CN114921687B - 通过调控锆和碳组分含量制备的改性的高温合金及方法 - Google Patents

通过调控锆和碳组分含量制备的改性的高温合金及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114921687B
CN114921687B CN202210442992.8A CN202210442992A CN114921687B CN 114921687 B CN114921687 B CN 114921687B CN 202210442992 A CN202210442992 A CN 202210442992A CN 114921687 B CN114921687 B CN 114921687B
Authority
CN
China
Prior art keywords
superalloy
modified
zirconium
components
alloy
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202210442992.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114921687A (zh
Inventor
介子奇
张军
郭敏
徐涛
坚增运
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Northwestern Polytechnical University
Xian Technological University
Original Assignee
Northwestern Polytechnical University
Xian Technological University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Northwestern Polytechnical University, Xian Technological University filed Critical Northwestern Polytechnical University
Priority to CN202210442992.8A priority Critical patent/CN114921687B/zh
Publication of CN114921687A publication Critical patent/CN114921687A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114921687B publication Critical patent/CN114921687B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C19/00—Alloys based on nickel or cobalt
    • C22C19/03—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel
    • C22C19/05—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium
    • C22C19/051—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W
    • C22C19/055—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W with the maximum Cr content being at least 20% but less than 30%
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/10—Alloys containing non-metals
    • C22C1/1036—Alloys containing non-metals starting from a melt
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

本公开提供了一种通过调控锆和碳组分含量制备的改性的高温合金及方法，其中，改性的高温合金包括：改性的IN939高温合金；改性的IN939高温合金的组分以质量百分比计包括：C为0.15‑0.16％、Zr为0.09‑0.18％。该改性的IN939高温合金的组分包括：Cr为22.24％，Co为18.73％、W为1.97％、Nb为0.89％、Ta为1.24％、Ti为3.66％、Al为1.90％、Mo为0.0063％、P为0.0015％、Mn为0.0035％、C为0.15‑0.16％、Zr为0.09‑0.18％、B为0.0042％、Hf为0.019％、V为0.006％、Fe为0.03％、杂质≤0.01％、余量为Ni，其中，各组分的百分比为质量百分比。

Description

通过调控锆和碳组分含量制备的改性的高温合金及方法
技术领域
本公开涉及高温合金铸造领域，尤其涉及一种通过调控锆和碳组分含量制备的改性的高温合金及方法。
背景技术
近年来，先进航空发动机推重比和热效率的不断提高，对发动机关键热端部件的承温能力提出了越来越高的要求。以机匣等铸件为例，该部件在先进航空发动机中的服役温度大幅提升，一些发达国家该部件的使用温度已提高到800℃以上。目前，国内该部件所用的K4169合金材料的主要使用温度在650℃，但是在高于650℃并进行长时间服役容易产生热裂纹，严重危害发动机的安全性。但是对于耐更高温度的合金材料，其合金化程度较高且凝固区间较宽，在进行制作机匣等铸件时，由于铸件具有尺寸较大、最薄壁厚且小、结构复杂等特征，容易出现铸件充型困难、组织粗大和冶金缺陷难修复等问题，严重影响该部件的安全服役。
发明内容
基于上述技术问题，本公开提供了一种通过调控锆和碳组分含量制备的改性的高温合金及方法，以期至少部分地解决上述技术问题。
为了解决上述技术问题，本公开的一个方面，提供了一种通过调控锆和碳组分含量制备的改性的高温合金，其中，上述改性的高温合金包括：改性的IN939高温合金；上述改性的IN939高温合金的组分中以质量百分比计包括：C为0.15-0.16％、Zr为0.09-0.18％。
根据本公开的实施例，上述改性的IN939高温合金的组分包括：
Cr为22.24％，Co为18.73％、W为1.97％、Nb为0.89％、Ta为1.24％、Ti为3.66％、Al为1.90％、Mo为0.0063％、P为0.0015％、Mn为0.0035％、C为0.15-0.16％、Zr为0.09-0.18％、B为0.0042％、Hf为0.019％、V为0.006％、Fe为0.03％、杂质≤0.01％、余量为Ni，其中，各组分的百分比为质量百分比。
根据本公开的实施例，在浇注温度为1450℃和模壳温度为900℃条件下进行的流动性测试中，上述改性的IN939高温合金的流线长度包括：350-512mm。
根据本公开的实施例，上述改性的IN939高温合金的液相线温度大于1330℃，上述改性的IN939高温合金使用的工作温度包括0-870℃。
本公开的另一个方面，还提供了一种通过调控锆和碳组分含量制备的改性的高温合金的方法，包括：
将添加剂和未改性的高温合金放入至真空感应熔炼炉中进行熔炼，得到改性的高温合金，其中，上述未改性的高温合金包括：未改性的IN939高温合金；
上述添加剂包括：锆颗粒和碳粉末。
根据本公开的实施例，上述未改性的IN939高温合金与上述锆颗粒的质量比包括：200：16-35；
上述未改性的IN939高温合金与上述碳粉末的质量比包括：200：7-11。根据本公开的实施例，上述未改性的IN939高温合金中的组分包括：
Cr为22.24％，Co为18.73％、W为1.97％、Nb为0.89％、Ta为1.24％、Ti为3.66％、Al为1.9％、Mo为0.0063％、P为0.0015％、Mn为0.0035％、C为0.11％、Zr为0.006％、B为0.0042％、Hf为0.019％、V为0.006％、Fe为0.03％、杂质≤0.01％、余量为Ni，其中，各组分的百分比为质量百分比。
根据本公开的实施例，上述熔炼的真空压力包括：6×10-2MPa。
根据本公开的实施例，上述熔炼的温度包括：1550-1600℃；
根据本公开的实施例，上述熔炼的时间包括：10-30min。
基于上述技术方案，本公开提供的一种通过调控锆和碳组分含量制备的改性的高温合金及方法，至少包括以下之一的有益效果：
(1)在本公开的实施例中，IN939高温合金是一种镍基铸造的合金，其合金化程度较高，凝固区间温度较宽，通过调控高温合金中锆和碳组分含量制备改性的IN939高温合金，可以降低改性的IN939高温合金的凝固温度，使得改性的IN939高温合金具有较高的流动性。同时，由于因锆和碳的原子半径较大，不易固溶在基体中，在凝固过程中容易偏析到晶界处，填补晶界空位，进而增加晶界结合力，降低晶界自由能，使得位错运动开动力增大，可以起到强化晶界的作用，从而提高合金的拉伸性能、蠕变和持久性能。
(2)在本公开的实施例中，由于锆和碳原子的直径较大，使锆和碳原子很难进入面心立方结构γ枝晶的八面体间隙中，因此降低了原子液固相之间的迁移速率，导致γ枝晶的生长速率减慢，使得枝晶搭接现象更晚出现，从而提高了改性的IN939高温合金的流动性。
(3)本公开提供了一种较为简单的方法来制备改性的IN939高温合金，通过调控高温合金中锆和碳组分含量，可以实现在不降低合金力学性能的前提下，提高合金的流动性能，满足航空铸件的需求。
附图说明
图1A是本公开对比例1中未改性的IN939高温合金的实物图；
图1B-F是本公开实施例1～5中不同含量的碳和锆组分对改性的IN939高温合金流动性影响的实物图；
图2是本公开实施例1～5中不同含量的锆和碳组分对改性的IN939高温合金粘度影响的效果图；
图3是本公开实施例1～5中不同含量的锆和碳组分对改性的IN939高温合金在不同温度下对表面张力影响的效果图。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本公开作进一步的详细说明。
合金的流动性与金属的成分、温度、杂质含量及其物理性质有关。合金的流动性理论上直接关系到金属的充型能力，而充型能力又影响到铸件的成形质量，在实践中它更是直接影响到大型、薄壁铸件充型的成败。
合金主要通过改变合金中化学元素及其含量来改善自身的流动性，如在铝合金熔体中加入锶、硼及混合稀土等元素改善其流动性。但是，对于高温合金来说对合金组成成分要求更为严格，其组织和力学性能对合金成分的变化十分敏感，进而限制了稀土元素或其它元素对改善高温合金流动性的作用。因此，通过选择合适的合金元素组成和调控其含量来提高高温合金的流动性，对大型、复杂薄壁铸件的成形和成形质量具有重要的意义。在不同的合金体系中不同元素的组成对合金的作用机理不同，因此需要对具体的合金体系进行探索，明确合金中组分及含量对其组织和性能的影响。因此，本公开针对IN939高温合金进行了探究，提出了一种通过调控锆和碳组分含量制备的改性的IN939高温合金及方法，以期通过调控高温合金中锆和碳组分的含量，在不改变高温合金力学性能的前提下，提高高温合金的流动性，即提高IN939高温合金的流动性能，以满足实际需求。
在本公开的实施例中，提供了一种通过调控锆和碳组分含量制备的改性的高温合金，其中，改性的高温合金包括：改性的IN939高温合金；改性的IN939高温合金的组分以质量百分比计包括：C为0.15-0.16％、Zr为0.09-0.18％。
根据本公开的实施例，改性的IN939高温合金的组分包括：Cr为22.24％，Co为18.73％、W为1.97％、Nb为0.89％、Ta为1.24％、Ti为3.66％、Al为1.90％、Mo为0.0063％、P为0.0015％、Mn为0.0035％、C为0.15-0.16％、Zr为0.09-0.18％、B为0.0042％、Hf为0.019％、V为0.006％、Fe为0.03％、杂质≤0.01％、余量为Ni，其中，各组分的百分比为质量百分比。
根据本公开的实施例，其中，C含量可选为0.15％、0.16％；Zr含量可选为0.09％、0.10％、0.12％、0.15％、0.18％。
根据本公开的实施例，在浇注温度为1450℃和模壳温度为900℃条件下进行的流动性测试中，改性的IN939高温合金的流线长度包括：350-512mm。
根据本公开的实施例，改性的IN939高温合金的液相线温度大于1330℃，其中，液相线温度范围包括1330-1338℃，更优选为1336-1338℃；改性的IN939高温合金使用的工作温度包括：0-870℃。
根据本公开的实施例，通过调控锆和碳组分含量制备的改性的高温合金的方法，包括：将添加剂和未改性的高温合金放入至真空感应熔炼炉中进行熔炼，得到改性的高温合金；其中，未改性的高温合金包括：未改性的IN939高温合金；添加剂包括：锆颗粒和碳粉末。
根据本公开的实施例，未改性的IN939高温合金与锆颗粒的质量比包括：200：16-35，其中，可选为200：16、200：20、200：25、200：30、200：35；未改性的IN939高温合金与碳粉末的质量比包括：200：7-11，其中，可选为200：7、200：9、200：11等。
根据本公开的实施例，未改性的IN939高温合金中的组分包括：
Cr为22.24％，Co为18.73％、W为1.97％、Nb为0.89％、Ta为1.24％、Ti为3.66％、Al为1.9％、Mo为0.0063％、P为0.0015％、Mn为0.0035％、C为0.11％、Zr为0.006％、B为0.0042％、Hf为0.019％、V为0.006％、Fe为0.03％、杂质≤0.01％、余量为Ni，其中，各组分的百分比为质量百分比。
根据本公开的实施例，熔炼的真空压力包括：6×10-2MPa。
根据本公开的实施例，熔炼的温度包括：1550-1600℃，其中，可选为1550、1575、1600℃等。
根据本公开的实施例，熔炼的时间包括：10-30min，其中，可选为10、15、20、25、30min。
以下通过具体的实施例结合附图对本公开的技术方案做进一步的解释说明。需要注意的是，下述具体的实施例仅是作为举例说明，本公开的保护范围不局限于此。
本公开选用了一种未改性的高温合金，通过调控高温合金中锆和碳组分含量制备改性的IN939高温合金，探究其在不影响高温合金力学性能的前提下，如何能够提高高温合金的流动性能，以期满足航空铸件的实际需求。需要说明的是，本公开所选用的未改性的IN939高温合金，只是为了举例说明本公开的方法可以通过调控未改性高温合金中锆和碳组分含量，实现IN939高温合金流动性能的提升，对于其它组分含量组成的未改性IN939高温合金，也可以用此方法来提升IN939高温合金的流动性能。
流动性测试：
将螺旋段厚度为3mm，高度为10mm的螺旋型流动性模壳加热到900℃并保温4h后，将获得不同含量的锆和碳组分组成的IN939高温合金(IN939高温合金包括：改性的IN939高温合金和未改性的IN939高温合金)置于真空感应熔炼炉中进行熔炼，待高温合金完全熔化后，在1550℃下保温2min，将得到的不同锆和碳组分含量的IN939高温合金液降温至1450℃，并以0.5kg/s的浇注速度将所述的IN939高温合金液浇铸至预热后的螺旋型流动性模壳中。待合金液浇注后的模壳自然冷却至室温后，敲开螺旋型流动性模型，取出冷却后的螺旋状的IN939高温合金试样，并测量其流线长度，从而确定IN939高温合金的流动性能。
IN939高温合金试样性能测试的热处理过程，如下：
将所获得的IN939高温合金试样(包括：改性的IN939高温合金和未改性的IN939高温合金)置于热处理炉中进行固溶和时效等4步热处理，其中，热处理过程中所涉及的具体工艺及参数包括：
a.固溶热处理：在1160℃保温4h，随后快速用空气进行冷却至室温；
b.时效热处理：在1000℃保温6h，随后快速用空气冷却至室温；然后在900℃保温24h后用冷空气冷却至室温；700℃保温16h，随后快速用空气冷却至室温。
最后，将上述热处理后的IN939高温合金试样在应变速率为2×10-3/s条件下，采用万能拉伸试验机进行室温拉伸实验测得IN939高温合金的抗拉强度、屈服强度和延伸率。
实施例
在本公开的实施例中，一种通过调控锆和碳组分含量制备的改性的IN939高温合金的方法所涉及的具体步骤如下：
S1、取锆颗粒、碳粉末和未改性的IN939高温合金，根据设计的锆和碳组分在改性的IN939高温合金中的含量进行配料称重；
S2、将未改性的IN939高温合金放入真空感应熔炼炉中进行熔炼，当未改性的IN939高温合金完全熔化后，按照未改性的IN939高温合金与锆颗粒的质量比为200：16-35和未改性的IN939高温合金与碳粉末的质量比为：200：7-11的比例称取物料，然后将物料通过真空感应熔炼炉的加料仓加入到坩埚中，并反复熔炼5次，减少宏观偏析并使添加的组分(Zr、C)均匀分布在未改性的IN939高温合金中，从而获得不同含量的锆和碳组分改性的IN939高温合金试样。
本公开所涉及的熔炼条件包括：a.6×10-2MPa的真空状态；b.熔炼温度为1550℃～1600℃；c.熔炼过程采用电磁搅拌；d.熔炼时间为15min。
实施例1
实施例1是由C含量为0.15％、Zr含量为0.09％及其他组分含量组成的改性的IN939高温合金，其中，所述改性的IN939高温合金的配方如表1所示，附图中的标号为1。
表1
Cr(％) Co(％) W(％) Nb(％) Ta(％) Ti(％) Al(％)
22.24 18.73 1.97 0.89 1.24 3.66 1.90
Mo(％) P(％) Mn(％) C(％) Zr(％) B(％) Ni(％)
0.0063 0.0015 0.0035 0.15 0.09 0.0042 余量
Hf(％) V(％) Fe(％) 杂质(％)
0.019 0.006 0.030 ≤0.01
实施例2
实施例2是由C含量为0.15％、Zr含量为0.12％及其他组分含量组成的改性的IN939高温合金，其中，所述改性的IN939高温合金的配方如表2所示，附图中的标号为2。
表2
Cr(％) Co(％) W(％) Nb(％) Ta(％) Ti(％) Al(％)
22.24 18.73 1.97 0.89 1.24 3.66 1.90
Mo(％) P(％) Mn(％) C(％) Zr(％) B(％) Ni(％)
0.0063 0.0015 0.0035 0.15 0.12 0.0042 余量
Hf(％) V(％) Fe(％) 杂质(％)
0.019 0.006 0.030 ≤0.01
实施例3
实施例3是由C含量为0.15％、Zr含量为0.15％及其他组分含量组成的改性的IN939高温合金，其中，所述改性的IN939高温合金的配方如表3所示，标号为3。
表3
Cr(％) Co(％) W(％) Nb(％) Ta(％) Ti(％) Al(％)
22.24 18.73 1.97 0.89 1.24 3.66 1.90
Mo(％) P(％) Mn(％) C(％) Zr(％) B(％) Ni(％)
0.0063 0.0015 0.0035 0.15 0.15 0.0042 余量
Hf(％) V(％) Fe(％) 杂质(％)
0.019 0.006 0.030 ≤0.01
实施例4
实施例4是由C含量为0.15％、Zr含量为0.18％及其他组分含量组成的改性的IN939高温合金，其中，所述改性的IN939高温合金的配方如表4所示，标号为4。
表4
Cr(％) Co(％) W(％) Nb(％) Ta(％) Ti(％) Al(％)
22.24 18.73 1.97 0.89 1.24 3.66 1.90
Mo(％) P(％) Mn(％) C(％) Zr(％) B(％) Ni(％)
0.0063 0.0015 0.0035 0.15 0.18 0.0042 余量
Hf(％) V(％) Fe(％) 杂质(％)
0.019 0.006 0.030 ≤0.01
实施例5
实施例5是由C含量为0.16％、Zr含量为0.10％及其他组分含量组成的改性的IN939高温合金，其中，所述改性的IN939高温合金的配方如表5所示，标号为5。
表5
Cr(％) Co(％) W(％) Nb(％) Ta(％) Ti(％) Al(％)
22.24 18.73 1.97 0.89 1.24 3.66 1.90
Mo(％) P(％) Mn(％) C(％) Zr(％) B(％) Ni(％)
0.0063 0.0015 0.0035 0.16 0.10 0.0042 余量
Hf(％) V(％) Fe(％) 杂质(％)
0.019 0.006 0.030 ≤0.01
对比例
对比例1中未改性的IN939高温合金的制备方法与实施例中的制备方法相同，唯一不同的是未添加任何添加剂。
对比例1是由C含量为0.11％、Zr含量为0.006％及其他组分含量组成未改性的IN939高温合金，未改性的IN939高温合金的配方如表6所示。
表6
Cr(％) Co(％) W(％) Nb(％) Ta(％) Ti(％) Al(％)
22.24 18.73 1.97 0.89 1.24 3.66 1.90
Mo(％) P(％) Mn(％) C(％) Zr(％) B(％) Ni(％)
0.0063 0.0015 0.0035 0.11 0.006 0.0042 余量
Hf(％) V(％) Fe(％) 杂质(％)
0.019 0.006 0.030 ≤0.01
图1A是本公开对比例1中未改性的IN939高温合金的实物图；图1B-F是本公开实施例1～5中不同含量的碳和锆组分对改性的IN939高温合金流动性影响的实物图。
将上述实施例和对比例1中的IN939高温合金在浇铸温度为1450℃和模壳温度为900℃条件下，采用螺旋型流动性测试模型对IN939高温合金的流动性和拉伸性能进行测试，以测定液态高温合金在模型中凝固时的流线长度以表征其流动性，其中，IN939高温合金包括：改性的IN939高温合金和未改性的IN939高温合金。
表7是本公开实施例与对比例1中IN939高温合金的流动性能测试结果。
表7
Figure BDA0003614815680000091
由表7可知，本公开通过增加锆和碳组分含量制备改性的IN939高温合金，相比于未改性的IN939高温合金在其不降低合金的力学性能的前提下，当锆和碳元素的质量百分比分别在0.09～0.18％和0.15～0.16％时，可以使改性的IN939高温合金的流动性提高14％以上，尤其是当锆和碳组分的质量百分比分别为0.10和0.16时，改性的IN939高温合金的流动性比未改性的IN939高温合金的流动性提高了68％。
对比例2是由C含量为0.17％、Zr含量为0.19％及其他组分含量组成的改性的IN939高温合金，改性的IN939高温合金的配方如表8所示。
表8
Cr(％) Co(％) W(％) Nb(％) Ta(％) Ti(％) Al(％)
22.24 18.73 1.97 0.89 1.24 3.66 1.90
Mo(％) P(％) Mn(％) C(％) Zr(％) B(％) Ni(％)
0.0063 0.0015 0.0035 0.17 0.19 0.0042 余量
Hf(％) V(％) Fe(％) 杂质(％)
0.019 0.006 0.030 ≤0.01
通过对表8中组分制备的改性的IN939高温合金进行DSC实验(差示扫描量热法)和JMatPro软件计算，获得了改性的IN939高温合金凝固温度区间。实验结果表明，对比例2中的凝固温度区间较本公开实施例中凝固温度区间的范围增大了13℃。合金的凝固区间越大，流动性越差。因此，超过本公开实施例所提供的范围时，其流动性变差，其中，本公开实施例1-5中的凝固温度区间为75-83℃，对比例2中的凝固温度区间为96℃。
同时，由于碳和锆组分的含量进一步的增加，更容易导致形成低熔点相，使初熔温度比本公开实施例的范围的改性的IN939高温合金降低了20℃左右，导致合金的热加工性能和使用温度降低，其中，实施例1-5中的初熔温度范围为1228-1223℃，对比例2中的初熔温度为1203℃。
通过改变IN939高温合金中的锆和碳组分含量，进而可以改变IN939高温合金的流动性主要有以下几点：
(1)IN939是镍基铸造的高温合金，属于宽结晶温度范围的合金，对于凝固区间较大的高温合金，凝固过程缓慢，容易形成大量枝晶，枝晶生长并连接成网络，进而阻碍了合金液体的流动。在本公开的实施例中，流动停止是由于IN939高温合金液在凝固过程中伴随着枝晶的长大，随着合金液的粘度增加，合金液的流速减慢，当IN939高温合金中枝晶相互搭接形成连续的网络且合金液的压力不能克服此网络的阻力时，IN939高温合金的液体停止流动。因此，延迟IN939高温合金的枝晶搭接，可以提高合金的流动性，而IN939高温合金的枝晶搭接的快慢主要受γ枝晶生长速率的影响。根据晶体生长的理论，合金中γ枝晶生长速率可由下式进行表示：
V＝δ(RS-Rl) (1)
式(1)中，δ为典型原子间距，Rs为原子由液相向固相跃迁的速率，Rl为反向跃迁的速率。
因锆和碳原子的直径较大，一般很难进入面心立方结构γ枝晶的八面体间隙中，随着凝固的进行，锆和碳原子会使液相中其它组分扩散困难且锆原子逐渐富集在残余液相中形成富锆膜，降低了原子在液固相之间的跃迁速率Rs和Rl，使γ枝晶的生长速率V从0.081减小到0.061，使得合金中枝晶搭接现象更晚出现，从而提高IN939高温合金的流动性。
另外，也可以从凝固角度进行考虑，改性的IN939高温合金的过冷度越小，γ枝晶的生长速率越小，从而也可以使合金的枝晶搭接更晚。在本公开的实施例中，随着锆和碳组分含量的增大，改性的IN939高温合金过冷度从9℃减小到2℃，使得改性的IN939高温合金的γ枝晶生长速率降低，枝晶搭接现象更晚出现，从而提高了IN939高温合金的流动性。
(2)合金的粘度是指熔体内部间分子发生相对运动从而产生的摩擦阻力，以影响合金的流动性，当合金熔体粘度越大，其流动性越差。
因锆和碳原子在振动频率、原子质量、原子半径差等物理结构上与基体性质的差异，导致合金的粘度降低；以及锆和碳组分会降低熔体中原子结合能扩散势垒，当熔体凝固得越松散时，可以有效降低合金熔体粘度，从而提高了改性的IN939高温合金的流动性。
图2是本公开实施例1～5中不同含量的锆和碳组分对改性的IN939高温合金粘度影响的效果图。
如图2所示，采用JMatPro软件对本公开实施例1～5中不同含量的锆和碳组分对改性的IN939高温合金粘度影响进行探究，随着改性IN939高温合金中锆和碳组分含量的增加，合金熔体的粘度不断降低，进而有利于提高改性的IN939高温合金的流动性。
(3)表面张力对合金的流动过程也具有较大的影响。在合金液流动的过程中，模壳材料一般不会被润湿，此时产生的表面张力为指向液体内部的压力，促使合金熔体表面收缩，当表面张力越大时，产生的压力越大，进而对合金的流动性阻力越大，从而可以降低流动性。其中，合金对熔体的表面张力可用下式表示：
Figure BDA0003614815680000121
式(2)中，Γ为单位液体金属表面积上比内部多吸附的溶质质量(mol/m-3)；R为玻尔兹曼常数；T为热力学温度(K)；Ci为溶质浓度，dσ/(dCi)表征合金的表面张力。
锆和碳组分作为镍基高温合金(IN939高温合金)的表面活性元素，具有较强的正吸附作用，在凝固过程中可以在残余液相中富集且容易被吸附在界面或者表面上，导致合金熔体表面的锆和碳元素浓度大于合金熔体内部的浓度，使得Γ为正，-Ci/RT为负，则dσ/(dCi)为负。
图3是本公开实施例1～5中不同含量的锆和碳组分对改性的IN939高温合金在不同温度下对表面张力影响的效果图。
如图3所示，采用JMatPro软件对实施例1～5中不同含量的锆和碳组分对改性的IN939高温合金在不同温度下对表面张力影响进行探究，当合金中碳和锆元素的含量增加时，即溶质浓度Ci增大，熔体的表面张力降低，使得在型腔中所受到的流动阻力减小，从而提高了改性的IN939高温合金的流动性。
表9是本公开实施例与对比例IN939高温合金拉伸性能的测试结果。
表9
合金种类 抗拉强度(MPa) 屈服强度(MPa) 延伸率(％)
对比例1 810.5 653.8 3.41
实施例2 928.6 844.3 4.95
实施例5 879.8 823.8 5.62
由表9可知，适量的增加IN939高温合金中锆、碳组分的含量，有利于提高合金的拉伸性能、蠕变和持久性能。其主要原因是：锆、碳组分的原子半径较大，不易固溶在基体中，在凝固时容易偏析到晶界处，填补晶界空位，增加晶界结合力，降低晶界自由能，使得位错运动开动力增大，可以起到强化晶界的作用，从而提高合金的拉伸性能、蠕变和持久性能，其中，本公开实施例中主要强化相为γ′相，成分为Ni3(Al,Ti)。同时，锆和碳组分在合金凝固过程会偏聚到碳化物中，使合金中碳化物的含量由0.5％增加到1.2％，同时合金中的大块状及草书状碳化物转变为细长条状和颗粒状碳化物，使得碳化物分布得更为均匀，从而阻碍位错和晶界的滑移，提高了合金力学性能。
另外，由于合金流动性的提高，其缩松由3.8％减少到0.71％，有利于减少裂纹的萌生源，能提高合金的拉伸和持久性能。然而，如果当改性的IN939高温合金中锆和碳组分的含量超过本公开所提及的含量(对比例2)，可能会增大合金中碳化物尺寸，反而降低合金的力学性能。同时，过量的锆组分容易在晶界和缩松附近形成Ni5Zr等低熔点相，使合金的初熔温度降低了25℃左右，大概从1228℃降低到1203℃，导致合金的热加工性能和使用温度降低。
因此，在考虑锆和碳组分含量对改性的IN939高温合金综合性能的影响下，通过适量增加IN939高温合金中锆和碳组分含量，可以实现在不降低力学性能的前提下提高改性的IN939高温合金的流动性，以满足先进航空发动机铸件的需求。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种通过调控锆和碳组分含量制备的改性的高温合金，其中，所述改性的高温合金为改性的IN939高温合金；
所述改性的IN939高温合金的组分中以质量百分比计包括：C为0.15％、Zr为0.12％或C为0.16％、Zr为0.10％；以及
Cr为22.24％，Co为18.73％、W为1.97％、Nb为0.89％、Ta为1.24％、Ti为3.66％、Al为1.90％、Mo为0.0063％、P为0.0015％、Mn为0.0035％、B为0.0042％、Hf为0.019％、V为0.006％、Fe为0.03％、杂质≤0.01％、余量为Ni，其中，各组分的百分比为质量百分比；
在浇注温度为1450℃和模壳温度为900℃条件下进行的流动性测试中，C为0.15％、Zr为0.12％的所述改性的IN939高温合金的流线长度为437mm，C为0.16％、Zr为0.10％的所述改性的IN939高温合金的流线长度为512mm。
2.根据权利要求1所述改性的高温合金，其中，所述改性的IN939高温合金的液相线温度大于1330℃，所述改性的IN939高温合金使用的工作温度包括：0-870℃。
3.一种通过调控锆和碳组分含量制备的改性的高温合金的方法，包括：
将添加剂和未改性的高温合金放入至真空感应熔炼炉中进行熔炼，得到改性的高温合金；
其中，所述未改性的高温合金为未改性的IN939高温合金；
所述添加剂为锆颗粒和碳粉末；
所述改性的高温合金为IN939高温合金，其中所述改性的IN939高温合金的组分中以质量百分比计包括：C为0.15％、Zr为0.12％或C为0.16％、Zr为0.10％；以及
Cr为22.24％，Co为18.73％、W为1.97％、Nb为0.89％、Ta为1.24％、Ti为3.66％、Al为1.90％、Mo为0.0063％、P为0.0015％、Mn为0.0035％、B为0.0042％、Hf为0.019％、V为0.006％、Fe为0.03％、杂质≤0.01％、余量为Ni，其中，各组分的百分比为质量百分比；
IB221736-OA2-修改替换页
其中，所述未改性的IN939高温合金与所述锆颗粒的质量比包括：200：16-35；
所述未改性的IN939高温合金与所述碳粉末的质量比包括：200：7-11。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述未改性的IN939高温合金中的组分包括：
Cr为22.24％，Co为18.73％、W为1.97％、Nb为0.89％、Ta为1.24％、Ti为3.66％、Al为1.9％、Mo为0.0063％、P为0.0015％、Mn为0.0035％、C为0.11％、Zr为0.006％、B为0.0042％、Hf为0.019％、V为0.006％、Fe为0.03％、杂质≤0.01％、余量为Ni，其中，各组分的百分比为质量百分比。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述熔炼的真空压力包括：6×10-2MPa。
6.根据权利要求3所述的方法，其中，所述熔炼的温度包括：1550-1600℃。
7.根据权利要求3所述的方法，其中，所述熔炼的时间包括：10-30min。
CN202210442992.8A 2022-04-25 2022-04-25 通过调控锆和碳组分含量制备的改性的高温合金及方法 Active CN114921687B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210442992.8A CN114921687B (zh) 2022-04-25 2022-04-25 通过调控锆和碳组分含量制备的改性的高温合金及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210442992.8A CN114921687B (zh) 2022-04-25 2022-04-25 通过调控锆和碳组分含量制备的改性的高温合金及方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114921687A CN114921687A (zh) 2022-08-19
CN114921687B true CN114921687B (zh) 2023-07-04

Family

ID=82807060

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210442992.8A Active CN114921687B (zh) 2022-04-25 2022-04-25 通过调控锆和碳组分含量制备的改性的高温合金及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114921687B (zh)

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA1202505A (en) * 1980-12-10 1986-04-01 Stuart W.K. Shaw Nickel-chromium-cobalt base alloys and castings thereof
US6696176B2 (en) * 2002-03-06 2004-02-24 Siemens Westinghouse Power Corporation Superalloy material with improved weldability
US8652650B2 (en) * 2009-10-22 2014-02-18 Honeywell International Inc. Platinum-modified nickel-based superalloys, methods of repairing turbine engine components, and turbine engine components
CN102653832B (zh) * 2012-04-19 2014-04-09 中国航空工业集团公司北京航空材料研究院 一种新型定向镍基高温合金
CN103952593B (zh) * 2014-04-21 2016-04-06 西北工业大学 一种k4169高温合金
CN103924125B (zh) * 2014-04-21 2016-03-23 西北工业大学 一种增加锆元素含量的k4169高温合金
CN105936986B (zh) * 2016-06-27 2018-04-03 李宏亮 一种镍基高温合金及其制备方法
US20230147621A1 (en) * 2020-04-16 2023-05-11 Eos Gmbh Electro Optical Systems Nickel base superalloy for additive manufacturing
CN113481412B (zh) * 2021-05-17 2022-08-02 东莞材料基因高等理工研究院 一种增材制造镍基高温合金及其制备方法和应用

Also Published As

Publication number Publication date
CN114921687A (zh) 2022-08-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5232492B2 (ja) 偏析性に優れたＮｉ基超合金
CN111455220B (zh) 一种组织稳定的第三代镍基单晶高温合金及制备方法
CN106636759B (zh) 一种铂族元素强化的高热稳定性高强度镍基单晶高温合金
CN108441741B (zh) 一种航空航天用高强度耐腐蚀镍基高温合金及其制造方法
JP2006312779A (ja) ニッケル基超合金及びその製造方法
CN112522564A (zh) 一种TiB2颗粒增强镍基铸造高温合金及其制备方法
CN112981212B (zh) 一种非等原子比高熵合金半固态触变坯料的制备方法
CN114921687B (zh) 通过调控锆和碳组分含量制备的改性的高温合金及方法
JP2011046972A (ja) 強度及び耐酸化特性に優れた一方向凝固用ニッケル基超合金
Zhao et al. Effect of eutectic characteristics on hot tearing of cast superalloys
CN114921706B (zh) 改性的镍基铸造高温合金及制备方法
Zhao et al. Effect of Zr on solidification and microstructure of a Ni-based superalloy with high Al and Ti contents
JP7187864B2 (ja) 合金の製造方法
KR20180081313A (ko) 방향성 응고 Ni기 초내열 합금 및 이의 제조 방법
CN113913942A (zh) 镍基单晶合金、用途和热处理方法
CN118006968B (zh) 一种镍基高温合金及其制备方法
JP2008050628A (ja) 強度、耐食性、耐酸化特性に優れたニッケル基単結晶超合金及びその製造方法
CN115094288A (zh) 通过调控碳组分含量制备的改性的高温合金及方法
Jie et al. Effects of grain refinement on cast structure and tensile properties of superalloy K4169 at high pouring temperature
JPH0313297B2 (zh)
CN113981297B (zh) 铸造用Ti2AlNb基合金及其制备方法和铸件
CN116516213B (zh) 一种含Si高Nb-TiAl合金的制备方法
CN114346180B (zh) 一种单晶高温合金叶片马赛克缺陷控制方法
Wang et al. Effect of Solid Solution Heat Treatment on Microstructures of the Third Generation Single Crystal Superalloy DD9
CN117305660A (zh) 一种镍基单晶高温合金及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant