料加入到真空感应炉内熔炼，熔炼过程中，从钢包底部吹入氩气进行脱气和搅拌，待原料全部熔融后，开始从钢包顶部吹入氧气脱碳；
(3)包顶吹氧5-10min后，加入Ti和镍铬中间合金，使之熔融分散，待钢包内碳含量降低至所需C含量以下时，停止包顶吹氧，改为从钢包顶部吹入氩气，钢包底部继续吹入氩气，保持10-20min；
(4)向钢包中加入硅铁、铝块进行脱氧，并加入石灰、萤石造渣，脱硫；
(5)将熔液浇铸成自耗电极，将自耗电极放入电渣炉中重熔成电渣锭；
(6)将电渣锭锻造成钢棒，并对钢棒进行热处理。
作为优选，上述步骤(1)中的镍铬中间合金中镍的质量百分含量为55-60％。
作为优选，上述步骤(2)和(3)中包顶吹氧速率为每吨熔液200-250L/min。
作为优选，上述步骤(2)和(3)中包底吹氩的速率为每吨熔液8-15L/min。
作为优选，上述步骤(3)中包顶吹氩的速率为每吨熔液220-270L/min，所述步骤(3)中包顶吹氩的速率大于步骤(2)和(3)中包顶吹氧的速率。
作为优选，上述步骤(6)中的开锻温度为1200℃，终锻温度大于1050℃。
作为优选，上述步骤(6)中热处理方式为：先在1200-1250℃处理4-6h，空冷，然后在850-900℃处理6-10h，空冷。
本发明具有如下的有益效果：(1)本发明的高温合金，通过体系中各元素之间的协同作用，可以有效提高合金的高温强度，延长合金材料在高温条件下的使用寿命，其中W和Mo有利于提高合金的高温性能，Ti和Nb可以提高合金的高温抗氧化性能，较高的C含量有利于增加合金的高温强度，而Ce可以显著提高合金的使用温度和寿命，适量Zr与B配合可以显著提高合金的高温持久性，并有利于提高合金的塑性；
(2)本发明在进行一段时间的包顶吹氧脱碳之后再加入Ti，并以镍铬合金的形式添加Cr和剩余的Ni，可以使Ti和Cr在体系中分散的更加均匀，并且可以有效避免过多的C消耗掉部分Ti和Cr，有利于TiCr2的形成，从而提高合金的高温寿命；
(3)本发明以含有55-60wt％镍的镍铬中间合金作为镍源，实验证明，添加该镍含量的镍铬中间合金所获得合金具有更好的高温耐蚀性的耐蚀性；
(4)对锻造后的钢棒进行热处理，有利于细化晶粒，稳定组织，并消除锻造产生的应力，提高强度。
具体实施方式
现在结合实施例对本发明作进一步详细的说明。
航空航天用高温合金材料，采用如下方法制备而成：
(1)按比例准备好原料，其中Cr和部分Ni以镍铬中间合金的形式准备；
(2)将除Ti、Cr和部分Ni以外的其他原料加入到真空感应炉内熔炼，熔炼过程中，从钢包底部吹入氩气进行脱气和搅拌，待原料全部熔融后，开始从钢包顶部吹入氧气脱碳；
(3)包顶吹氧5-10min后，加入Ti和镍铬中间合金，使之熔融分散，待钢包内碳含量降低至所需C含量以下时，停止包顶吹氧，改为从钢包顶部吹入氩气，钢包底部继续吹入氩气，保持10-20min；
(4)向钢包中加入硅铁、铝块进行脱氧，并加入石灰、萤石造渣，脱硫；
(5)将熔液浇铸成自耗电极，将自耗电极放入电渣炉中重熔成电渣锭；
(6)将电渣锭锻造成钢棒，并对钢棒进行热处理。
其中，步骤(4)的处理时间为10-20min。
步骤(5)中电渣重熔的具体步骤为：
(A)先将电渣和铝粉加入电渣炉内，对电渣进行脱氧，电压设置为60-80V，电流为4000-5000A；
(B)调整电压至45-60V，电流8000-9000A，在氩气保护下，对自耗电极进行电渣重熔，电渣重熔过程中均匀加入铝粉，电渣重熔时间控制在40-60min。
实施例1-5和对比例1-12的各组分含量及条件参数见表1和表2。
表1
Figure BDA0002060273600000031
Figure BDA0002060273600000041
表2
Figure BDA0002060273600000042
对比例13与实施例5基本相同，不同之处在于，对比例13中所有原料均为一起加入真空感应炉内进行熔炼。
对比例14与实施例5基本相同，不同之处在于，对比例14中Ti是先和其他原料一起加入的。
对比例15与实施例5基本相同，不同之处在于，对比例15中只有Ti是后加入的。
实施例1-5和对比例1-15所制备焊丝的力学性能见表3。
表3
Figure BDA0002060273600000043
Figure BDA0002060273600000051
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (9)

1.一种航空航天用高温合金材料，其特征在于：包括如下质量百分比的各组分：Cr13.0-18.0%、W 5.0-8.0%、Mo 2.0-4.0%、Ti 1.5-2.5%、Al 1.3-2.0%、Fe 2.5-4.0%、Nb 0.5-1.5%、Ce 0.3-0.8%、C 0.05-0.2%、Zr 0.02-0.08%、B 0.01-0.05%、O≤0.02%、P≤0.02%、S≤0.02%，余量为Ni；
所述的航空航天用高温合金材料，采用如下方法制备而成：
（1）按比例准备好原料，其中Cr和部分Ni以镍铬中间合金的形式准备；
（2）将除Ti、Cr和部分Ni以外的其他原料加入到真空感应炉内熔炼，熔炼过程中，从钢包底部吹入氩气进行脱气和搅拌，待原料全部熔融后，开始从钢包顶部吹入氧气脱碳；
（3）包顶吹氧5-10min后，加入Ti和镍铬中间合金，使之熔融分散，待钢包内碳含量降低至所需C含量以下时，停止包顶吹氧，改为从钢包顶部吹入氩气，钢包底部继续吹入氩气，保持10-20min；
（4）向钢包中加入硅铁、铝块进行脱氧，并加入石灰、萤石造渣，脱硫；
（5）将熔液浇铸成自耗电极，将自耗电极放入电渣炉中重熔成电渣锭；
（6）将电渣锭锻造成钢棒，并对钢棒进行热处理。
2.如权利要求1所述的航空航天用高温合金材料，其特征在于：包括如下质量百分比的各组分：Cr 13.0-16.0%、W 5.0-7.0%、Mo 2.0-3.0%、Ti 1.5-2.0%、Al 1.3-1.8%、Fe 2.5-3.5%、Nb 0.8-1.5%、Ce 0.3-0.5%、C 0.1-0.2%、Zr 0.02-0.05%、B 0.01-0.03%、O≤0.02%、P≤0.02%、S≤0.02%，余量为Ni。
3.如权利要求1所述的航空航天用高温合金材料，其特征在于：包括如下质量百分比的各组分：Cr 15.0-16.0%、W 5.5-6.5%、Mo 2.0-2.5%、Ti 1.8-2.0%、Al 1.5-1.8%、Fe 3.0-3.5%、 Nb 0.8-1.0%、Ce 0.35-0.5%、C 0.15-0.2%、Zr 0.03-0.04%、B 0.01-0.02%、O≤0.02%、P≤0.02%、S≤0.02%，余量为Ni。
4.如权利要求1所述的航空航天用高温合金材料，其特征在于：所述步骤（1）中的镍铬中间合金中镍的质量百分含量为55-60%。
5.如权利要求1所述的航空航天用高温合金材料，其特征在于：所述步骤（2）和（3）中包顶吹氧速率为每吨熔液200-250L/min。
6.如权利要求1所述的航空航天用高温合金材料，其特征在于：所述步骤（2）和（3）中包底吹氩的速率为每吨熔液8-15 L/min。
7.如权利要求1所述的航空航天用高温合金材料，其特征在于：所述步骤（3）中包顶吹氩的速率为每吨熔液220-270L/min，所述步骤（3）中包顶吹氩的速率大于步骤（2）和（3）中包顶吹氧的速率。
8.如权利要求1所述的航空航天用高温合金材料，其特征在于：所述步骤（6）中的开锻温度为1200℃，终锻温度大于1050℃。
9.如权利要求1所述的航空航天用高温合金材料，其特征在于：所述步骤（6）中热处理方式为：先在1200-1250℃处理4-6h，空冷，然后在850-900℃处理6-10h，空冷。
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