利用氮化物弥散强化钴基高温合金的高温渗氮制备方法技术

本发明专利技术涉及一种利用氮化物弥散强化钴基高温合金的高温渗氮制备方法，属于弥散强化材料技术领域。将钴基高温合金型材立于高温渗氮炉内，对渗氮炉内腔抽真空，使钴基高温合金型材处于真空环境中，随后向渗氮炉内腔充入氩气，升温至设定温度1100～1200℃；之后向渗氮炉内腔通入氮气、氩气混合气氛，流量速度为80～120mL/min，钴基高温合金型材在炉内进行一定时间的渗氮处理，高温渗氮过程完成后，以20～40℃/min的降温速率冷却至室温。该方法针对钴基高温合金丝材或板材，利用在氮气和氩气混合气氛中进行高温渗氮处理，在合金组织中形成稳定氮化物起弥散强化作用，能够有效解决钴基高温合金强度相对偏低等问题。高温合金强度相对偏低等问题。高温合金强度相对偏低等问题。

【技术实现步骤摘要】
利用氮化物弥散强化钴基高温合金的高温渗氮制备方法


[0001]本专利技术涉及一种利用氮化物弥散强化钴基高温合金的高温渗氮制备方法，属于弥散强化材料


技术介绍

[0002]刷式密封是近年发展的一种密封性能优良的接触式动密封技术，其泄漏量是传统迷宫密封的1/5～1/10，广泛应用于以航空发动机和燃气轮机为代表的高端装备。刷式密封组件是由紧密排列的高刚性高温合金丝与低膨胀合金刷柄焊接组成。其中，刷丝束是决定刷式密封性能的关键，刷丝材料分为两种，即：
①
金属材料的镍基高温合金和钴基高温合金；
②
非金属材料的芳纶纤维刷丝。与非金属刷丝材料相比，金属刷丝材料服役环境跨度大，易于应用，因此我们通常选用金属刷丝材料。为改善焊接性，将刷式密封丝材改由钴基高温合金制备，以取代传统镍基高温合金。与镍基高温合金相比，钴基高温合金弹性模量高且焊接性好，但强度低，需要在钴基高温合金中引入弥散强化手段(内生氮化物)以提高高温强度、比刚性等，增加刷丝耐磨性和长期安全服役性。
[0003]氮化处理是提高材料强硬度、耐磨性和耐蚀性的常用方法之一。目前，国内外开展渗氮研究较多集中在气体渗氮和离子渗氮，温度范围在400～700℃，渗氮气氛大多使用氨气分解进行渗氮。但是，使用现有技术想要提高钴基高温合金的力学性能时遇到以下问题：
①
氮化温度低。对于钴基高温合金来说，氮原子在钴中的固溶度极低，在400～700℃的氮化温度下无法形成稳定的氮化物；
②
渗氮层深度不足。钴基高温合金的面心立方晶体结构中原子堆垛较为紧密，不利于氮原子扩散，使高温合金的氮化较为困难，导致渗氮层深度不足；
③
渗氮气体成分问题。目前在进行氮化处理过程中大多数情况下使用氢气，如果操作不当极易引发安全问题，使得氮化处理存在一定局限性。因此，基于上述存在的问题，需要采用一种新型氮化工艺方法，获得具有高性能的钴基高温合金。

技术实现思路

[0004]针对钴基高温合金强度偏低等技术难题，本专利技术目的在于提供一种利用氮化物弥散强化钴基高温合金的高温渗氮制备方法，利用内生氮化物补充弥散强化的解决思路，并提出高温渗氮处理实现内生氮化物的制备方法，该方法解决了传统氮化过程中钴基高温合金无法生成稳定氮化物、渗氮层深度不足等问题。
[0005]为了实现以上目的，本专利技术采用的技术方案：
[0006]一种利用氮化物弥散强化钴基高温合金的高温渗氮制备方法，包括如下步骤：
[0007](1)钴基高温合金型材
[0008]利用传统工艺方法制备钴基高温合金型材，按质量百分比计，其名义化学成分为：Cr 24～28％，Fe 20～23％，Ni 5～10％，C 0.05～0.15％，Al 0.3～0.4％，其余为Co；
[0009](2)高温渗氮处理
[0010]将钴基高温合金型材立于高温渗氮炉内，对渗氮炉内腔抽真空，使钴基高温合金
型材处于真空环境中，随后向渗氮炉内腔充入氩气，开始以40～60℃/min的升温速率升温至设定温度1100～1200℃；之后向渗氮炉内腔通入氮气、氩气混合气氛，流量速度为80～120mL/min，钴基高温合金型材在炉内进行一定时间的渗氮处理，高温渗氮过程完成后，以20～40℃/min的降温速率冷却至室温。
[0011]所述的利用氮化物弥散强化钴基高温合金的高温渗氮制备方法，步骤(1)中，典型钴基高温合金型材的尺寸规格如下：厚度为1.8～2.2mm的板材，直径为Φ0.1～0.2mm的丝材。
[0012]所述的利用氮化物弥散强化钴基高温合金的高温渗氮制备方法，步骤(1)中，钴基高温合金型材具有等轴晶粒结构，平均晶粒直径为30～50μm，由MC型碳化物和奥氏体基体组成，按体积百分比计，MC型碳化物1.24～1.98％，其余为奥氏体基体。
[0013]所述的利用氮化物弥散强化钴基高温合金的高温渗氮制备方法，步骤(2)中，渗氮处理时间为1～24小时，渗氮层深度为100～800μm。
[0014]所述的利用氮化物弥散强化钴基高温合金的高温渗氮制备方法，步骤(2)氮气、氩气混合气氛中，按体积百分比计，氮气55～95％，氩气5～45％，氮气、氩气的体积纯度均为90％以上。
[0015]所述的利用氮化物弥散强化钴基高温合金的高温渗氮制备方法，步骤(2)中，高温渗氮后的氮化物弥散强化钴基高温合金性能指标如下：表层显微硬度为300～500Hv
0.1
，在5N和15N的载荷力下的磨损率分别为0.5～1.5
×
10
‑5mm3·
N
‑1·
m
‑1和2～4
×
10
‑5mm3·
N
‑1·
m
‑1，在室温和600℃下的屈服强度分别为500～700MPa和150～300MPa。
[0016]本专利技术的设计思想是：
[0017]利用高温渗氮工艺将氮化物作为强化相弥散分散在钴基高温合金的内部，显著提高了钴基高温合金的强硬度和耐磨性能。氮化物强化相的引入具有特定的作用：一方面，阻碍了晶内位错的移动，形成了一种晶内的强化机制，从而提高了钴基高温合金的硬度和屈服强度；另一方面，强化相具有极高的稳定性，提升了钴基高温合金服役过程中的使用温度。最终得到一种具有较高的强硬度，高耐磨性及良好的长期安全服役性能的钴基高温合金。
[0018]与现有技术相比，本专利技术的特点及其有益效果是：
[0019]1.采用本专利技术方法可在钴基高温合金组织内部形成内生氮化物，尺寸细小、弥散分布，内生的氮化物相比金属间化合物和碳化物具有更高热力学稳定性。
[0020]2.本专利技术采用更高的温度进行高温渗氮处理(温度不低于1000℃)，更高渗氮温度能够加快渗氮速率，使合金中N具有足够高的饱和率，提高渗氮层表面氮浓度，更为有效地促进内生氮化物弥散分布以及在合理时间内获得足够厚度的渗氮层。
[0021]3.本专利技术向渗氮炉内通入氮、氩混合气氛更安全，并且增加由机械泵和分子泵组成的高性能真空泵，使放入炉内的材料尽可能地避免与空气中氧发生反应，从而改变原有的使用性质。
[0022]4.使用本专利技术方法制备出的氮化物弥散强化钴基高温合金的强度显著提高，耐磨性能明显改善。
附图说明
[0023]图1为典型钴基高温合金显微组织图。
[0024]图2为高温渗氮处理的钴基高温合金渗氮层截面图。
具体实施方式
[0025]在具体实施过程中，本专利技术提出一种利用氮化物弥散强化钴基高温合金的高温渗氮制备方法，包括如下步骤：
[0026]1.钴基高温合金型材
[0027]利用传统工艺方法制备钴基高温合金型材，名义化学成分(质量百分数)为：Cr 26％，Fe 21.6％，Ni 8％，C 0.1％，Al 0.35％，其余为Co。典型型材尺寸如下：厚度为2mm的板材，或者直径为Φ0.15mm的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用氮化物弥散强化钴基高温合金的高温渗氮制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)钴基高温合金型材利用传统工艺方法制备钴基高温合金型材，按质量百分比计，其名义化学成分为：Cr 24～28％，Fe 20～23％，Ni 5～10％，C 0.05～0.15％，Al 0.3～0.4％，其余为Co；(2)高温渗氮处理将钴基高温合金型材立于高温渗氮炉内，对渗氮炉内腔抽真空，使钴基高温合金型材处于真空环境中，随后向渗氮炉内腔充入氩气，开始以40～60℃/min的升温速率升温至设定温度1100～1200℃；之后向渗氮炉内腔通入氮气、氩气混合气氛，流量速度为80～120mL/min，钴基高温合金型材在炉内进行一定时间的渗氮处理，高温渗氮过程完成后，以20～40℃/min的降温速率冷却至室温。2.根据权利要求1所述的利用氮化物弥散强化钴基高温合金的高温渗氮制备方法，其特征在于，步骤(1)中，典型钴基高温合金型材的尺寸规格如下：厚度为1.8～2.2mm的板材，直径为Φ0.1～0.2mm的丝材。3.根据权利要求1所述的利用氮化物弥散强化钴基高温合金的高温渗氮制备方法，其特征在于，步骤(1)中，钴基高温合金型材具有等轴晶粒结构，平均晶粒直径为30～50μm，由MC型碳化物和奥氏...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁超，陈翌鹏，刘昕，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：