CN112522564A - 一种TiB2颗粒增强镍基铸造高温合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种TiB2颗粒增强镍基铸造高温合金，所述纳米TiB2颗粒提高铸造高温合金强度的化学组成及其质量百分比为：C：≤0.10％；Cr：11.00‑16.00％；Ni：34.00‑45.00％；W：4.00‑8.00％；Al：1.80‑2.40％；Nb：3.00‑5.00％；TiB2：0.01‑0.30％；余量为Fe。本发明所述的一种TiB2颗粒增强镍基铸造高温合金及其制备方法，通过内生添加了纳米TiB2颗粒孕育剂，以及合金中各组分的百分含量的优化，在保证镍基高温合金的成本节约下，提高其成本。

Description

一种TiB2颗粒增强镍基铸造高温合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及高温合金的技术领域，具体涉及一种TiB2颗粒增强镍基铸造高温合金及其制备方法。
背景技术
镍基高温合金广泛应用于航空航天发动机，但是，随着涡轮进气口温度的不断提高，发动机部件的工作环境更加恶化了，它们必须承受更大的机械应力，这就要求材料可以保证具有更高的强度。为此高温合金工作者从合金化的角度做了大量研究，例如在镍基高温合金中加入Ta、Co、Re，然而使用这些稀有金属增加了成本。
偏析是铸件主要缺陷之一，对铸件性能有极大的影响。比如，由于成分的不均匀会造成组织的差异，对铸件力学性能，切削加工性能，抗冷裂和热裂性能以及抗腐蚀性能等均有不同程度的影响。从应用的普遍性角度看，镍基高温合金一定会向着高强高硬、耐蚀性好、低密度、低成本方向发展，各国都在以上几个方向着手研究。
因此，在保证镍基高温合金的成本节约的条件下，提高其强度，这对镍基高温合金在航空发动机上的应用发展具有重要的意义。
发明内容
本发明的一个目的是设计开发了一种TiB2颗粒增强镍基铸造高温合金，其通过内生添加了纳米TiB2颗粒孕育剂，以及合金中各组分的百分含量的优化，在保证镍基高温合金的成本节约下，提高其成本。本发明的另一个目的是设计开发了一种TiB2颗粒增强镍基铸造高温合金的制备方法，在镍基高温合金熔体中添加纳米TiB2铁基中间合金，并优化合金中各组分的百分含量，得到内生纳米TiB2陶瓷颗粒孕育剂提高合金强度。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明提供一种TiB2颗粒增强镍基铸造高温合金，所述纳米TiB2颗粒提高铸造高温合金强度的化学组成及其质量百分比为：C：≤0.10％；Cr：11.00-16.00％；Ni：34.00-45.00％；W：4.00-8.00％；Al：1.80-2.40％；Nb：3.00-5.00％；TiB2：0.01-0.30％；余量为Fe。
作为本发明的进一步改进，所述纳米TiB2颗粒的直径为80-200nm。
本发明进一步保护一种上述TiB2颗粒增强镍基铸造高温合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：按照上述质量百分比称取铬，镍，钨，铝，钛和铁，在真空环境下加热到1400-1500℃，熔炼30-50min得到熔融合金；
步骤2：向所述熔融合金中加入纳米TiB2铁基中间合金，保温10-30min后浇注成合金铸坯，得到纳米TiB2颗粒增强镍基铸造高温合金
作为本发明的进一步改进，所述纳米TiB2铁基中间合金中纳米TiB2的质量分数为20-40％，并且通过控制所述纳米TiB2铁基中间合金质量使所述纳米TiB2颗粒增强Ni基铸造高温合金中纳米TiB2的质量分数为0.01-0.30％。
作为本发明的进一步改进，所述纳米TiB2铁基中间合金的制备包括如下步骤：
步骤1：按比例称取硼粉、钛粉和铁粉并球磨混合24h；
其中，所述硼粉和钛粉的摩尔比为2:1且所述硼粉和钛粉的总质量百分比为20-40％；
步骤2：将硼粉、钛粉和铁粉的混合合金粉末制成圆柱压块，并置于石墨模具中，在真空环境下加热到1000-1400℃，保温10min后冷却至室温，得到纳米TiB2铁基中间合金。
作为本发明的进一步改进，所述圆柱压块在真空环境下以30℃/min的加热速度加热到1000-1400℃。
作为本发明的进一步改进，所述纳米TiB2铁基中间合金中纳米TiB2颗粒的直径为80-200nm。
作为本发明的进一步改进，还包括步骤3：对纳米TiB2颗粒增强镍基铸造高温合金进行固溶热处理。
作为本发明的进一步改进，所述固溶热处理方法为将其加热到1180-1220℃，保温5-10h后，空冷至室温。
本发明进一步保护一种上述TiB2颗粒增强镍基铸造高温合金在航空发动机中的应用。
本发明具有如下有益效果：本发明所述的一种TiB2颗粒增强镍基铸造高温合金及其制备方法，通过内生添加了纳米TiB2颗粒孕育剂，以及合金中各组分的百分含量的优化，在保证镍基高温合金的成本节约下，提高其成本。本发明纳米TiB2颗粒提高铸造高温合金的的强度的制备方法，在镍基高温合金熔体中添加纳米TiB2铁基中间合金，并优化合金中各组分的百分含量，得到内生纳米TiB2陶瓷颗粒孕育剂提高合金强度，并可以适用于航天航空发动机的高温环境下的力学性能要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明对比例1中没有添加纳米TiB2颗粒的镍基高温合金的扫描组织图；
图2为本发明实施例1中添加纳米TiB2颗粒的镍基高温合金的扫描组织图；
图3为本发明实施例2中添加纳米TiB2颗粒增强的镍基高温合金的金相组织图；
图4为本发明实施例3中添加纳米TiB2颗粒增强的镍基高温合金的金相组织图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
对比例1
一种镍基铸造高温合金，其主要化学成分按质量百分比：C:0.037％；Cr:11.69％；Ni:42.98％；W:7.03％；Al:1.92％；Nb:4.36％；Fe:余；B:0.12％；Si:0.29％；Mn:0.18％；S:0.009％；P:0.011％。
其制备方法包括以下步骤：
步骤1：按上述组分质量百分比称取原料，将Cr、Ni、W、Al、Nb和Fe置于真空感应炉中，加热到1500℃进行真空熔炼30min得到熔融合金。
步骤2：保温20min后熔体浇注成合金铸坯，得到了铸造镍基高温合金。
步骤3：取铸态高温合金进行固溶热处理，将其放入热处理炉中，加热到1180℃，保温5h后，空冷至室温。
对固溶热处理后的高温合金进行力学性能测试。
对比例1合金典型的金相组织如图1所示，枝晶粗大，枝晶间微观偏析严重。由于材料偏析严重，而引起的枝晶间存在大块共晶相，降低合金强塑性。
实施例1
一种TiB2颗粒增强镍基铸造高温合金，其主要化学成分按质量百分比：C:0.037％；Cr:11.69％；Ni:42.98％；W:7.03％；Al:1.92％；Nb:4.36％；Fe:余；B:0.12％；Si:0.29％；Mn:0.18％；S:0.009％；P:0.011％；纳米尺寸TiB2颗粒含量：0.01％。
其制备方法包括以下步骤：
步骤1：按比例称取硼粉、钛粉和铁粉，其中硼粉和钛粉粉的摩尔比为2:1，硼粉和钛粉的总质量百分比为30％。
步骤2：将称取好的合金粉末放入球磨机中，以50r/min的速度混合24h。
步骤4：将一定质量的混合合金粉末置于铝箔中，压制成直径25mm，高30mm的圆柱压块。
步骤5：将圆柱压块放入石墨模具中，并将石墨模具置于真空环境加热炉中，以30℃/min的加热速度加热到1000℃，保温10min后随炉冷却至室温，得到纳米TiB2铁基中间合金，所述纳米TiB2铁基中间合金中纳米TiB2的质量分数为30％，TiB2陶瓷颗粒的直径为80-100nm。
步骤6：按上述组分质量百分比称取原料，将Cr、Ni、W、Al、Nb和Fe置于真空感应炉中，加热到1500℃进行真空熔炼30min得到熔融合金。
步骤7：从真空感应熔炼炉上方加料漏斗处加入纳米TiB2铁基中间合金(所述纳米TiB2铁基中间合金中纳米TiB2的质量分数为30％)，使纳米尺寸TiB2陶瓷颗粒孕育剂加入量为总合金质量的0.01％，保温20min后熔体浇注成合金铸坯，得到了纳米TiB2颗粒增强镍基铸造高温合金。
步骤8：取纳米TiB2颗粒增强镍基铸造高温合金进行固溶热处理，将其放入热处理炉中，加热到1180℃，保温5h后，空冷至室温。
对固溶热处理后的高温合金进行力学性能测试：加入质量百分数为0.01％的纳米TiB2颗粒的镍高温合金，相比没有加入纳米TiB2颗粒的试样(对比例1)，其强度明显提高，屈服提高16.1％，抗拉提高11.6％。
实施例1典型的金相组织如图1所示，枝晶间距减小，枝晶间微观偏析减轻。枝晶间共晶相减少，合金组织均匀。合金的强塑性提高。
实施例2
一种TiB2颗粒增强镍基铸造高温合金，其主要化学成分按质量百分比：C:0.037％；Cr:11.69％；Ni:42.98％；W:7.03％；Al:1.92％；Nb:4.36％；Fe:余；B:0.12％；Si:0.29％；Mn:0.18％；S:0.009％；P:0.011％；纳米尺寸TiB2颗粒含量：0.1％。
其制备方法包括以下步骤：
步骤1：按比例称取硼粉、钛粉和铁粉，其中硼粉和钛粉粉的摩尔比为2:1，硼粉和钛粉的总质量百分比为30％。
步骤2：将称取好的合金粉末放入球磨机中，以50r/min的速度混合24h。
步骤4：将一定质量的混合合金粉末置于铝箔中，压制成直径25mm，高30mm的圆柱压块。
步骤5：将圆柱压块放入石墨模具中，并将石墨模具置于真空环境加热炉中，以30℃/min的加热速度加热到1000℃，保温10min后随炉冷却至室温，得到纳米TiB2铁基中间合金，所述纳米TiB2铁基中间合金中纳米TiB2的质量分数为30％，TiB2陶瓷颗粒的直径为80-100nm。
步骤6：按上述组分质量百分比称取原料，将Cr、Ni、W、Al、Nb和Fe置于真空感应炉中，加热到1500℃进行真空熔炼30min得到熔融合金。
步骤7：从真空感应熔炼炉上方加料漏斗处加入纳米TiB2铁基中间合金(所述纳米TiB2铁基中间合金中纳米TiB2的质量分数为30％)，使纳米尺寸TiB2陶瓷颗粒孕育剂加入量为总合金质量的0.1％，保温20min后熔体浇注成合金铸坯，得到了纳米TiB2颗粒增强镍基铸造高温合金。
步骤8：取纳米TiB2颗粒增强镍基铸造高温合金进行固溶热处理，将其放入热处理炉中，加热到1180℃，保温5h后，空冷至室温。
对固溶热处理后的高温合金进行力学性能测试：加入质量百分数为0.01％的纳米TiB2颗粒的镍高温合金，相比没有加入纳米TiB2颗粒的试样(对比例1)，其强度明显提高，屈服提高20.1％，抗拉提高15.9％。
实施例2典型的金相组织如图3所示，枝晶间微观偏析减轻。晶粒细化，枝晶间共晶相减少，合金组织均匀。合金的强塑性大幅提高。
实施例3
一种TiB2颗粒增强镍基铸造高温合金，其主要化学成分按质量百分比：C:0.037％；Cr:11.69％；Ni:42.98％；W:7.03％；Al:1.92％；Nb:4.36％；Fe:余；B:0.12％；Si:0.29％；Mn:0.18％；S:0.009％；P:0.011％；纳米尺寸TiB2颗粒含量：0.3％。
其制备方法包括以下步骤：
步骤1：按比例称取硼粉、钛粉和铁粉，其中硼粉和钛粉的摩尔比为2:1，硼粉和钛粉的总质量百分比为30％。
步骤2：将称取好的合金粉末放入球磨机中，以50r/min的速度混合24h。
步骤4：将混合合金粉末置于铝箔中，压制成直径25mm，高30mm的圆柱压块。
步骤5：将圆柱压块放入石墨模具中，并将石墨模具置于真空环境加热炉中，以30℃/min的加热速度加热到1000℃，保温10min后随炉冷却至室温，得到纳米TiB2铁基中间合金，所述纳米TiB2铁基中间合金中纳米TiB2的质量分数为30％，TiB2陶瓷颗粒的直径为80-100nm。
步骤6：按上述组分质量百分比称取原料，将Cr、Ni、W、Al、Nb和Fe置于真空感应炉中，加热到1500℃进行真空熔炼30min得到熔融合金。
步骤7：从真空感应熔炼炉上方加料漏斗处加入纳米TiB2铁基中间合金(所述纳米TiB2铁基中间合金中纳米TiB2的质量分数为30％)，使纳米尺寸TiB2陶瓷颗粒孕育剂加入量为总合金质量的0.3％，保温20min后熔体浇注成合金铸坯，得到了纳米TiB2颗粒增强镍基铸造高温合金。
步骤8：取纳米TiB2颗粒增强镍基铸造高温合金进行固溶热处理，将其放入热处理炉中，加热到1180℃，保温5h后，空冷至室温。
对固溶热处理后的高温合金进行力学性能测试：加入质量百分数为0.01％的纳米TiB2颗粒的镍高温合金，相比没有加入纳米TiB2颗粒的试样(对比例1)，其强度明显提高，屈服提高18.5％，抗拉提高20.4％。
实施例3典型的金相组织如图4所示，枝晶间距减小，枝晶间微观偏析减轻。晶粒细化，枝晶间共晶相减少，合金组织均匀。合金的强塑性大幅提高。
本发明所述的一种用于航天航空发动机TiB2颗粒增强镍基铸造高温合金的制备方法，在镍基高温合金熔体中添加纳米TiB2铁基中间合金，得到内生纳米TiB2陶瓷颗粒孕育剂增强镍基高温合金，大幅提高了镍基高温合金屈服强度和抗拉强度
与现有技术相比，本发明所述的一种TiB2颗粒增强镍基铸造高温合金及其制备方法，通过内生添加了纳米TiB2颗粒孕育剂，以及合金中各组分的百分含量的优化，在保证镍基高温合金的成本节约下，提高其成本。本发明纳米TiB2颗粒提高铸造高温合金的的强度的制备方法，在镍基高温合金熔体中添加纳米TiB2铁基中间合金，并优化合金中各组分的百分含量，得到内生纳米TiB2陶瓷颗粒孕育剂提高合金强度，并可以适用于航天航空发动机的高温环境下的力学性能要求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种TiB2颗粒增强镍基铸造高温合金，其特征在于，所述纳米TiB2颗粒提高铸造高温合金强度的化学组成及其质量百分比为：C：≤0.10％；Cr：11.00-16.00％；Ni：34.00-45.00％；W：4.00-8.00％；Al：1.80-2.40％；Nb：3.00-5.00％；TiB2：0.01-0.30％；余量为Fe。
2.根据权利要求1所述TiB2颗粒增强镍基铸造高温合金，其特征在于，所述纳米TiB2颗粒的直径为80-200nm。
3.一种如权利要求1或2所述TiB2颗粒增强镍基铸造高温合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：按照上述质量百分比称取铬，镍，钨，铝，钛和铁，在真空环境下加热到1400-1500℃，熔炼30-50min得到熔融合金；
步骤2：向所述熔融合金中加入纳米TiB2铁基中间合金，保温10-30min后浇注成合金铸坯，得到纳米TiB2颗粒增强镍基铸造高温合金。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述纳米TiB2铁基中间合金中纳米TiB2的质量分数为20-40％，并且通过控制所述纳米TiB2铁基中间合金质量使所述纳米TiB2颗粒增强Ni基铸造高温合金中纳米TiB2的质量分数为0.01-0.30％。
5.根据权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于，所述纳米TiB2铁基中间合金的制备包括如下步骤：
步骤1：按比例称取硼粉、钛粉和铁粉并球磨混合24h；
其中，所述硼粉和钛粉的摩尔比为2:1且所述硼粉和钛粉的总质量百分比为20-40％；
步骤2：将硼粉、钛粉和铁粉的混合合金粉末制成圆柱压块，并置于石墨模具中，在真空环境下加热到1000-1400℃，保温10min后冷却至室温，得到纳米TiB2铁基中间合金。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述圆柱压块在真空环境下以30℃/min的加热速度加热到1000-1400℃。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述纳米TiB2铁基中间合金中纳米TiB2颗粒的直径为80-200nm。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，还包括步骤3：对纳米TiB2颗粒增强镍基铸造高温合金进行固溶热处理。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述固溶热处理方法为将其加热到1180-1220℃，保温5-10h后，空冷至室温。
10.一种如权利要求1或2所述TiB2颗粒增强镍基铸造高温合金在航空发动机中的应用。
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