CN103014523A - 一种高温合金用母材及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高温合金用母材及其制备方法。该母材按重量百分比计包含如下成分：10～45%Cr，0.5～12%Nb，0.7～2.5%Ti，≤9.0%Mo，≤8.0%W，≤2%Mn,≤1.0%Si,≤2.0%Al,≤0.5%C,≤0.032%O，≤0.032%N，≤0.01%S，≤0.02%P，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明的高温合金用母材的制造方法包括如下步骤：按照目标组成配比提供原料；然后按一定装料顺序将所述原料均匀地分层装入坩埚，之后在真空状态下进行熔炼；和在原料完全熔化后对所得熔体进行保温，然后进行铸锭浇铸，冷却后得到高温合金用母材。

Description

一种高温合金用母材及其制备方法
技术领域
本发明涉及高温合金领域，且更具体涉及用于生产高温合金的母材及其制备方法。该合金母材特别适用于-253～1000℃温度范围内的、用于宇航、核能、石油工业及挤压模具的镍基合金的生产。
背景技术
高温合金是指能在600℃以上的高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料，通常包括铁基高温合金、镍基高温合金、钴基高温合金等。高温合金具有较高的高温强度，良好的抗氧化性能和抗热腐蚀性能，良好的疲劳性能、断裂韧性、塑性等性能。在各种温度下具有良好的组织稳定性和使用的可靠性。基于上述性能特点，高温合金的合金化程度很高，因此也被称为超合金（Superalloys）。
高温合金已应用于许多工业领域，如大飞机工程——发动机热端部件材料，工业燃机——热端部件材料，核电技术——高温合金管材，其它民用行业——冶金、石化、交通、能源等，航空发动机——高温高强高温合金，航天发动机——短时超高温高强高温合金，舰船发动机——耐腐蚀长寿命高温合金。
高温合金通常是由多种合金元素组成，并且目前高温合金材料制备所需的Ni、Mo、Nb、Cr等合金元素基本上全部使用纯净的单质材料。然而在国内、国外市场上，由于纯金属的价格居高不下，因此造成了高温合金材料的制造成本较高。然而针对特定的产品，高纯的金属原料并不是必须的。但是由于市场没有合适品质的原料，下游企业不得不采购“品质过剩”的原料，提高了原料成本。如果根据其特定的合金产品生产特定的非单质合金母材，那么将大大降低采购成本；作为原料生产商，也必将大大降低其生产成本，获得市场竞争力。
目前高温合金及其母材的熔炼采用电弧炉、真空感应炉、电渣重熔等方式或它们的结合，这些熔炼设备与方式是国内外主流的形式。因此，希望能在不增加设备投资的基础上使高温合金的生产成本有较大幅度的降低，同时保证合金的成分均匀性，并且采用此母材熔炼生产的高温合金达到与同类合金相同或更好的性能。
发明内容
本发明目的是改变现有高温合金的熔炼方式；所要解决的问题是提供一种低成本生产的高温合金母材，该合金母材不仅成分均匀，而且生产成本较低，适合于熔炼不同种类高温合金。
本发明的高温合金用母材的化学组成（按wt%计）为：10～45%Cr，0.5～12%Nb，0.7～2.5%Ti，≤9.0%Mo，≤8.0%W，≤2%Mn,≤1.0%Si,≤2.0%Al,≤0.5%C,≤0.032%O，≤0.032%N，≤0.01%S，≤0.02%P，余量为Fe和不可避免的杂质。
在本发明的优选实施方案中，所述高温合金用母材中的Cr含量为30～45％。
在本发明的优选实施方案中，所述高温合金用母材中的Nb含量为2～12％。
在本发明的优选实施方案中，所述高温合金用母材中的Ti含量为1.0～2.5％。
本发明的优点在于采用该合金母材为原料能够有效制备出合格的高温合金基材，该基材具有良好的抗疲劳、抗辐射、抗氧化和耐腐蚀性能；此外该基材具有良好的加工性能和良好的焊接性能，能够制成各种形状复杂的零部件。由于使用本发明的合金母材能够避免使用昂贵的纯金属原料，从而减少了能源的消耗并且降低了生产成本。
氮和氧在镍基、铁基、钴基合金的熔体中有较大的溶解度，而在合金凝固状态下，溶解度极小；另外在合金凝固后，氮和氧以气体形式存在与合金中，非常有害，因此必须严格控制本发明合金母材中的氮和氧含量。典型地，在本发明的合金母材中优选将氮和氧含量分别控制为O≤0.032%，N≤0.032%。
P、S等杂质因严重偏析与合金晶界，对合金的高温性能及其有害，故应控制在尽可能低的水平。典型地，在本发明的合金母材中优选将将硫和磷元素分别控制为S≤0.01%，P≤0.02%。
本发明的合金母材的熔炼技术方案为：原料采用各类中间合金，如低碳铬铁、铌铁、钼条（或钼铁）、钨铁、钛块（钛屑或钛边角料）、纯铁，将上述原料进行合理的搭配，并按以下的装料顺序均匀地分层装入坩埚：Fe→NbFe→CrFe→MoFe和/或WFe→Fe→CrFe→Ti→NbFe→CrFe，之后采用真空中频熔炼，并根据原料的杂质含量采用真空脱气方式去除有害杂质。Fe两次加入比例为1：1，NbFe的两次加入比例为1：1.5,CrFe的三次加入比例为1：1.5：1。进行真空熔炼前要保持真空度达到10-2帕以上；在物料完全熔化后，保温时间要求持续30-60分钟；然后进行铸锭浇铸，冷却后得到高温合金用母材。
与现有技术相比，本发明的优点在于采用铌铁、铬铁等中间合金原材料替代纯金属进行高温合金母材的熔炼，根据合金成分而选用不同原料进行合理的搭配和装料，在成分符合标准的基础上满足了使用要求，使成本有了显著幅度的降低，可使高温合金的生产成本降低20%以上。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行举例说明。
实施例1
按照40.12Cr-39.66Fe-11.14Nb-6.87Mo-2.14Ti重量百分比的目标组成进行合金的配料；其中Cr的原料为Cr含量60%的CrFe，Nb的原料为Nb含量70%的NbFe，Mo的原料为Mo含量60%的MoFe，Ti为钛边角料（表面无氧化层），Fe为电工级纯铁。然后按以下的装料顺序均匀地分层装入中频炉熔炼坩埚：Fe→NbFe→CrFe→MoFe→Fe→CrFe→Ti→NbFe→CrFe；其中Fe的两次加入比例为1：1，NbFe的两次加入比例为1：1.5,CrFe的两次加入比例为1：1.5：1。之后对炉体进行抽空，真空达到5×10-2Pa后，给设备通电加热，待物料完全熔化后，再保温30分钟后进行浇铸，冷却后得到具有目标组成的合金母材铸锭。
下表1中示出了通过实施例1得到的不同批次（即批次1至4）合金母材的实际组成。由表1可以看出，通过本发明方法得到的高温合金母材的组成与目标值基本一致，并且杂质水平控制良好。
表1高温合金母材化学成分（wt%）
Figure BDA00002759081200041
实施例2
按照34.4Cr-56.8Fe-2.4Nb-4.8W-1.6Ti重量百分比的目标组成提供原料，其中Cr的原料为Cr含量60%的CrFe，Nb的原料为Nb含量70%的NbFe，W的原料为W含量60%的WFe，Ti的原料为钛边角料，Fe的原料为电工级纯铁；然后按以下的装料顺序均匀地分层装入中频炉熔炼坩埚：Fe→NbFe→CrFe→WFe→CrFe→Fe→Ti→NbFe→CrFe；其中Fe两次加入比例为1：1，NbFe的两次加入比例为1：1.5,CrFe的三次加入比例为1：1.5：1；然后进行真空熔炼，待物料完全熔化后再保温30分钟，随后进行浇铸，从而得到具有目标组成的合金母材铸锭。
实施例3
采用实施例1中制备的合金母材，以48％:52%的比例将其与金属镍进行共同熔炼，采用两联工艺进行熔炼，一次熔炼采用真空感应熔炼。当真空达到3×10-2Pa后，给设备通电加热，待物料完全熔化后，在1500-1600℃保温30分钟后进行浇铸。二次熔炼采用真空自耗电弧熔炼，熔炼时电压30-36V，熔炼电流5-9KA。熔速2-6Kg/min.对得到的铸锭在1100℃温度下加热，在大于1000℃以上锻造制成的棒材经950～980℃，保温1h，空冷至720℃，保温8h，以50℃/h炉冷至620℃，保温8h，空冷至室温后，对得到的镍基高温合金棒材进行显微组织分析和力学性能测试，结果如下表2所示。从表2中合金的室温性能与高温性能的测试来看，合金塑性较好，且抗拉与屈服强度较高，说明合金性能优异，适合加工各种耐高温零部件，与纯金属熔炼的合金性能相当。
表2高温合金的晶粒组织和力学性能
Figure BDA00002759081200051

Claims (16)

1.一种高温合金用母材，其特征在于，该母材按重量百分比计包含如下成分：10～45%Cr，0.5～12%Nb，0.7～2.5%Ti，≤9.0%Mo，≤8.0%W，≤2%Mn,≤1.0%Si,≤2.0%Al,≤0.5%C,≤0.032%O，≤0.032%N，≤0.01%S，≤0.02%P，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1的高温合金用母材，其特征在于，所述母材包含30～45％Cr。
3.根据权利要求1的高温合金用母材，其特征在于，所述母材包含2～12％Nb。
4.根据权利要求1的高温合金用母材，其特征在于，所述母材包含1.0～2.5％Ti。
5.一种高温合金用母材的制造方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
（1）按照高温合金母材的组成配比提供原料，其中所述高温合金母材具有如下组成：10～45%Cr，0.5～12%Nb，0.7～2.5%Ti，≤9.0%Mo，≤8.0%W，≤2%Mn,≤1.0%Si,≤2.0%Al,≤0.5%C,≤0.032%O，≤0.032%N，≤0.01%S，≤0.02%P，余量为Fe和不可避免的杂质;并且其中铌、钼、铬或钨的原料分别为它们与铁的中间合金，钛的原料为钛屑或钛边角料，铁的原料为纯铁；
(2)按如下装料顺序将所述原料均匀地分层装入坩埚：Fe→NbFe→CrFe→MoFe和/或WFe→Fe→CrFe→Ti→NbFe→CrFe，之后在真空状态下进行熔炼；和
(3)在原料完全熔化后对所得熔体进行保温，保温时间为30-60分钟，然后进行铸锭浇铸，冷却后得到高温合金用母材。
6.按照权利要求5所述的方法，其特征在于所述熔炼为真空中频熔炼。
7.按照权利要求5所述的方法，其特征在于铌原料为铌铁。
8.按照权利要求5所述的方法，其特征在于钼原料为钼铁。
9.按照权利要求5所述的方法，其特征在于铬原料为铬铁。
10.按照权利要求5所述的方法，其特征在于钨原料为钨铁。
11.按照权利要求5所述的方法，其特征在于分两次加入纯铁，两次加入量的比例为1：1。
12.按照权利要求5所述的方法，其特征在于分两次加入铌铁，两次加入量的比例为1：1.5。
13.按照权利要求5所述的方法，其特征在于分两次加入铬铁，两次加入量的比例为1：1.5。
14.按照权利要求6所述的方法，其特征在于真空熔炼期间的压力不超过10-2帕。
15.一种高温合金用母材的制造方法，该方法包括步骤：按照40.12Cr-39.66Fe-11.14Nb-6.87Mo-2.14Ti重量百分比的目标组成提供原料，其中Cr的原料为Cr含量60%的CrFe，Nb的原料为Nb含量70%的NbFe，Mo的原料为Mo含量60%的MoFe，Ti的原料为钛边角料，Fe的原料为电工级纯铁；然后按以下的装料顺序均匀地分层装入中频炉熔炼坩埚：Fe→NbFe→CrFe→MoFe→CrFe→Ti→NbFe→CrFe，其中Fe两次加入比例为1：1，NbFe的两次加入比例为1：1.5,CrFe的两次加入比例为1：1.5；然后进行真空熔炼，待物料完全熔化后再保温30分钟，随后进行铸锭浇铸，冷却后得到高温合金用母材。
16.一种高温合金用母材的制造方法，该方法包括步骤：按照34.4Cr-56.8Fe-2.4Nb-4.8W-1.6Ti重量百分比的目标组成提供原料，其中Cr的原料为Cr含量60%的CrFe，Nb的原料为Nb含量70%的NbFe，W的原料为W含量60%的WFe，Ti的原料为钛边角料，Fe的原料为电工级纯铁；然后按以下的装料顺序均匀地分层装入中频炉熔炼坩埚：Fe→NbFe→CrFe→WFe→CrFe→Fe→Ti→NbFe→CrFe，其中Fe两次加入比例为1：1，NbFe的两次加入比例为1：1.5,CrFe的两次加入比例为1：1.5；然后进行真空熔炼，待物料完全熔化后再保温30分钟，随后进行铸锭浇铸，冷却后得到高温合金用母材。
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