CN104789817A - 发动机涡轮用ods高温合金材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及发动机涡轮用ODS高温合金材料，所述高温合金材料的成分按重量百分比计包括：C：0.22-0.28%，Mn：2.1-2.2%，Si：0.45-0.61%，Cr：18.3-19.2%，Mo：8.25-10.4%，W：3.50-3.80%，Al：0.05-0.35%，Cu：0.18-0.27%，Fe：5.0-9.2%，B:1.0-1.1%，Co：6.7-8.2%，Zr：0.12-0.18%，Nb：1.12-1.38%，复合氧化物Y-Ti-O纳米颗粒：1.2-2.8%，余量为Ni及不可避免的杂质，并提供了与该材料相配的制备方法，制备的坯料成分设计合理，配合合理的热加工工艺、生产组织方便、现场可操作性强、装备通用性强的特点，生产的高温合金大型涡轮盘产品质量高，组织性能符合标准要求，生产效率高，经济效益和社会效益显著。

Description

发动机涡轮用ODS高温合金材料及其制备方法

技术领域

本发明属于高温合金领域，具体为一种高温合金及其制备方法，主要适用于发动机涡轮用添加复合氧化物纳米颗粒的ODS高温合金材料及其制备方法。

背景技术

高温合金是指以铁、钻、镍为基，能在600℃以上高温下服役而研制的一类金属材料。高温合金为单一的奥氏体基体组织，拥有较高的高温强度、抗氧化和抗腐蚀性能，具有良好的组织稳定性和使用可靠性，又称热强合金和热稳定性高温合金，国外常称之为超合金(Superalloy)。

高温合金按照合金成分、组织和成型工艺不同可以有不同的分类方法。按基体元素分类，主要有镍基高温合金、钻基高温合金和铁基高温合金，此外还另有一个分支镍一铁基高温合金。按制备工艺分，可以分为变形高温合金、铸造高温合金和粉末高温合金。按强化方式分类可以分为固溶强化合金和时效沉淀强化型合金，不同强化型合金有不同的热处理制度。

高温合金的发展动力来源于高温燃气轮机的需要，燃气轮机发动机，尤其是航空发动机推力及效率的日益增长，发动机工作温度的不断提高，这就要求材料必须具备更高的耐一温能力。在发动机的运行过程中，部件往往要遭受氧化及各种腐蚀，因此，要求使用的材料要具有优异的抗氧化及抗热腐蚀能力。随着冶炼、加工、防护等工艺技术的进步，高温合金的研究与应用步入了蓬勃的发展和应用时期。利用高温合金高强度性能、高温耐磨和耐腐蚀性能，目前高温合金除在航空、航天领域应用外，还广泛的应用于原子能、能源动力、交通运输、石油化工、矿山冶金、玻璃建材、造纸制浆和海水作业等领域，己成为衡量一个国家金属材料发展水平的主要标志之一。

高温合金的发展与航空发动机的进步密切相关。从20世纪30年代后期起，英、德、美等国家就开始研究高温合金。航空发动机的发展与高温合金发展是齐头并进、密不可分的，前者是后者的主要动力，后者是前者的重要保证。占据着航空发动机中温度最高，应力最复杂的位置的铸造涡轮叶片合金发展尤其是这样。40年代初，在英国由于当时Whittle喷气发动机的出现，要求比奥氏体不锈钢蠕变性能更好的板材和棒材。英国Mond公司(现称国际镍公司 )1941年生产了加入少了C和Ti的Nimonic75合金，用作短时使用的叶片材料，后来加入Al并增加Ti含量，不久发展了Nimonic80合金，并在 1942年成功地用作涡轮喷气发动机的叶片材料，这是最早发展的以Ni:(Al，Ti)强化的涡轮叶片材料。此后该公司又在合金中加入B，并调整Al、Ti含量，开发成功Nimonic80A合金，为进一步改善蠕变和持久性能，以C。替代基体中的部分Ni，发展了Nimonic90合金，又加入Mo得到Nimoniel00等合金，形成Nimonie***。

我国从1956年成功地熔炼出第一炉GH4030合金开始，上个世纪60年代相继研制了GH4037、K406等。通过近60年的发展，抗氧化高温合金的研制和开发目前主要集中在镍基或铁基高温合金上。其发展的历程与国际接轨，即遵从变形合金、铸造合金和定向单晶合金的发展道路，使中国成为继美、苏、英之后第四个在世界上形成独立高温合金体系的国家。

作为固定叶片和连接叶片与涡轮轴的核心部件，涡轮盘的可靠性和使用性能至关重要，这就对涡轮盘的生产，尤其是热加工提出了极高的要求。为提高合金的承温能力，目前采用降低Cr、提高难熔元素总量(W，Nb，Ta，Re，Mo等)和沉淀强化相γ′含量的合金设计方法。随着涡轮盘的合金化程度不断提高，严重的偏析使热加工性能恶化，低周疲劳性能降低，疲劳裂纹容易扩展。

氧化物弥散强化(Oxide Dispersion Strengthened，ODS)高温合金是将细小的氧化物颗粒弥散分布于基体合金中，实现弥散强化的一种粉末高温合金，是高温合金的一个重要发展方向。常用的氧化物是活泼金属的氧化物，如Y₂O₃、ThO₂等，它们具有高硬度和良好的热稳定性和化学稳定性，其强化效果可以维持到接近合金熔点温度(0.9Tm)，这些超细的氧化物是高温下强化基体的最佳弥散相。

发明内容

本发明的目的在于提供发动机涡轮用添加复合氧化物纳米颗粒的ODS高温合金材料及其制备方法，具有优异的可加工性能和高的承温能力，能满足航空发动机对涡轮盘材料的需要。

本发明的技术方案完整一体，每个参数均是经过严格控制，使得产品质量得到保证。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：一种发动机涡轮用添加复合氧化物纳米颗粒的ODS高温合金材料，所述高温合金材料的成分按重量百分比计包括：C：0.22-0.28%，Mn：2.1-2.2%，Si：0.45-0.61%，Cr：18.3-19.2%，Mo：8.25-10.4%，W：3.50-3.80%，Al：0.05-0.35%，Cu：0.18-0.27%，Fe：5.0-9.2%，B:1.0-1.1%，Co：6.7-8.2%，Zr：0.12-0.18%，Nb：1.12-1.38%，复合氧化物Y-Ti-O纳米颗粒：1.2-2.8%，余量为Ni及不可避免的杂质。

进一步地，所述的复合氧化物Y-Ti-O纳米颗粒为Y2Ti2O7和/或Y2TiO5纳米颗粒，纳米颗粒大小为10-100nm。

更进一步地，上述发动机涡轮用高温合金材料的制造方法， 包括以下步骤：

(1)原料准备：通过计算将权利要求1所述的添加复合氧化物纳米颗粒的ODS高温合金材料中除了复合氧化物Y-Ti-O纳米颗粒以外的合金成分进行配料;

(2)熔炼电极棒,将原料进行熔炼 控制真空度0.05-0.2Pa，原料全部熔化后保持熔炼功率不变35-40分钟；提高真空度至0.001-0.01Pa，在1620℃-1640℃精炼10-15分钟，调整成分使其符合要求, 然后调整至1530-1580℃浇注成自耗电极棒；

(3)电渣重熔：电渣重熔的渣料配比按重量份为：CaF2：45-55%，Al2O3：18-23%；CaO：15.5-18%；SiO2：16.5-19.2%，将上述渣料加热至熔融状态，倒入结晶器中，结晶器和底板均用水冷却，将步骤2中制备的自耗电极棒缓慢下降到熔融的电渣重熔的渣料中，通电起弧后，调整重熔电压至35-65V、电流3000-8000A；自耗电极棒受电阻热缓慢熔化，熔化后的自耗电极棒液滴穿过熔融的渣料层与渣料发生反应而得到提纯，并在结晶器的底部重新结晶，得到组织致密、均匀、纯净，表面光洁的电渣锭；

(4)将电渣锭制成高温合金粉末；

(5) 将复合氧化物Y-Ti-O纳米颗粒与步骤4制得的高温合金粉末进行球磨，制得ODS高温合金粉末；球磨条件：在氩气气氛保护下，以每分钟750～1200转的速度球磨，球磨时间48-120小时，球磨介质：不锈钢球，球料比为5:1～20:1。

(6) 热等静压制备块体ODS高温合金 ,先将制得的ODS高温合金粉末装入包套中，对包套抽真空后进行封焊处理，设置真空度小于10^－3Pa；然后将装有ODS高温合金粉末的包套放入热等静压设备中进行热压处理，得到块体ODS高温合金；热等静压工艺条件：温度为900℃～1300℃，压力为100～200MPa，处理时间1～4小时；

(7)热处理：对第(6)步制得的坯料进行固溶处理，将坯料加热到1100-1200℃保温9-12小时，然后进行空冷，然后再进行分段时效处理：第一阶段时效处理：将坯料放入热处理加热装置中，由室温升温至900-1000℃进行保温处理，保温时间为12-28h，以30℃/min冷却到720-800℃进行第二阶段时效处理：在720-800℃保温时间24-36h，以20℃/min冷却到650-700℃进行第三阶段时效处理：在650-700℃保温10-12h，最后将坯料空冷至室温。

通过上述方法制得的坯料在1000℃的抗拉强度为820MPa以上，屈服强度为660MPa以上，延伸率为20%以上。

本发明的效果在于：

本发明的高温合金材料，具有优良的可加工性能和优异的高温性能，尤其具有优异的室温至高温拉伸强度，组织稳定性好，持久性能与高性能铸锻高温合金TMW相当。同时通过特定的参数优化，工艺配合，提供了可靠的制备方法，制造出符合要求的产品，同时，极大的提高了产品质量及成品率，降低生产成本，创造了极大的经济效益。后续的稍有复杂的热处理工艺，使得铸件的质量和性能得到更有力的保证。

具体实施方式

实施例1

一种发动机涡轮用高温合金材料，所述高温合金材料的成分按重量百分比计包括：C：0.265%，Mn：2.18%，Si：0.54%，Cr：18.7%，Mo：9.3%，W：3.68%，Al：0.28%，Cu：0.21%，Fe：6.5%，B:1.05%，Co：6.81%，Zr：0.16%，Nb：1.21%，Y2Ti2O7纳米颗粒：1.35%，余量为Ni及不可避免的杂质，所述发动机涡轮用高温合金材料的制造方法， 包括以下步骤：

 (1)原料准备：通过计算将上述的添加复合氧化物纳米颗粒的ODS高温合金材料中除了复合氧化物Y-Ti-O纳米颗粒以外的合金成分进行配料;

(2)熔炼电极棒,将原料进行熔炼 控制真空度0.1Pa，原料全部熔化后保持熔炼功率不变37分钟；提高真空度至0.008Pa，在1635℃精炼12分钟，调整成分使其符合要求, 然后调整至1555℃浇注成自耗电极棒；

(3)电渣重熔：电渣重熔的渣料配比按重量份为：CaF2：47.1%，Al2O3：20.0%；CaO：16.2%；SiO2：16.7%，将上述渣料加热至熔融状态，倒入结晶器中，结晶器和底板均用水冷却，将步骤2中制备的自耗电极棒缓慢下降到熔融的电渣重熔的渣料中，通电起弧后，调整重熔电压至40V、电流4000A；自耗电极棒受电阻热缓慢熔化，熔化后的自耗电极棒液滴穿过熔融的渣料层与渣料发生反应而得到提纯，并在结晶器的底部重新结晶，得到组织致密、均匀、纯净，表面光洁的电渣锭；

 (4)将电渣锭制成高温合金粉末；

(5) 将复合氧化物Y-Ti-O纳米颗粒与步骤4制得的高温合金粉末进行球磨，制得ODS高温合金粉末；球磨条件：在氩气气氛保护下，以每分钟850转的速度球磨，球磨时间90小时，球磨介质：不锈钢球，球料比为10：1；

(6) 热等静压制备块体ODS高温合金 ,先将制得的ODS高温合金粉末装入包套中，对包套抽真空后进行封焊处理，设置真空度小于10^－3Pa；然后将装有ODS高温合金粉末的包套放入热等静压设备中进行热压处理，得到块体ODS高温合金；热等静压工艺条件：温度为1050℃，压力为180MPa，处理时间3小时；

(7)热处理：对第(6)步制得的坯料进行固溶处理，将坯料加热到1150℃保温11小时，然后进行空冷，然后再进行分段时效处理：第一阶段时效处理：将坯料放入热处理加热装置中，由室温升温至950℃进行保温处理，保温时间为15h，以30℃/min冷却到730℃进行第二阶段时效处理：在730℃保温时间15h，以20℃/min冷却到660℃进行第三阶段时效处理：在660℃保温11h，最后将坯料空冷至室温。

通过上述方法制得的坯料在1000℃的抗拉强度为825MPa，屈服强度为665MPa，延伸率为22%。

本发明具有成分设计合理，配合合理的热加工工艺、生产组织方便、现场可操作性强、装备通用性 强的特点，生产的高温合金大型涡轮盘产品质量高，组织性能 符合标准要求，生产效率高，经济效益和社会效益显著。

Claims (3)

1.一种发动机涡轮用添加复合氧化物纳米颗粒的ODS高温合金材料，其特征在于：所述高温合金材料的成分按重量百分比计包括：C：0.22-0.28%，Mn：2.1-2.2%，Si：0.45-0.61%，Cr：18.3-19.2%，Mo：8.25-10.4%，W：3.50-3.80%，Al：0.05-0.35%，Cu：0.18-0.27%，Fe：5.0-9.2%，B:1.0-1.1%，Co：6.7-8.2%，Zr：0.12-0.18%，Nb：1.12-1.38%，复合氧化物Y-Ti-O纳米颗粒：1.2-2.8%，余量为Ni及不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的发动机涡轮用添加复合氧化物纳米颗粒的ODS高温合金材料，其特征在于：所述的复合氧化物Y-Ti-O纳米颗粒为Y2Ti2O7和/或Y2TiO5纳米颗粒，纳米颗粒大小为10-100nm。

3.根据权利要求1-2所述的发动机涡轮用高温合金材料的制造方法，其特征在于， 包括以下步骤：

(1)原料准备：通过计算将权利要求1所述的添加复合氧化物纳米颗粒的ODS高温合金材料中除了复合氧化物Y-Ti-O纳米颗粒以外的合金成分进行配料;

(2)熔炼电极棒,将原料进行熔炼 控制真空度0.05-0.2Pa，原料全部熔化后保持熔炼功率不变35-40分钟；提高真空度至0.001-0.01Pa，在1620℃-1640℃精炼10-15分钟，调整成分使其符合要求, 然后调整至1530-1580℃浇注成自耗电极棒；

(3)电渣重熔：电渣重熔的渣料配比按重量份为：CaF2：45-55%，Al2O3：18-23%；CaO：15.5-18%；SiO2：16.5-19.2%，将上述渣料加热至熔融状态，倒入结晶器中，结晶器和底板均用水冷却，将步骤2中制备的自耗电极棒缓慢下降到熔融的电渣重熔的渣料中，通电起弧后，调整重熔电压至35-65V、电流3000-8000A；自耗电极棒受电阻热缓慢熔化，熔化后的自耗电极棒液滴穿过熔融的渣料层与渣料发生反应而得到提纯，并在结晶器的底部重新结晶，得到组织致密、均匀、纯净，表面光洁的电渣锭；

(4)将电渣锭制成高温合金粉末；

(5) 将复合氧化物Y-Ti-O纳米颗粒与步骤4制得的高温合金粉末进行球磨，制得ODS高温合金粉末；球磨条件：在氩气气氛保护下，以每分钟750～1200转的速度球磨，球磨时间48-120小时，球磨介质：不锈钢球，球料比为5:1～20:1；

(6) 热等静压制备块体ODS高温合金 ,先将制得的ODS高温合金粉末装入包套中，对包套抽真空后进行封焊处理，设置真空度小于10^－3Pa；然后将装有ODS高温合金粉末的包套放入热等静压设备中进行热压处理，得到块体ODS高温合金；热等静压工艺条件：温度为900℃～1300℃，压力为100～200MPa，处理时间1～4小时；

(7)热处理：对第(6)步制得的坯料进行固溶处理，将坯料加热到1100-1200℃保温9-12小时，然后进行空冷，然后再进行分段时效处理：第一阶段时效处理：将坯料放入热处理加热装置中，由室温升温至900-1000℃进行保温处理，保温时间为12-28h，以30℃/min冷却到720-800℃进行第二阶段时效处理：在720-800℃保温时间24-36h，以20℃/min冷却到650-700℃进行第三阶段时效处理：在650-700℃保温10-12h，最后将坯料空冷至室温。