一種增加硼元素含量的k4169高溫合金的制作方法
【專利摘要】一種增加硼元素含量的K4169高溫合金，通過增加硼元素的含量使K4169高溫合金的流動性提高30％以上。其中C為0.056％，Ni為52.54％，Cr為19.15％，Mo為3.11％，Al為0.61％，Ti為0.94％，B為0.0037～0.0070％，Zr為0.028％，Nb為5.03％，Ta為0.05％，Si為0.043％，Mn為0.0035％，S為0.0018％，P為0.0015％，雜質(zhì)≤0.01％，余量為Fe；所述百分比均為質(zhì)量百分比。
【專利說明】—種增加硼元素含量的K4169高溫合金
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及高溫合金鑄造領(lǐng)域，具體是增加并控制微量元素硼提高K4169高溫合金的流動性。
【背景技術(shù)】
[0002]高溫合金廣泛運用于航天航空領(lǐng)域，不僅可以用于制造發(fā)動機的渦輪盤，合金葉片及各種結(jié)構(gòu)件，而且其大型結(jié)構(gòu)鑄件也大量運用于航空發(fā)動機。K4169(國外合金牌號為ΙΝ718)高溫合金的產(chǎn)量已經(jīng)達到所有高溫合金年總產(chǎn)量的50%以上，特別適合于鑄造650°C以下工作的宇航用發(fā)動機葉輪、導向環(huán)、擴壓器、機匣及其它結(jié)構(gòu)件。隨著科技的進步，航空工業(yè)正朝著高性能低成本方向發(fā)展，大型薄壁鑄件代替組裝件的造價和性能上的優(yōu)勢使得其應用日益廣泛。但是，為了保證大型復雜薄壁鑄件的成形，避免出現(xiàn)欠澆，常采用高的澆注溫度，導致晶粒粗大、疏松嚴重、斷面柱晶比例大、合金熔體與模殼反應加重等問題，成為航空工業(yè)急需解決的重要問題。如果通過改變合金的成分提高流動性，就可實現(xiàn)在低的澆注溫度下鑄件成型，間接起到組織細化的作用。
[0003]提高高溫合金熔體的流動性是改善大型復雜薄壁鑄件成形質(zhì)量的有效方法之一。以前關(guān)于流動性的實驗研究大都集中于鋁、鎂合金，對于提高高溫合金的流動性的研究很少。因此,隨著高溫合金薄壁鑄件的需求增加,探索通過添加微量元素改變高溫合金的流動性在高溫合金鑄造上的應用是十分必要的。目前，現(xiàn)有技術(shù)中經(jīng)常采用高的澆注溫度、高的模殼溫度提高合金的流動性，但是高的澆注溫度和高的模殼溫度會使合金凝固后的晶粒組織變大，從而降低合金的力學性能。向合金中添加稀土元素可以提高合金的流動性，但高溫合金對成分要求很嚴格，其組織和力學性能對成分變化十分敏感，那些在其它合金中被廣泛使用的有效的稀土元素對高溫合金起不到作用。
[0004]經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的文獻檢索發(fā)現(xiàn):文獻“W.Qudong, L.Yizhen等人在Materials Science and Engineering A271 (1999)發(fā)表的 “Study on the fluidity ofAZ91 +xREmagnesium alloy”公開了稀土元素對AZ91鎂合金流動性的影響。該文獻只是研究了鎂合金的流動性，并沒有涉及到高溫合金的流動性。
[0005]中國專利號為ZL200610025394在AZ91D合金基礎(chǔ)上添加Ca/Sr/混合稀土等元素改性，提高合金的流動性，但是稀土元素價格昂貴，大幅度提高了合金的制造成本，并且該專利只適用于鎂合金。
[0006]文獻“郭建亭在2008年科學出版社出版的高溫合金材料學上冊中提到C元素可以提高高溫合金的流動性，但在鑄造高溫合金中碳的百分含量為0.05左右，如果再提高碳的含量就會降低合金的機械性能?，F(xiàn)有的高溫合金中，很多都含有微量的硼。在K4169高溫合金中，硼元素的質(zhì)量百分比為0.0026左右。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的流動性差的不足，本發(fā)明提出了一種增加硼元素含量的K4169高溫合金。
[0008]所述K4169高溫合金中 C 為 0.056%,Ni 為 52.54%，Cr 為 19.15%,Mo 為 3.11 %，Al 為 0.61%，Ti 為 0.94%, B 為 0.0037 ~0.0070%, Zr 為 0.028%, Nb 為 5.03%, Ta 為0.05%,Si 為 0.043%,Mn 為 0.0035%，S 為 0.0018%，P 為 0.0015%，雜質(zhì)≤ 0.01%，余量
為Fe ;所述百分比均為質(zhì)量百分比。
[0009]本發(fā)明通過增加硼元素的含量提高K4169高溫合金的流動性。合金的流動性是通過螺旋型流動性測試模型進行測定的，以測定澆注的液態(tài)高溫合金在模型中流動后凝固的長度表征合金的流動性。如圖2所示為本發(fā)明不同含量的硼對K4169高溫合金流動性測試的實物圖?？梢钥闯?，當硼的質(zhì)量百分含量在0.0037~0.007范圍時，使K4169高溫合金的流動性提高了 30%以上(詳見表5)。由于合金流動性的提高，其顯微疏松也明顯減少。當硼的質(zhì)量百分比為0.0059的顯微疏松(圖4)比K4169合金(圖3)減少了 74%。
[0010]合金的凝固區(qū)間是與流動性有直接關(guān)聯(lián)的凝固參數(shù)，Y相是K4169高溫合金的基體相，占有很大的體積分數(shù)，故選定Y相初始熔化溫度為固相線，而不選擇與補縮相關(guān)的凝固后期的共晶溫度，因此合金的液相線與Y相的初始熔化溫度之間的溫度間隔對合金的流動性有很大的影響。增加微量的元素硼對合金的液相線溫度影響不大，對Y相的初始熔化溫度呈先增加后減小的趨勢(圖4)。當硼的質(zhì)量百分比從0.0026增加到0.0070時，溫度間隔先減小后增大，當硼的質(zhì)量百分比為0.0059時，凝固溫度間隔為31°C。增加硼的含量可以減小該溫度間隔，使合金的流動性提高。
[0011]硼在高溫合金偏析到晶界，是合金最后凝固的區(qū)域。當增加微量的硼可以形成少量的低熔點相，使合金在同一溫度下的剩余液相體積分數(shù)增大，從而使合金的流動性提高。當合金液的溫度從1350°c降低到1290°c時，各成分合金的剩余液相分數(shù)在不斷地減少，同時合金的剩余液相分數(shù)隨著硼含量的增加而增加(圖5)。K4169高溫合金為寬結(jié)晶溫度間隔凝固合金，當凝固后的固相體積分數(shù)為25~50%時，液態(tài)合金就停止流動了。所以在相同溫度下，剩余液相越多合金的流動性越好。
[0012]由于K4169高溫合金的組織和力學性能對成分變化十分敏感，如果通過改變調(diào)整主要元素來提高合金的流動性會使合金的力學性能降低。硼是高溫合金中應用最廣泛的微合金化元素。硼對合金的持久、蠕變性能影響最明顯，通常有一個最佳的范圍。硼可在晶界偏聚引起晶界結(jié)合力增加，提高斷裂強度，消耗或減少晶界析出團塊，通過位置競爭減少如硫等有害元素在晶界上的含量并改善晶界處的滑移和位錯攀移以防止裂紋的產(chǎn)生。同時，當硼的含量超過一定值時，合金中會出現(xiàn)對性能有害的硼化物共晶。因此，本發(fā)明通過增加微量的硼，在不降低合金力學性能的前提下使K4169高溫合金的流動性提高30%以上。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是不同含量的硼對K4169合金流動性影響的實物圖；其中，圖1a是現(xiàn)有的K4169合金試樣；圖1b是硼的質(zhì)量百分比為0.0037時K4169合金試樣；圖1c是硼的質(zhì)量百分比為0.0048時K4169合金試樣；圖1d是硼的質(zhì)量百分比為0.0059時K4169合金試樣；圖1e是硼的質(zhì)量百分比為0.0070時K4169合金試樣。
[0014]圖2是現(xiàn)有的K4169合金顯微疏松圖。
[0015]圖3是硼的質(zhì)量百分比為0.0059對K4169合金顯微疏松的影響。[0016]圖4是不同含量的硼對K4169合金的DSC曲線的影響；其中，曲線I是硼的質(zhì)量百分比為0.0059時DSC曲線圖；曲線2是現(xiàn)有的K4169合金的DSC曲線圖；曲線3是硼的質(zhì)量百分比為0.0048時DSC曲線圖；曲線4是硼的質(zhì)量百分比為0.0070時DSC曲線圖；曲線5是硼的質(zhì)量百分比為0.0037時DSC曲線圖。
[0017]圖5是不同含量的硼對K4169合金在不同溫度下的剩余液相分數(shù)的影響；曲線6是硼的質(zhì)量百分比為0.0070時剩余液相分數(shù)圖；曲線7是硼的質(zhì)量百分比為0.0059時剩余液相分數(shù)圖；曲線8是硼的質(zhì)量百分比為0.0048時剩余液相分數(shù)圖；曲線9是硼的質(zhì)量百分比為0.0037時剩余液相分數(shù)圖；曲線10是現(xiàn)有的K4169合金的剩余液相分數(shù)圖。
【具體實施方式】
[0018]實施例1
[0019]本實例是一種能夠提高K4169高溫合金流動性的配方，其組分如表1所示:
[0020]表1
[0021]
【權(quán)利要求】
1.一種增加硼元素含量的K4169高溫合金，其特征在于，所述K4169高溫合金中C為 0.056%, Ni 為 52.54 %，Cr 為 19.15 %，Mo 為 3.11 %，Al 為 0.61 %，Ti 為 0.94 %，B為 0.0037 ~0.0070%, Zr 為 0.028%, Nb 為 5.03%, Ta 為 0.05%, Si 為 0.043%, Mn 為`0.0035%, S為0.0018%, P為0.0015%，雜質(zhì)≤0.01%，余量為Fe ;所述百分比均為質(zhì)量百分比。
【文檔編號】C22C19/05GK103924124SQ201410162882
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月21日
【發(fā)明者】黃太文, 介子奇, 張軍, 劉林, 張琰斌, 周偉, 傅恒志 申請人:西北工業(yè)大學