CN115637348A - 一种铂铼基高温合金材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铂铼基高温合金材料及其制备方法，按照重量百分比的原料包括：Pt、Re、金属元素和稀土元素，以及不可避免的杂质，其中金属元素包括W、Ta、Nb、Ir、Rh、Ni、Al、Zr、Ti中的一种或两种以上，稀土元素为Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的一种或两种以上；本发明采用熔炼浇铸、锻造、轧制、冷拔拉丝及热处理制备得到铂铼合金丝，该材料成本低、加工性能好，具有良好抗电弧侵蚀性能及高温耐久烧蚀性能，可取代部分铂基高温合金功能材料，具有很好的工业应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种高温合金材料，具体是一种铂铼基高温合金材料及其制备方法，该合金具有良好抗电弧侵蚀性能及高温耐久烧蚀性能。
背景技术
现代工业和高新技术领域中，耐高温耐腐蚀功能材料具有重要的应用。虽然铁基、镍基、钛基、钴基、钼基合金及其金属间化合物等低熔点金属材料得到了很大发展及广泛应用，但没有任何一种低熔点金属能像铂合金一样能经受高温、高压、强电腐蚀及化学腐蚀等激烈和复杂的环境考验。
铂的熔点高，化学性质稳定，是一种理想的高温材料，但铂的高温强度较低。为提高铂的高温性能，需进行合金化处理。目前，主要是将铂与铱和铑等高熔点铂族金属元素合金化来提高铂合金的高温强度、耐高温腐蚀性能和抗电弧侵蚀性能等。铂铱合金和铂铑合金合金具有熔点高、耐高温腐蚀性能好和抗电弧侵蚀性能强等优点，在热电偶、点火电极等方面有广泛的应用，特别是作为汽车的火花塞电极材料，可提高发动机的点火性能、燃油经济性、使用寿命以及降低有害物质的排放。
目前，高温合金功能材料大都使用价格高的铂铱合金和铂铑合金，铱和铑的价格在2021年7月分别为135万元/千克和475万元/千克。为拓展铂基高温金属材料的应用、降低成本，急需开发经济性更好的高温合金材料。
铼的熔点为3180℃，比铂要高很多，铼在高温下十分稳定，蒸气压低，耐磨损，且能够抵御电弧腐蚀，合金中加入铼会提升高温合金的蠕变强度。镍铼高温合金可用于制造喷气发动机的燃烧室、涡轮叶片及排气喷嘴，这些合金最多含有6%的铼，这是目前铼最大的实际应用。
铂铼合金用于高温功能材料的应用至今未见国内专利和文献的报道。国外专利PL164124B1介绍了铂铼合金可用于生产承受高温的工具或部件，其对比了PtRe1、PtRe5两种铂铼合金与PtRh10、Pt的性能对比，仅含Re1wt%的PtRe1合金抗高温性能已和PtRh10相当。但该专利仅考虑了Re≤5%的情况，对于Re>5%以及添加稀土元素、其他金属元素改善性能的情况并未深入研究。
目前关于铂铼合金的应用主要是铂铼重整催化剂用于石油化工领域，这种石油加工过程能够提高石脑油的辛烷值。CN109954505A公开了一种还原态铂铼重整催化剂的制备方法。
发明内容
本发明的目之一提供一种加工性能好、成本低的铂铼基高温合金材料；本发明的目的之二是提供一种用于电极材料的铂铼合金丝的制备方法。
本发明提供如下技术方案：
一种铂铼基高温合金材料，按质量百分数包括如下组分：Re:5.00-50.00wt%，Pt：33.5-95.00wt%，金属元素0.01-20.00wt%，稀土元素0.01-1.50wt%。
作为本发明的进一步方案，所述的铂铼基高温合金材料，按质量百分数包括如下组分：Re:20.00wt%，Pt：69.5.00wt%，金属元素10.00wt%，稀土元素0.50wt%。
作为本发明的进一步方案，所述金属元素包括W、Ta、Nb、Ir、Rh、Ni、Al、Zr、Ti中的一种或两种以上；所述稀土元素为Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的一种或两种以上。
所述铂铼基高温合金材料的制备方法，具体步骤如下：
(1) 熔炼浇铸：按重量百分比称量上述组分的原料，在真空环境中，进行感应熔炼得到铂铼合金液，均匀化后浇铸得到铂铼合金锭；熔炼的真空度≤0.1MPa，浇铸的温度为2000-2800℃；优选地，使用水冷铜坩埚进行冷却可以使合金锭结构均匀，不产生偏析；
(2) 锻造：将铂铼合金锭加热至900-1600℃，延长度方向进行高温锻造，变形率30-75%，得到组织均匀的铂铼合金锻件；或将铂铼合金锭加热至900-1600℃退火1-2小时后冷却，延长度方向进行锻造，变形率30-75%，得到组织均匀的铂铼合金锻件；
(3) 轧制：将铂铼合金锻件加热至900-1600℃，使用孔型轧机进行高温轧制得到盘条；或将铂铼合金锻件加热至900-1600℃退火1-2小时后，使用孔型轧机进行轧制得到盘条；该步骤中轧制的每个道次的压下量为3-30％，轧制速度为1-10m/s；
(4) 拉拔拉丝：将所述盘条加热至700-1400℃，通过多道高温拉拔工艺制成细丝；或将所述盘条加热至700-1400℃退火1-2小时后，通过多道冷拉拉拔工艺制成细丝；所述拉拔工艺每道次压下量为3％-15％；优选地，冷拉拉拔过程中采用水基润滑剂可满足润滑需求，同时更利于环保建设；
(5) 热处理：在真空环境下对所述细丝进行700-1200℃退火4-6小时；优选地，热处理采用间断逐步升温方式，所述热处理过程为将细丝从常温加热至300-500℃，保温10-120分钟；然后继续将细丝加热至700-950℃，保温0.5-1小时；最后继续将细丝加热至950-1200℃，退火保温3-5小时。
本发明的关键技术为组分配比和工艺设计。采用Re20wt%就可以使铂铼基合金材料熔点提升至2000℃以上，添加稀土元素提高了合金的高温持久强度；因铼含量差异及稀土元素、高温金属元素添加量不同，合金性能有所不同，可以灵活采用冷加工或高温加工方式；热处理过程调整稳定材料性能。
有益效果：与现有高温材料相比，本发明使用铼替换了部分或全部铱、铑，不仅材料成本大幅降低，还提高了材料的熔点，同时加工性能好、成本低，具有良好的抗电弧侵蚀性能及高温耐久烧蚀性能，能够应用于航空工业电器接触点、工业电镀的电极、热电偶、汽车的火花塞电极材料、燃气轮点火电极材料等领域，用于高温电极材料可使其使用寿命显著提高。
附图说明
图1是实施例1中制备的铂铼合金丝与铂钌合金、铂铱合金进行高能点火耐久试验的结果图示。
具体实施方式
下面结合实例对本发明进行详细描述。
实施例1
请参阅图1，本发明实施例中，一种铂铼基高温合金材料，按照重量百分比的原料包括：
Pt：80wt%、Re：20wt%。
所述铂铼基高温合金材料的制备方法，具体步骤如下：
(1) 熔炼浇铸：按重量百分比称量上述组分的原料，在真空环境中，进行感应熔炼得到铂铼合金液，均匀化后浇铸得到Ø20mm铂铼合金锭；熔炼的真空度≤0.1MPa，浇铸的温度为2200℃；
(2) 锻造：将铂铼合金锭加热至1600℃，延长度方向进行高温锻造，变形率58%，得到组织均匀的铂铼合金锻件；
(3) 轧制：将铂铼合金锻件加热至1400℃退火1.5小时后，使用孔型轧机进行轧制得到盘条；该步骤中轧制的每个道次的压下量为10-30％，轧制速度为1.5m/s；
(4) 拉拔拉丝：将上述盘条加热至1000℃退火2小时后，通过多道冷拔拉丝工艺制成Ø0.5细丝，所述拉拔工艺使用水基润滑剂，每道次压下量为5％-15％；
(5) 热处理：将上述细丝在真空度≤0.5MPa，800℃条件下直接退火4小时。
性能检测：在本实施例的工艺条件下，获得的铂铼合金的物理性能为：电阻率为85.5μΩ•cm，热处理前硬度为398Hv、抗拉强度为1350MPa、延伸率为0.8%，热处理后硬度为513Hv、抗拉强度为1670MPa、延伸率为0.5%；将其与铂钌合金、铂铱合金进行高能点火耐久试验，结果如图1所示，试验结论为：试验用铂铼合金火花塞表现出较好的抗电腐蚀性能，与铂钌合金火花塞的抗腐蚀性能相似，略优于铂铱合金火花塞。
实施例2
本发明实施例中，一种铂铼基高温合金材料，按照重量百分比的原料包括：
Pt：65wt%、Re：35wt%。
所述铂铼基高温合金材料的制备方法，具体步骤如下：
(1) 熔炼浇铸：按重量百分比称量上述组分的原料，在真空环境中，进行感应熔炼得到铂铼合金液，均匀化后浇铸得到Ø20mm铂铼合金锭；熔炼的真空度≤0.1MPa，浇铸的温度为2400℃；
(2) 锻造：将铂铼合金锭加热至1700℃，延长度方向进行高温锻造，变形率58%，得到组织均匀的铂铼合金锻件；
(3) 轧制：将铂铼合金锻件加热至1400℃，使用孔型轧机进行高温轧制得到盘条；该步骤中轧制的每个道次的压下量为10-30％，轧制速度为1.5m/s；
(4) 拉拔拉丝：将上述盘条加热至1100℃退火2小时，通过多道拉拔工艺制成Ø0.5细丝，所述拉拔工艺使用水基润滑剂，每道次压下量为5％-15％；
(5) 热处理：将上述细丝在真空度≤0.5MPa，800℃条件下直接退火4小时。
性能检测：在本实施例的工艺条件下，获得的铂铼合金的物理性能为：电阻率为113μΩ•cm，热处理前硬度为457 Hv、抗拉强度为1480MPa、延伸率为0.9%，热处理后硬度为535Hv、抗拉强度为1740MPa、延伸率为0.4%。
实施例3
本发明实施例中，一种铂铼基高温合金材料，按照重量百分比的原料包括：
Pt：90wt%、Re：6.7wt%、W：3wt%、Y：0.3wt%。
所述铂铼基高温合金材料的制备方法，具体步骤如下：
(1) 熔炼浇铸：按重量百分比称量上述组分的原料，在真空环境中，进行感应熔炼得到铂铼合金液，均匀化后浇铸得到Ø20mm铂铼合金锭；熔炼的真空度≤0.1MPa，浇铸的温度为2000℃；
(2) 锻造：将铂铼合金锭加热至1400℃，延长度方向进行高温锻造，变形率58%，得到组织均匀的铂铼合金锻件；
(3) 轧制：将铂铼合金锻件加热至1150℃，使用孔型轧机进行高温轧制得到盘条；该步骤中轧制的每个道次的压下量为10-30％，轧制速度为1.5m/s；
(4) 拉拔拉丝：将上述盘条加热至950℃，通过多道高温拉拔工艺制成Ø0.5细丝，每道次压下量为5％-10％；
(5) 热处理：将上述细丝在真空度≤0.5MPa，1000℃条件下退火2小时。
性能检测：在本实施例的工艺条件下，获得的铂铼基合金的物理性能为：电阻率为57μΩ•cm，热处理前硬度为372Hv、抗拉强度为1200MPa、延伸率为0.8%，热处理后硬度为283Hv、抗拉强度为950MPa、延伸率为12.9%。
实施例4
本发明实施例中，一种铂铼基高温合金材料，按照重量百分比的原料包括：
Pt：90wt%、Re：7.6wt%、Ni：2.4wt%。
所述铂铼基高温合金材料的制备方法，具体步骤如下：
(1) 熔炼浇铸：按重量百分比称量上述组分的原料，在真空环境中，进行感应熔炼得到铂铼合金液，均匀化后浇铸得到Ø20mm铂铼合金锭；熔炼的真空度≤0.1MPa，浇铸的温度为2000℃；
(2) 锻造：将铂铼合金锭加热至1400℃，延长度方向进行高温锻造，变形率58%，得到组织均匀的铂铼合金锻件；
(3) 轧制：将铂铼合金锻件加热至1150℃，使用孔型轧机进行高温轧制得到盘条；该步骤中轧制的每个道次的压下量为10-30％，轧制速度为1.5m/s；
(4) 拉拔拉丝：将上述盘条加热至950℃退火2小时后，通过多道冷拉拉拔工艺制成Ø0.5细丝，每道次压下量为5％-10％；
性能检测：在本实施例的工艺条件下，获得的铂铼基合金的物理性能为：电阻率为62μΩ•cm，热处理前硬度为329Hv、抗拉强度为1060MPa、延伸率为1.2%。
实施例5
本发明实施例中，一种铂铼基高温合金材料，按照重量百分比的原料包括：
Pt：89.5wt%、Re：7.6wt%、Ni：2.4 wt%、Y：0.5wt%。
所述铂铼基高温合金材料的制备方法，具体步骤如下：
(1) 熔炼浇铸：按重量百分比称量上述组分的原料，在真空环境中，进行感应熔炼得到铂铼合金液，均匀化后浇铸得到Ø20mm铂铼合金锭；熔炼的真空度≤0.1MPa，浇铸的温度为2300℃；
(2) 锻造：将铂铼合金锭加热至1400℃，延长度方向进行高温锻造，变形率58%，得到组织均匀的铂铼合金锻件；
(3) 轧制：将铂铼合金锻件加热至1200℃，使用孔型轧机进行高温轧制得到盘条；该步骤中轧制的每个道次的压下量为10-30％，轧制速度为1.5m/s；
(4) 拉拔拉丝：将上述盘条加热至9500℃，通过多道高温拉拔工艺制成Ø0.5细丝，每道次压下量为5％-10％；
性能检测：在本实施例的工艺条件下，获得的铂铼基合金的物理性能为：电阻率为146μΩ•cm，热处理前硬度为352Hv、抗拉强度为1150MPa、延伸率为0.6%。
实施例6
本发明实施例中，一种铂铼基高温合金材料，按照重量百分比的原料包括：
Pt：74.5wt%、Re：10wt%、W：7.6wt%、Ni：2.4 wt%、Y：0.5wt%。
所述铂铼基高温合金材料的制备方法，具体步骤如下：
(1) 熔炼浇铸：按重量百分比称量上述组分的原料，在真空环境中，进行感应熔炼得到铂铼合金液，均匀化后浇铸得到Ø20mm铂铼合金锭；熔炼的真空度≤0.1MPa，浇铸的温度为2150℃；
(2) 锻造：将铂铼合金锭加热至1850℃，延长度方向进行高温锻造，变形率58%，得到组织均匀的铂铼合金锻件；
(3) 轧制：将铂铼合金锻件加热至1500℃，使用孔型轧机进行高温轧制得到盘条；该步骤中轧制的每个道次的压下量为10-30％，轧制速度为1.5m/s；
(4) 拉拔拉丝：将上述盘条加热至1200℃，通过多道高温拉拔工艺制成Ø0.5细丝，每道次压下量为5％-10％；
(5) 热处理：将上述细丝在真空度≤0.5MPa，1000℃条件下退火2小时。
性能检测：在本实施例的工艺条件下，获得的铂铼基合金的物理性能为：电阻率为146μΩ•cm，热处理前硬度为392Hv、抗拉强度为1250MPa、延伸率为1%，热处理后硬度为346Hv、抗拉强度为1110MPa、延伸率为2.3%。
实施例7
本发明实施例中，一种铂铼基高温合金材料，按照重量百分比的原料包括：
Pt：64.5wt%、Re：20wt%、W：7.6wt%、Ni：2.4 wt%、Y：0.5wt%。
所述铂铼基高温合金材料的制备方法，具体步骤如下：
(1) 熔炼浇铸：按重量百分比称量上述组分的原料，在真空环境中，进行感应熔炼得到铂铼合金液，均匀化后浇铸得到Ø20mm铂铼合金锭；熔炼的真空度≤0.1MPa，浇铸的温度为2300℃；
(2) 锻造：将铂铼合金锭加热至1750℃，延长度方向进行高温锻造，变形率58%，得到组织均匀的铂铼合金锻件；
(3) 轧制：将铂铼合金锻件加热至1450℃，使用孔型轧机进行高温轧制得到盘条；该步骤中轧制的每个道次的压下量为10-30％，轧制速度为1.5m/s；
(4) 拉拔拉丝：将上述盘条加热至1200℃，通过多道高温拉拔工艺制成Ø0.5细丝，每道次压下量为5％-10％；
(5) 热处理：将上述细丝在真空度≤0.5MPa，1000℃条件下退火2小时。
性能检测：在本实施例的工艺条件下，获得的铂铼基合金的物理性能为：电阻率为146μΩ•cm，热处理前硬度为428Hv、抗拉强度为1390MPa、延伸率为0.8%，热处理后硬度为365Hv、抗拉强度为1180MPa、延伸率为2.3%。
Claims (8)
1.一种铂铼基高温合金材料，具有良好高压抗电腐蚀性能及高温耐久烧蚀性能，其特征在于，按质量百分数包括如下组分：Re:5.00-50.00wt%，Pt：33.5-95.00wt%，金属元素0.01-20.00wt%，稀土元素0.01-1.50wt%。
2.根据权利要求1所述的铂铼基高温合金材料，其特征在于，所述金属元素包括W、Ta、Nb、Ir、Rh、Ni、Al、Zr、Ti中的一种或两种以上。
3.根据权利要求1所述的铂铼基高温合金材料，其特征在于，所述稀土元素为Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的一种或两种以上。
4.根据权利要求1所述的铂铼基高温合金材料的制备方法，其特征在于，包含如下步骤：
(1) 熔炼浇铸：按重量百分比称量上述组分的原料，在真空环境中进行熔炼得到铂铼合金液，均匀化后浇铸得到铂铼合金锭；
(2) 锻造：将铂铼合金锭加热至900-1600℃，进行高温锻造得到铂铼合金锻件；或将铂铼合金锭加热至900-1600℃退火1-2小时后进行冷锻得到铂铼合金锻件；
(3) 轧制：将铂铼合金锻件加热至900-1600℃，进行高温轧制得到盘条；或将铂铼合金锻件加热至900-1600℃退火1-2小时后进行轧制得到盘条；
(4) 拉拔拉丝：将所述盘条加热至700-1400℃，通过多道高温拉拔工艺制成细丝；或将所述盘条加热至700-1400℃退火1-2小时后，通过多道冷拉拉拔工艺制成细丝；
(5) 热处理：在真空环境下对所述细丝进行700-1200℃退火4-6小时。
5.根据权利要求4所述的铂铼基高温合金材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中熔炼的真空度≤0.1MPa，浇铸的温度为2000-2800℃。
6.根据权利要求4所述的铂铼基高温合金材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中，轧制的每个道次的压下量为3-30％，轧制速度为1-10m/s。
7.根据权利要求4所述的铂铼基高温合金材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中，拉拔工艺每道次压下量为3％-15％。
8.根据权利要求4所述的铂铼基高温合金材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(5)为对细丝进行间断逐步升温热处理，所述热处理过程为将细丝从常温加热至300-500℃，保温10-120分钟；然后继续将细丝加热至700-950℃，保温0.5-1小时；最后继续将细丝加热至950-1200℃，退火保温3-5小时。
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