一种新型粉末高温合金及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种新型粉末高温合金及其制备方法，所述粉末高温合金的成分按重量百分比计包括：Cr：14.00～15.00％；Co：14.50～19.50％；Mo：4.5～5.5％；Ti：3.25～4.10％；Al：2.50～3.10％；Ta：1.45～2.50％；Hf：0.55～1.55％；Zr：0.045～0.068％；C：0.005～0.030％；B：0.006～0.023％；P：0.002～0.030％；Re:0.01～2.0％；W:0.1～2.0％；Nb:0.1～1.0％；Y:

A New Powder Superalloy and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
一种新型粉末高温合金及其制备方法
本专利技术涉及高温合金领域，具体涉及一种新型粉末高温合金及其制备方法。
技术介绍
高温合金广泛应用于航空、航天、核工业、能源动力、石油化工、交通运输等领域，是目前军用和民用航空发动机及地面燃气轮机热端部件不可替代的关键结构材料。典型的航空发动机涡轮盘材料主要有GH4738合金、GH4720li合金等。GH4738合金和GH4720Li合金作为相沉淀硬化型镍基高温合金，是在原有铁-镍-铬基的GH4169变形高温合金中加入更多的固溶强化元素W、Mo及沉淀强化元素Al、Ti来提高合金中的相含量，从而提高合金的使用温度，使得GH4738合金在760℃以下具有良好的拉伸和持久强度，在870℃以下具有良好的抗氧化性能；而GH4720Li合金主要用于制作在650～750℃下使用的压气机盘和涡轮盘以及在短时间内于900℃使用的涡轮盘。但是随着合金元素和相含量的增加，导致合金坯料及最终盘件的显微组织均匀性较差，合金的加工性能急剧恶化。反之，随着军用和民用飞机的增长，对于飞机发动机涡轮盘件的材料也提出更高的要求。相比于变形合金，粉末高温合金具有晶粒细小，组织均匀，无宏观偏析，性能稳定，较好的中低温强度和抗疲劳性能，因此粉末合金在国内已经开始逐步取代变形合金作为发动机涡轮盘的首选材料；
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提出一种具有优良高温力学性能的新型粉末镍基高温合金及其纯净化制备方法。本专利技术的新型粉末高温合金，所述粉末高温合金的成分按重量百分比计包括：Cr：14.00～15.00％；Co：14.50～19.50％；Mo：4.5～5.5％；Ti：3.25～4.10％；Al：2.50～3.10％；Ta：1.45～2.50％；Hf：0.55～1.55％；Zr：0.045～0.068％；C：0.005～0.030％；B：0.006～0.023％；P：0.002～0.030％；Re:0.01～2.0％；W:0.1～2.0％；Nb:0.1～1.0％；Y:<0.5％；V:<0.3％；Fe:<0.5％；Si:<0.15％；Mn:<0.12％，余量为Ni；且所述粉末高温合金中γ’相含量约为40％-50％；其中所述成分Ni、Cr、Co、W、Ta、Mo、Ti、Al、B、P、Zr、以及Hf来源的原材料分别为电解镍、纯铬、电钴、金属钨、镍钽合金、镍钼合金、纯钛、纯铝、镍硼合金、镍磷合金、纯锆、纯铪。本专利技术采用一种新的合金成分配比，通过添加W、Mo、Co、Cr、Nb、Ta、Al等元素含量来固溶强化保证合金的室温和高温强度，通过添加Al、Ti、Ta、Hf、W、Re来提高合金的高温强度、蠕变和稳定性，通过添加Cr、Al、Ti、Ta来提高合金的表面稳定性，使抗腐蚀性能增强；通过控制Al、Ti、Hf来提高合金的铸造性能，通过B、Hf、Y、Zr等元素提高合金的晶界强度和韧性，最终获得具有良好综合性能的成分范围。本专利技术的新型粉末高温合金，其显微组织主要是由基体相、相、MC相、M23C6相、σ相、M3B2相、MB2相组成，合金中γ’相含量约为40％-50％，γ’强化相的溶解温度为1155℃-1165℃，使得合金具有良好的室温强度、高温强度、高温蠕变性能，使用温度最高可达750℃。另外本专利技术采用NiTa中间合金代替高熔点的Ta金属，其中钽元素含量的重量百分比为55-65％，使原材料纯钽金属的熔点从3017℃降低到了NiTa中间合金的1500℃左右，更接近真空感应熔炼中熔池的温度，极大的缩短了钽元素的熔化时间和均匀化时间，更容易获得Ta元素分布均匀的合金熔体。解决了由于Ta元素成分分布不均匀导致的铸锭各位置成分差异，从而影响粉末的性能，对于解决Ta元素的成分均匀性及粉末的性能均匀性具有重要作用。另外本专利技术采用真空感应熔炼+真空自耗熔炼方法熔炼母合金电极，选用合适的工艺参数进一步提高母合金电极的纯净度和均匀性，为高纯净的粉末制备提供优良母材。进一步，专利技术的新型粉末高温合金的制备方法，包括如下步骤：1)根据粉末高温合金成分配比计算确定各原材料的用量；2)将所述原材料中的电解镍与电钴进行表面处理，处理至表面洁净且呈现金属亮色，然后与镍钽合金、金属钨、纯钛、纯铝、纯铬干燥好待用；3)将步骤2)中的电解镍、纯铬、电钴、镍钽合金、纯钨与碳首先加入真空感应炉中进行真空感应熔炼为铸锭，熔化速度小于1/4最大炉容量/h；熔清后加入纯钛、纯铝、镍硼合金、镍磷合金、纯锆与纯铪进行精炼，精炼时间30-90min，精炼后浇注成规格为Φ90～Φ150mm的铸锭，控制浇注温度为1550-1650℃浇注，预真空5Pa，熔炼末期真空度小于3Pa；4)对步骤3)得到的铸锭进行一次真空自耗熔炼，真空自耗熔炼采用低熔速控制熔炼；5)将步骤4)中的母合金电极扒皮后进行粉末制备，然后经热等静压、等温锻造和热处理过程，最终得到新型粉末高温合金。本专利技术所述的制备方法，其中在真空感应熔炼后进行小规格电极的真空自耗熔炼，从而增加母合金电极的致密度，降低母合金电极中的夹杂物含量和杂质元素水平，提高粉末高温合金的纯净度，最终改善和提高合金的性能及服役寿命。进一步，本专利技术的新型粉末高温合金的制备方法，所述步骤2)中的干燥过程为在100℃下进行5h的干燥。进一步，本专利技术的新型粉末高温合金的制备方法，所述步骤4)中真空自耗熔炼采用Φ100～170mm的坩埚，熔前漏气率控制在1.0Pa/min以下，在熔炼过程中真空度控制在1.0Pa以下，熔炼电流选择1～4kA，熔炼电压选择22～26V，熔速控制1.0-4.0kg/min。进一步，本专利技术的新型粉末高温合金的制备方法，所述步骤5)中母合金电极扒皮后采用等离子旋转电极法制备合金粉末，粉末粒度范围为50-100μm，夹杂物数量小于等于5个/kg。进一步，本专利技术的新型粉末高温合金的制备方法，所述热等静压温度范围为1130-1200℃，时间为2-5h，压力100-200MPa。进一步，本专利技术的新型粉末高温合金的制备方法，所述等温锻造过程，变形温度范围1030-1120℃，变形速率1×10-4-4×10-1S-1。进一步，本专利技术的新型粉末高温合金的制备方法，所述热处理过程，固溶温度1110-1180℃，保温0.6-8.5h，以0.1-9℃/h速度冷却到室温；时效温度650-900℃，保温8-30h，空冷。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：本专利技术的一种新型粉末高温合金及其制备方法，一方面通过添加合金元素得到一种新的合金成分配比，其显微组织中γ’相含量约为40％-50％，使得本专利技术的粉末高温合金具有良好的室温强度、高温强度以及高温蠕变性能，使用温度最高可达750℃。另一方面在原材料中采用NiTa中间合金代替高熔点的Ta金属，从而降低了金属钨的熔点，极大的缩短了钨元素的熔化时间和均匀化时间，更容易获得Ta元素分布均匀的合金熔体。此外本专利技术所述的制备方法，其中在真空感应熔炼后进行小规格电极的真空自耗熔炼，从而增加母合金电极的致密度，降低母合金电极中的夹杂物含量和杂质元素水平，提高粉末高温合金的纯净度和成分均匀性，最终改善和提高合金的性能及服役寿命。具体实施方式下面结合具体的实施例对本专利技术做进一步的详细本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种新型粉末高温合金，其特征在于：所述粉末高温合金的成分按重量百分比计包括：Cr：14.00～15.00％；Co：14.50～19.50％；Mo：4.5～5.5％；Ti：3.25～4.10％；Al：2.50～3.10％；Ta：1.45～2.50％；Hf：0.55～1.55％；Zr：0.045～0.068％；C：0.005～0.030％；B：0.006～0.023％；P：0.002～0.030％；Re:0.01～2.0％；W:0.1～2.0％；Nb:0.1～1.0％；Y:<0.5％；V:<0.3％；Fe:<0.5％；Si:<0.15％；Mn:<0.12％，余量为Ni；且所述粉末高温合金中γ’相含量约为40％‑50％；其中所述成分Ni、Cr、Co、W、Ta、Mo、Ti、Al、B、P、Zr、以及Hf来源的原材料分别为电解镍、纯铬、电钴、金属钨、镍钽合金、镍钼合金、纯钛、纯铝、镍硼合金、镍磷合金、纯锆、纯铪。

【技术特征摘要】
1.一种新型粉末高温合金，其特征在于：所述粉末高温合金的成分按重量百分比计包括：Cr：14.00～15.00％；Co：14.50～19.50％；Mo：4.5～5.5％；Ti：3.25～4.10％；Al：2.50～3.10％；Ta：1.45～2.50％；Hf：0.55～1.55％；Zr：0.045～0.068％；C：0.005～0.030％；B：0.006～0.023％；P：0.002～0.030％；Re:0.01～2.0％；W:0.1～2.0％；Nb:0.1～1.0％；Y:<0.5％；V:<0.3％；Fe:<0.5％；Si:<0.15％；Mn:<0.12％，余量为Ni；且所述粉末高温合金中γ’相含量约为40％-50％；其中所述成分Ni、Cr、Co、W、Ta、Mo、Ti、Al、B、P、Zr、以及Hf来源的原材料分别为电解镍、纯铬、电钴、金属钨、镍钽合金、镍钼合金、纯钛、纯铝、镍硼合金、镍磷合金、纯锆、纯铪。2.权利要求1所述的新型粉末高温合金的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：1)根据粉末高温合金成分配比计算确定各原材料的用量；2)将所述原材料中的电解镍与电钴进行表面处理，处理至表面洁净且呈现金属亮色，然后与镍钽合金、金属钨、纯钛、纯铝、纯铬干燥好待用；3)将步骤2)中的电解镍、纯铬、电钴、镍钽合金、纯钨与碳首先加入真空感应炉中进行真空感应熔炼为铸锭，熔化速度小于1/4最大炉容量/h；熔清后加入纯钛、纯铝、镍硼合金、镍磷合金、纯锆与纯铪进行精炼，精炼时间30-9...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹国鑫，付宝全，王玮东，史新波，薛建飞，张建伟，杜刚，刘向宏，冯勇，
申请(专利权)人：西部超导材料科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西,61