CN110951997A - 一种950~1050℃等温锻造用铸造高温合金模具材料 - Google Patents

一种950~1050℃等温锻造用铸造高温合金模具材料 Download PDF

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王立荣
陈志强
吴瑞恒
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Abstract

本发明提供了一种950~1050℃等温锻造用铸造高温合金模具材料，由C、Cr、Co、W、Mo、Al、Ti、B、Zr、Nb、Ni元素组成。本发明采用多元合金化方法，采用常用的重合金元素W、Mo、Nb等元素，代替昂贵的澜系合金元素Hf、难熔元素Ta，通过合理控制元素C、W、Nb、Cr Co、Al和Ti的范围，在不降低模具使用寿命的条件下降低模具的制造成本，保证合金的高温强度及抗氧化性能，降低了合金的制造成本，同时保证合金有较高的高温强度性能和抗氧化性能，为扩大超塑性成形工艺的推广创造条件。

Description

一种950～1050℃等温锻造用铸造高温合金模具材料
技术领域
本发明属于金属材料领域，涉及一种950～1050℃等温锻造用铸造高温合金模具材料。
背景技术
等温超塑性成形利用材料的超塑性特性完成部件的成形加工，具有模具填充性好、变形应力低、组织均匀等优点，适合于难变形超合金、金属间化合物和钛合金复杂形状锻件的生产，现在已经成为国内外航空航天用钛合金和超合金结构件的主要生产方式。
超合金和钛合金的超塑性是材料的高温特性。等温超塑性成形需要在材料超塑性温度范围内完成，为保证材料在变形过程中温度保持不变，被变形的材料需要保持在相同温度的模具中完成变形，钛合金的超塑性成形温度在950～1000℃，超合金的超塑性温度在1000～1150℃以上。因此，等温超塑性成形模具材料是实现等温超塑性变形的关键之一。
国内外对超塑性成形用模具材料开展了持续的研究。目前国内用于钛合金超塑性成形多采用K403铸造合金，使用温度在950℃。对于1000℃以上的超塑性成形模具材料，国外使用最多的是牌号TZM的钼合金模具。钼合金模具的使用温度可达1200℃，但是由于钼合金在高温下容易氧化，因此，钼合金模具必须在真空条件下使用。日本日立金属公司研究开发了一种牌号为Nimowal的超塑性成形模具材料，使用温度为1000～1100℃，可以在大气环境中使用。
中国第一航空工业集团有限公司北京航空材料研究院于2005年申请了一种使用温度在1050～1100℃的铸造合金专利(申请号200510084011.3)。该专利合金难熔元素W+Mo+Nb+Ta的范围达到18～23％，且澜系金属Hf含量达到0.3～1.0％，Ta含量达到2.5～4.5％，稀土元素Y含量≤0.01％。由于合金中除W、Mo、Nb、Co等元素外增加了Ta和Hf等元素，大大提高了模具材料的制造成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种950～1050℃等温锻造用模具材料，所述的这种950～1050℃等温锻造用模具材料要解决现有技术中的等温锻造用模具材料成本高的问题。
本发明提供了一种950～1050℃等温锻造用铸造高温合金模具材料，由如下质量百分比的元素制备而成：
Figure BDA0002330511510000021
进一步的，W元素、Mo元素、元素的质量百分比之和为16～21％。
在镍基合金中，Ni和Cr、Co组成基体γ相，Ni和Al、Ti形成高温强化相γ′。添加难熔金属元素W、Mo、Nb，有很高的熔点，固溶在γ相中，进一步提高了基体的高温强度，Nb在提高高温强度时还能提高合金的塑性，W、Mo、Nb和C元素形成碳化物进行第二相强化，B、C等元素进行晶界强化，Al、Cr是抗氧化元素，可以提高合金的高温抗氧化性能。通过试验得到各个元素合适的配比，使合金的室温、高温强度；塑性；抗氧化性；铸造等性能具备合适的配合。适合在950～1050℃等温锻造模具用。
本发明和已有技术相比，其技术效果是积极的。本发明采用多元合金化方法，采用适当配比的W、Mo、Nb难熔元素，不加难熔元素Ta，虽然达不到1100℃强度的要求，却可以满足1050℃等温锻造模具材料的使用要求，降低了合金的制造成本，为扩大超塑性成形工艺的推广创造条件。
附图说明
图1是采用本发明的950～1050℃等温锻造用铸造高温合金模具材料制备的模具的结构示意图。图中(1)上耐热座和(3)上平模用(5)卡环连接，(2)下耐热座和(4)下平模用(5)卡环连接。没有画出的其他材料的零件包括：整个模具放在电阻丝加热炉中，可以将平模加热到1050℃。上耐热座固定在液压机的滑块上，下耐热座固定在液压机的平台上。
具体实施方式
实施例1
本发明的材料冶炼用真空感应炉。
选用经过检验的纯金属：Cr、Ni、Mo、W、Co、Nb、Al、Ti、Zr和硼铁、电极碳，化学成分见表1，按要求配入化学成分。
将金属Cr、Ni、Co、Mo、W、Nb和碳作为炉料直接加入炉内，抽真空到小于1Pa后，通电，料化清后精炼30分钟以上，然后强烈搅拌熔池，停电降温结膜；
再通电，加入Al、Ti，熔炼5分钟化清后进行搅拌；
再加入硼铁、Zr 5分钟后进行搅拌,促进成分均匀化，炉前取样，分析化学成分进行炉前调整。化学成分达到要求后停电降温，待炉内温度达到浇注温度1500℃后带电浇注并通过过滤器进行。
试样采用失蜡浇铸方法浇铸，试样尺寸Φ15mm。模具浇铸后的毛坯采用机加工或电火花加工成型。
表1
元素 C Cr Co W Mo Al Ti B Zr Nb Ni
含量％ 0.094 5.75 12.04 12.57 1.54 5.3 1.44 0.028 0.092 4.83 余量
加工成Φ5mm标准拉伸试样，分别进行室温、1050℃和1100℃高温拉伸试验，测试了试验材料的室温和高温拉伸性能。试验结果见表2。
表2
试验温度 Rm(MPa) Rp0.2(MPa) A(％) Z(％)
室温 1098 988 2.5 /
室温 1041 930 2.5 4.0
室温 1024 941 1.5 2.0
1050℃ 505 385 2.0 2.0
1050℃ 510 395 4.0 6.0
1050℃ 495 385 4.5 6.5
1100℃ 340 310 3.0 3.0
1100℃ 395 315 2.5 2.5
1100℃ 360 300 4.0 3.0
上述数据可以满足1050℃等温锻造模具的使用要求。
实施例2
用本发明的合金制作了一套金属基复合材料超塑性成形模具。
如图1所示，模具外部尺寸为：Φ320mm，其中上模座1高度300mm、下模座2高度300mm、上、下平模3、4高度120mm，总高度840mm，上、下平模3、4和上、下模座1、2之间分别用卡环5固定连接，模具总重量500kg。
模具材料冶炼采用300kg真空感应炉，精选纯金属原料：Cr、Ni、Mo、W、Co、Nb、Al、Ti、Zr和硼铁、电极碳。
按要求配入化学成分，按镍基合金真空冶炼工艺冶炼。
炉前控制化学成分。
成分合格后控制炉内温度达到浇注温度后在真空浇注室内浇注。
采用砂型铸造成型。
冷却到适当温度后脱模。
模具采用机加工。
模具的化学成分见表3。
表3
Figure BDA0002330511510000041
用此模具进行TiAl金属基复合材料的等温锻造成形。成形温度为：1050℃，成形件的最大尺寸为：Φ200mm×40；成型件最大重量：15kg。
试验表明：本发明的合金可以用于制作大气环境使用，使用温度1050℃的等温锻造模具。由于合金控制了金属元素W、Nb、Mo的含量，不含Hf、Ta等元素，大大降低了模具材料的成本，同时又具有较好的高温性能，因而是一种很有前景的等温锻造模具材料。

Claims (4)

1.一种950～1050℃等温锻造用铸造高温合金模具材料，其特征在于由如下质量百分比的元素制备而成：
Figure FDA0002330511500000011
2.根据权利要求1所述的一种950～1050℃等温锻造用铸造高温合金模具材料，其特征在于：W元素、Mo元素、Nb元素的质量百分比之和为16～21％。
3.根据权利要求1所述的铸造高温合金，其特征在于，合金中的Nb的质量百分比为3.8～6.0％。
4.根据权利要求1所述的铸造高温合金，其特征在于，合金中的Cr的质量百分比为5.50～6.50％。
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