【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及合金设计、金属熔炼和铸造，具体涉及一种高纯净度钴基高温合金k40m/dz40m及其制备技术。
技术介绍
1、高温合金是一种能够在600℃以上及一定应力条件下长期工作的金属材料，具有优异的高温强度，良好的抗氧化和抗热腐蚀性能，良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能。高温合金的材料特征使其成为航空发动机中不可替代的关键材料。在世界先进发动机研制中，高温合金材料用量已占到发动机总量的40％～60％。其中，钴基高温合金具有组织稳定性强、缺口敏感性低、焊接性能优异等特点，因此被广泛应用于制备导向叶片等静止结构件。
2、高温合金中的主要气体杂质元素为o、n、s，其中o在合金中主要以微米级夹杂物形式存在，这些夹杂物是疲劳裂纹的主要萌生地和扩展通道，显著降低高温合金的疲劳寿命。如氧化铝夹杂会严重降低高温合金的蠕变、疲劳和屈服强度等性能。研究发现氧含量小于50ppm时，高温合金的断裂寿命有了明显提升。
3、n在高温合金中以高熔点的氮化物或碳氮化物的形式存在，如tin和ti(c，n)等，它们往往会成为碳化物析出的核心，形成碳化物包裹氮化物的大块状碳氮化物，阻塞枝晶间的通道，显著影响高温合金液的补缩性，造成碳化物的边界处出现显微疏松，增加疲劳裂纹的萌生概率和扩展速率，严重影响合金的高温力学性能。由于高温合金中含有大量亲氮元素，如ti、nb、zr等，即使氮降至15ppm以下，高温合金的铸件显微孔隙度也会很高。另外，氮化物或碳氮化物夹杂一般分布于晶界或枝晶间，与合金基体之间的结合力较差，在长期的高温和应力条件下非常容易产
4、s极易偏聚于晶界，严重降低高温合金晶界的结合力。硫含量增加，晶界能明显降低，晶界被弱化，合金的持久性能受到严重影响。s与ti、zr、cr会形成m2sc(y相)，会成为裂纹的萌生地，显著降低高温合金的持久强度寿命。对于m17合金，将o、s含量从20ppm降至10ppm以下，材料的高温持久性能提高90％。对于k424铸造镍基高温合金，硫含量从50ppm降低到10ppm，持久(900℃，314mpa)寿命从40h增加到160h，进一步降低s、o、n含量，合金使用寿命有大幅度升高。而发动机寿命每提高1小时，对于正在服役的飞机将产生不少于500万美元的经济效益。
5、因此，本专利技术提出一种操作简单、经济实用的钴基高温合金制备工艺方法，不仅有助于提高钴基高温合金的高温性能，还可为高温合金的纯净化制备提供技术依据，对高温合金的制备和应用具有重要的社会意义和经济意义。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种高纯净度钴基高温合金k40m/dz40m及其制备技术，该方法针对合金化学成分和杂质含量不稳定问题，经过多次验证试验，确定了合金各个元素的最佳含量控制点，不仅保证了合金在此成分点拥有较优异的力学性能，而且能够保证合金化学成分的稳定性，结合专用的纯净化冶炼技术，能够生产出化学成分稳定、力学性能优异且杂质含量较低的优质钴基高温合金母合金铸锭。
2、为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：
3、一种高纯净度钴基高温合金k40m/dz40m，按重量百分含量计，该合金化学成分如下：
4、c：0.45～0.55％，cr：24.5～26.4％，ni：9.5～11.5％，al：0.8～1.0％，w：7.5～8.2％，mo：0.2～0.4％，ti：0.1～0.3％，b：0.010～0.015％，zr：0.1～0.3％，ta：0.1～0.4％，co余量。
5、所述高纯净度钴基高温合金k40m/dz40m的制备技术，括如下步骤：
6、(1)将原材料按照co(一半)、cr、ni、c、w、ta、co(一半)顺序由下至上装入坩埚，并将剩余al、ti、b、zr等原料用铝箔包裹好备用；
7、(2)真空感应炉内将坩埚内的原材料熔化，当熔体完全化清后，提高温度至1550℃进行高温精炼；高温精炼结束后加入用铝箔包裹好的al、ti、b、zr等原料，并保持(1/4)pe功率进行搅拌2～5min，随后停电降温；
8、(3)待熔体表面降温至约1410℃后，提高功率至约(1/2)pe对熔体进行加热，提高熔体表面温度至约1450℃进行浇注，得到母合金锭；
9、(4)将母合金锭采用真空铸造制备成定向柱状晶或等轴晶铸件。
10、上述步骤(2)中，原料熔化过程为：真空感应炉内气压低于40pa后送电，采用(1/4)pe、(1/2)pe和pe，pe为真空炉感应加热额定功率，进行阶段式化料，期间炉内气压应保持在40pa以下；其中，当真空计读数稳定且低于40pa后，可提高化料功率；当熔体完全化清后进行高温精炼。
11、上述步骤(3)中，合金熔体浇注时，浇注口直径与锭模直径比为1/6～1/4；由于该合金的熔点约为1390℃，采用低温浇注有助于避免碳化物过度长大，造成w、ta、ti、mo等元素分布不均匀。
12、上述步骤(4)中，采用定向凝固工艺制备成定向柱状晶铸件(k40m)，定向凝固的工艺参数为：1600℃精炼3min，1450～1480℃浇注，上区温度1420～1460℃，下区温度1470～1500℃，浇注后静置2～5min，抽拉速率4～6mm/min。
13、上述步骤(4)中，采用等轴晶铸造制备成等轴晶铸件(dz40m)，等轴晶铸造的工艺参数为：1600℃精炼5min，1500～1550℃浇注，模壳预热温度900℃，埋砂冷却。
14、所制备的定向柱状晶铸件和等轴晶铸件在980℃/83mpa条件下的持久性能分别可达80h和40h以上。
15、本专利技术的优点如下：
16、本专利技术原材料纯度需达到99％以上，cr、ti原材料o含量不高于300ppm，n含量不高于40ppm，s含量不高于60ppm。冶炼期间通过阶段式化料、超高温熔体处理工艺促进气体元素脱除，达到纯净化冶炼效果，采用低温浇注工艺确保合金中的共晶及碳化物相分布均匀。所述工艺方法制备的合金具有成分均匀，合金锭上、下部主元素浓度差≤0.1％，微量元素浓度差≤0.2％，且气体含量低，o≤10ppm、n≤10ppm、s≤10ppm，三者综合≤25ppm。本发涉及的钴基高温合金组织稳定性好，抗冷热疲劳、抗氧化及耐热腐蚀性能优异，适用于在1040℃以下长期服役的涡轮导向叶片。
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1.一种高纯净度钴基高温合金K40M/DZ40M，其特征在于：按重量百分含量计，该合金化学成分如下：
2.根据权利要求1所述的高纯净度钴基高温合金K40M/DZ40M的制备技术，其特征在于：该制备技术包括如下步骤：
3.根据权利要求1所述的高纯净度钴基高温合金K40M/DZ40M的制备技术，其特征在于：步骤(2)中，原料熔化过程为：真空感应炉内气压低于40Pa后送电，采用(1/4)Pe、(1/2)Pe和Pe，Pe为真空炉感应加热额定功率，进行阶段式化料，期间炉内气压应保持在40Pa以下；其中，当真空计读数稳定且低于40Pa后，可提高化料功率；当熔体完全化清后进行高温精炼。
4.根据权利要求1所述的高纯净度钴基高温合金K40M/DZ40M的制备技术，其特征在于：步骤(3)中，合金熔体浇注时，浇注口直径与锭模直径比为1/6～1/4；由于该合金的熔点约为1390℃，采用低温浇注有助于避免碳化物过度长大，造成W、Ta、Ti、Mo等元素分布不均匀。
5.根据权利要求1所述的高纯净度钴基高温合金K40M/DZ40M的制备技术，其特征在于：步骤(
6.根据权利要求1所述的高纯净度钴基高温合金K40M/DZ40M的制备技术，其特征在于：步骤(4)中，采用等轴晶铸造制备成等轴晶铸件(DZ40M)，等轴晶铸造的工艺参数为：1600℃精炼5min，1500～1550℃浇注，模壳预热温度900℃，埋砂冷却。
7.根据权利要求1所述的高纯净度钴基高温合金K40M/DZ40M的制备技术，其特征在于：所制备的定向柱状晶铸件和等轴晶铸件在980℃/83MPa条件下的持久性能分别可达80h和40h以上。
...【技术特征摘要】
1.一种高纯净度钴基高温合金k40m/dz40m，其特征在于：按重量百分含量计，该合金化学成分如下：
2.根据权利要求1所述的高纯净度钴基高温合金k40m/dz40m的制备技术，其特征在于：该制备技术包括如下步骤：
3.根据权利要求1所述的高纯净度钴基高温合金k40m/dz40m的制备技术，其特征在于：步骤(2)中，原料熔化过程为：真空感应炉内气压低于40pa后送电，采用(1/4)pe、(1/2)pe和pe，pe为真空炉感应加热额定功率，进行阶段式化料，期间炉内气压应保持在40pa以下；其中，当真空计读数稳定且低于40pa后，可提高化料功率；当熔体完全化清后进行高温精炼。
4.根据权利要求1所述的高纯净度钴基高温合金k40m/dz40m的制备技术，其特征在于：步骤(3)中，合金熔体浇注时，浇注口直径与锭模直径比为1/6～1/4；由于该合金的熔点约为1390℃，采用低温浇注有助于避免碳化物过度长大，造成w、t...
【专利技术属性】
技术研发人员：侯绍山，张典，
申请(专利权)人：辽宁红银金属有限公司，
类型：发明
国别省市：
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