CN113106297B - 一种抗热裂铸造高温合金母合金及其制备方法 - Google Patents

一种抗热裂铸造高温合金母合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本申请涉及高温合金制备技术领域，更具体地说，它涉及一种抗热裂铸造高温合金母合金及其制备方法。抗热裂铸造高温合金母合金按质量百分比计，包括以下组分：Cr：13～15%；Ti：1.2～2.5%；Ta：2.2～2.5%；Hf：0.5～1.8%；Co：1.5～3.5%；Mo：2.4～3.0%；Si：0.1～0.6%；C：0.02～0.04%；Al：0.3～0.5%；W：0.5～1.5%；Zr：≤0.02%；Fe：≤1.0%；S：≤0.04%；余量为Ni和不可避免的杂质。其制备方法为：原材料预处理、真空熔炼、脱氧脱硫和浇注成型。本申请的抗热裂铸造高温合金母合金，其具有抗热裂性能较佳的优点。

Description

一种抗热裂铸造高温合金母合金及其制备方法
技术领域
本申请涉及高温合金制备技术领域，更具体地说，它涉及一种抗热裂铸造高温合金母合金及其制备方法。
背景技术
近年来，随着汽车涡轮增压技术的推广，对增压涡轮用高温合金的需求与日俱增。增压涡轮是增压器的核心部件，其耐受温度和使用寿命决定了整个增压器的工作温度和稳定性。随着增压器的转速提高、体积减小，其使用温度逐渐升高，目前排气温度已达1000℃以上。此时，涡轮材料的高温性能，特别是以蠕变、持久为代表的高温力学性能成为决定涡轮增压器寿命的关键因素。
由于铸造高温合金的结晶温度范围大，线收缩率大，导致涡轮叶片易产生热裂。热裂是合金在凝固过程中收缩受到外界阻碍而产生的一种晶界缺陷，严重时可导致铸造涡轮叶片毛坯报废率达20％。目前广泛使用的汽车增压涡轮材料只能满足950℃以下条件使用，而对于适用于更高使用温度增压涡轮用材的研究较少。同时，伴随着汽车涡轮增压技术的迅速发展，铸造高温合金铸件正向着轻、薄、形状复杂的方向发展，对减小铸件热裂倾向提出了更高要求。
因此，开发一种满足更高使用温度且具有较佳抗热裂性能的高温合金，已成为迫切需求。
发明内容
为了使高温合金满足更高使用温度，且具有较佳的抗热裂性能，本申请提供一种抗热裂铸造高温合金母合金及其制备方法。
第一方面，本申请提供一种抗热裂铸造高温合金母合金，采用如下的技术方案：
一种抗热裂铸造高温合金母合金，按质量百分比计，包括以下组分：
Cr：13～15％；
Ti：1.2～2.5％；
Ta：2.2～2.5％；
Hf：0.5～1.8％；
Co：1.5～3.5％；
Mo：2.4～3.0％；
Si：0.1～0.6％；
C：0.02～0.04％；
Al：0.3～0.5％；
W：0.5～1.5％；
Zr：≤0.02％；
Fe：≤1.0％；
S：≤0.04％；
余量为Ni和不可避免的杂质。
通过采用上述技术方案，在镍基高温合金中，Cr、Ti、Ta、Co、Mo等元素使得合金结晶温度范围变窄，合金的凝固收缩也变小，铸件内产生的应力也变小，从而合金形成热裂的倾向减小；降低低熔点元素的含量，从而减少低熔点共晶物，提高了固相线，进一步缩小结晶温度范围，减小热裂倾向；控制了Ti和Ta元素的比值，提高了凝固末期剩余液相的凝固温度，从而降低枝晶间液膜形成的可能性；少量的Hf元素缩小了枝晶间失去毛细管补缩能力和固相线之间的温度范围，还降低了枝晶间液池沟通所需的液体量，在凝固后期枝晶间的富Hf熔体具有很好的流动性、浸润性和趋肤效应，均有利于降低合金的热裂倾向，同时少量Hf的加入减少了Co的用量，使得合金成本下降，从而本申请所制得高温合金母合金具有较佳的抗热裂性能。
可选的，按质量百分比计，包括以下组分：
Cr：13.5～14.0％；
Ti：1.8～2.3％；
Ta：2.25～2.35％；
Hf：0.8～1.2％；
Co：2.0～2.5％；
Mo：2.48～2.71％；
Si：0.2～0.4％；
C：0.025～0.030％；
Al：0.35～0.45％；
W：1.0～1.3％；
余量为Ni和不可避免的杂质。
通过采用上述技术方案，优化合金中各组分的占比，进一步强化合金的抗热裂性能，使得合金的热裂倾向降低。
可选的，按质量百分比计，包括以下组分：
Cr：13.8％；
Ti：2.0％；
Ta：2.28％；
Hf：1.2％；
Co：2.3％；
Mo：2.67％；
Si：0.25％；
C：0.028％；
Al：0.43％；
W：1.2％；
余量为Ni和不可避免的杂质。
通过采上述技术方案，优化合金中各组分的占比，进一步强化合金的抗热裂性能，使得合金的热裂倾向进一步降低。
第二方面，本申请提供一种抗热裂铸造高温合金母合金的制备方法，采用如下的技术方案：
一种抗热裂铸造高温合金母合金的制备方法，包括以下步骤，
原材料预处理：按质量百分比称取原材料，将原材料分别进行水洗和酸洗；
真空熔炼：将预处理后的Cr、Ta、Co、Mo、Si、W、Fe、C、Zr和Ni元素进行熔炼，待原料完全化清后，搅拌熔炼20～40min，随后停止加热10～20s，向熔体中加入Ti、Al和Hf元素，加热至全部熔化，充氩气保护，随后搅拌，得到共熔物；
脱氧脱硫：将共熔物在氩气保护下降温，当温度达到1480～1600℃时，加入脱氧脱硫剂，所述脱氧脱硫剂与Ni的质量比为(2～3):100,搅拌升温，待温度达到1530～1600℃时，进行精炼；浇注成型：将精炼后的熔融体系降温同时抽真空，搅拌降温至1580～1600℃后浇注成型，得到高温合金母合金。
通过采用上述技术方案，先将原料进行酸洗去污预处理，以去除原料表面的杂物或氧化物，随后进行熔炼处理，并控制工艺条件，减少液膜的形成，改善合金的组织，降低合金的缺陷，降低合金热裂的倾向。
可选的，所述原材料预处理步骤中的酸洗溶液为15～25g/L的盐酸和5～10g/L的醋酸溶液混合物，所述盐酸和醋酸溶液的质量比为2:3。
通过采用上述技术方案，选用盐酸和醋酸溶液混合配置酸洗液，使得原料表面氧化皮和杂质得到有效去除。
可选的，所述原料预处理步骤中的酸洗方法为将盐酸和醋酸溶液混合后升温至50℃，随后将原料在酸洗溶液中浸泡停留30min。
通过采上述技术方案，将酸洗溶液升温后使用，可以加快预处理的速度，提高生产效率。
可选的，所述脱氧脱硫步骤中的脱氧脱硫剂为硅钙钡合金。
通过采用上述技术方案，硅钙钡合金具有较佳的脱氧脱硫效果，有助于提高合金的抗热裂性能。
可选的，所述脱氧脱硫步骤中的精炼时间为30～60min。
通过采用上述技术方案，在30～60min的精炼时长下可以获得更优的精炼效果。
可选的，所述浇注成型步骤中的浇注温度为1580～1590℃。
通过采用上述技术方案，在浇注成型的过程中，温度过高会使凝固时间增加，热裂倾向加大，温度过低虽能减少热裂，但是会导致叶片充型困难，因此将浇注温度控制在上述范围内时，便于浇注且热裂倾向最低。
综上所述，本申请具有以下有益效果：
1、由于本申请采用特定的合金组分进行配比，大大提高了高温合金母合金的抗热裂性能。
2、本申请优选采用了适量的Hf元素加入，降低了Co元素的用量，降低了生产成本。
3、本申请的方法，通过控制工艺条件，使得高温合金母合金的抗热裂性能进一步得到提升。
具体实施方式
酸洗溶液的制备例
制备例1
取质量浓度为15g/L的盐酸和质量浓度为10g/L的醋酸溶液按2:3的质量比混合均匀，得到酸洗溶液。
制备例2-4
以制备例1为基础，区别主要在于盐酸和醋酸溶液的质量浓度不同，具体见表1。
表1制备例2-4中盐酸和醋酸溶液的浓度
Figure BDA0003014580460000041
Figure BDA0003014580460000051
实施例
实施例1-4
以下以实施例1为例进行说明，一种抗热裂铸造高温合金母合金的制备方法，包括以下步骤：原材料预处理：按质量比准备好相应铸锭，先用水清洗，随后将制备例1中制得酸洗溶液升温至50℃，将铸锭浸没于酸洗溶液中保温30min，再次用水清洗一次，得到预处理后的铸锭；真空熔炼：将预处理后的Cr、Ta、Co、Mo、Si、W、Fe、C、Zr和Ni铸锭加入真空熔炉的铜坩埚中，熔炼前先将炉内真空度抽至1×10-3Pa，开始熔炼，待金属完全熔化后，开启磁搅拌并继续熔炼20min，随后停止加热保持10s，再向熔体中加入Ti、Al和Hf铸锭，充入高纯氩气至0.01MPa保护，再次加热至全部熔化，随后磁搅拌，得到共熔物；
脱氧脱硫：停止加热，使共熔物随炉冷却，充氩气至炉内压力至5kPa保护，待温度降至1500℃时，加入与Ni质量比为2:100的硅钙钡合金(购自安阳正德冶金有限公司，牌号为Ca30Si60)，边搅拌边升温至1545℃，开始精炼，精炼时间为40min；
浇注成型：将精炼后的熔融体降温1580℃，随后浇注成型，得到高温合金母合金。
如表2所示，实施例1-4的高温合金母合金的主要区别在于合金材料中各组分的质量百分比不同。
表2实施例1-4中各组分质量百分比
Figure BDA0003014580460000052
Figure BDA0003014580460000061
实施例5-9
实施例5-9涉及一种抗热裂铸造高温合金母合金的制备方法，均以实施例1为基础，区别主要在于制备过程中，合金材料中成分的质量百分比不同，具体见表3。
表3实施例5-9中各组分质量百分比
组分 实施例5 实施例6 实施例7 实施例8 实施例9
Cr 13.500 13.600 13.850 13.800 14.000
Ti 2.300 1.800 1.860 2.000 2.250
Ta 2.250 2.300 2.350 2.280 2.255
Hf 0.800 0.950 1.000 1.200 1.200
Co 2.500 2.350 2.150 2.300 2.000
Mo 2.600 2.550 2.710 2.670 2.480
Si 0.400 0.260 0.350 0.250 0.200
C 0.025 0.027 0.028 0.028 0.030
Al 0.450 0.440 0.360 0.430 0.350
W 1.000 1.250 1.150 1.200 1.300
Zr / 0.020 / / 0.003
Fe 0.750 / 0.200 / /
S 0.030 0.010 / 0.015 0.016
Ni和杂质 73.395 74.443 73.992 73.827 73.916
合计 100.000 100.000 100.000 100.000 100.000
实施例10-12
实施例10-12涉及一种抗热裂铸造高温合金母合金的制备方法，均以实施例8为基础，区别主要在于制备过程中，酸洗溶液的来源不同，具体见表4。
表4实施例10-12酸洗溶液的来源
实施例 实施例10 实施例11 实施例12
来源 制备例2 制备例3 制备例4
实施例13-19
实施例13-19涉及一种抗热裂铸造高温合金母合金的制备方法，均以实施例8为基础，区别主要在于制备过程中，各步骤中的工艺条件不同，具体见表5。
表5实施例13-19各步骤的工艺条件
Figure BDA0003014580460000062
Figure BDA0003014580460000071
实施例20
实施例20涉及一种抗热裂铸造高温合金母合金的制备方法，以实施例2为基础，区别主要在于将硅钙钡合金替换为等质量的硅锰钙型脱氧脱硫剂(购自安阳新创冶金材料有限公司，牌号为FeSi75-A)。
实施例21-22
实施例21-22涉及一种抗热裂铸造高温合金母合金的制备方法，以实施例19为基础，区别主要在于脱硫脱氧步骤中的精炼时间不同，具体见表6。
表6实施例21-22精炼时间
实施例 实施例21 实施例22
精炼时间(min) 30 60
对比例
对比例1
一种高温合金母合金，以实施例20为基础，区别主要在于将Hf、Co和Mo均替换为等质量百分比的Ni。
对比例2
一种高温合金母合金，以实施例20为基础，区别主要在于将Hf替换为等质量百分比的Ni。
对比例3
一种高温合金母合金，以实施例20为基础，区别主要在于将Co替换为等质量百分比的Ni。
对比例4
一种高温合金母合金，以实施例20为基础，区别主要在于将Mo替换为等质量百分比的Ni。
对比例5-10
一种高温合金母合金，以实施例20为基础，区别主要在于Hf、Co、Mo和Ni的质量百分比不同，具体见表7。
表7对比例5-10Hf、Co、Mo和Ni的质量百分比
组分 对比例5 对比例6 对比例7 对比例8 对比例9 对比例10
Hf 0.400 1.900 3.500 3.500 3.500 3.500
Co 1.800 1.800 1.400 3.600 1.800 1.800
Mo 2.400 2.400 2.400 2.400 2.300 3.100
Ni和杂质 74.498 72.998 71.798 69.598 71.498 70.698
对比例11-12
一种高温合金母合金，以实施例20为基础，区别主要在于制备过程中浇注成型步骤的开始浇注温度不同，具体见表8。
表8对比例11-12开始浇注时的温度
对比例 对比例11 对比例12
开始浇注温度(℃) 1570 1610
性能检测试验
检测方法
对实施例和对比例的高温合金母合金进行性能检测，其试验方法如下：
热裂纹检测：将实施例和对比例制得的高温合金母合金置于1000℃的高温环境中，200h后，检测热裂纹产生情况。选用磁粉探伤法，借助磁粉探伤机，观察产生磁痕情况。按下列标准划分试样的裂纹产生级别：
1级表示基本无热裂纹；2级表示热裂纹不明显，裂纹长度≤5μm；3级表示热裂纹不明显，裂纹长度≤10μm；4级表示热裂纹明显，裂纹长度≥15μm；5级表示热裂纹明显且较多，裂纹长度≥20μm。
注：“+”代表效果优于同级别，“-”代表效果不及同级别。
实施例1-22和对比例1-12的检测结果见表9。
表9实施例1-22和对比例1-12性能检测结果
Figure BDA0003014580460000081
Figure BDA0003014580460000091
结合实施例1-22并结合表9可以看出，应用本申请中制备方法制得的高温合金母合金，在经过长时间的高温试验后，裂纹级别均≤3级，说明所得合金母合金的热裂纹不明显且长度均不超过10μm，相较于对比例1-12的检测试样，抗裂性更优。
比较实施例1-4和实施例5-9并结合表9可以看出，当将各成分的用量进行进一步限定时，所得试样的抗热裂性也得到进一步提升，其中效果较优的为实施例8。
比较实施例8和实施例13-19并结合表9可以看出，当将浇注成型步骤中的浇注温度控制在本申请所限制的范围内时，所得高温合金母合金的抗裂性得到有效提升。
比较对比例1-4和实施例20并结合表9可以看出，Hf、Co、Mo三种成分存在协同配合的效果，再结合对比例5～10可知，这三种成分在本申请限制的配比范围内时，所得高温合金母合金的抗热裂性能最佳。
比较对比例11-12和实施例20并结合表9可以看出，浇注成型过程中的浇注温度对合金成品的抗热裂性能影响较大，当浇注温度控制在本申请范围内时，所得合金成品的抗热裂性能较佳。
本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (7)

1.一种抗热裂铸造高温合金母合金，其特征在于，按质量百分比计，包括以下组分：
Cr:13.8～14.0%；
Ti:1.86～2.25%；
Ta:2.28～2.25%；
Hf:1.0～1.2%；
Co:2.0～2.3%；
Mo:2.48～2.71%；
Si:0.2～0.35%；
C:0.028～0.030%；
Al:0.35～0.43%；
W:1.15～1.3%；
余量为Ni和不可避免的杂质；
所述抗热裂铸造高温合金母合金的制备方法，包括以下步骤：
原材料预处理：按质量百分比称取原材料，将原材料分别进行水洗和酸洗；
真空熔炼：将预处理后的Cr、Ta、Co、Mo、Si、W、C和Ni元素进行熔炼，待原料完全化清后，搅拌熔炼20～40min，随后停止加热10～20s，向熔体中加入Ti、Al和Hf元素，加热至全部熔化，充氩气保护，随后搅拌，得到共熔物；
脱氧脱硫：将共熔物在氩气保护下降温，当温度达到1480～1600℃时，加入脱氧脱硫剂，所述脱氧脱硫剂与Ni的质量比为(2～3):100,搅拌升温，待温度达到1530～1600℃时，进行精炼；
浇注成型：将精炼后的熔融体系降温同时抽真空，搅拌降温至1580～1600℃后浇注成型，得到高温合金母合金。
2.根据权利要求1所述的一种抗热裂铸造高温合金母合金，其特征在于，按质量百分比计，包括以下组分：
Cr：13.8%；
Ti：2.0%；
Ta：2.28%；
Hf：1.2%；
Co：2.3%；
Mo：2.67%；
Si：0.25%；
C：0.028%；
Al：0.43%；
W：1.2%；
余量为Ni和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的一种抗热裂铸造高温合金母合金，其特征在于，所述原材料预处理步骤中的酸洗溶液为15～25g/L的盐酸和5～10g/L的醋酸溶液混合物，所述盐酸和醋酸溶液的质量比为2:3。
4.根据权利要求3所述的一种抗热裂铸造高温合金母合金，其特征在于，所述原料预处理步骤中的酸洗方法为将盐酸和醋酸溶液混合后升温至50℃，随后将原料在酸洗溶液中浸泡停留30min。
5.根据权利要求1所述的一种抗热裂铸造高温合金母合金，其特征在于，所述脱氧脱硫步骤中的脱氧脱硫剂为硅钙钡合金。
6.根据权利要求5所述的一种抗热裂铸造高温合金母合金，其特征在于，所述脱氧脱硫步骤中的精炼时间为30～60min。
7.根据权利要求6所述的一种抗热裂铸造高温合金母合金，其特征在于，所述浇注成型步骤中的浇注温度为1580～1590℃。
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