本發(fā)明涉及合金材料的設(shè)計(jì)制造，尤其涉及一種高強(qiáng)度抗氧化高溫合金及其熱處理工藝和應(yīng)用。
背景技術(shù)：
在航空技術(shù)領(lǐng)域，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的熱部件中，葉片材料的使用條件最為苛刻。
渦輪葉片是燃?xì)廨啓C(jī)的關(guān)鍵部件，為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，必須不斷提高渦輪燃?xì)膺M(jìn)口溫度。一般葉身部分的溫度達(dá)650℃以上，甚至高達(dá)980℃，葉根部分的溫度也高達(dá)700℃以上。而且渦輪葉片承受氣動(dòng)力和離心力的作用，產(chǎn)生拉應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，同時(shí)燃?xì)饬鞯母咚倜}沖，使葉片產(chǎn)生震動(dòng)應(yīng)力。葉身部分承受的拉應(yīng)力平均為140Mpa，葉根部分承受的拉應(yīng)力達(dá)280Mpa以上，因此葉片材料要有足夠的高溫拉伸強(qiáng)度、持久強(qiáng)度和蠕變強(qiáng)度，此外還要有良好的機(jī)械疲勞、熱疲勞性能、抗氧化性能、抗熱腐蝕性能和一定的塑性。
《Ni-Cr-Al-Fe基合金粉末的高溫抗氧化行為》研究了不同元素配比對(duì)Ni-Cr-Al-Fe基合金的抗氧化性能的影響。該研究發(fā)現(xiàn)在添加釔的情況下，將鋁的含量提升至9％，可獲得在600℃下氧化的Kp為5.94×10-19mg2·cm-4·s-1的抗氧化性能。
為了進(jìn)一步增強(qiáng)此類(lèi)合金的抗氧化性能，有研究者探究了石墨的添加對(duì)合金抗氧化性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)石墨的含量增加到6.0wt.％時(shí)，Ni-Cr基合金表現(xiàn)出較好的抗氧化性，質(zhì)量增加最小。
申請(qǐng)?zhí)枮?01510579422.3的中國(guó)專(zhuān)利公布了其所得的Ni-Cr-Al-Fe基合金材料同樣具備較好的力學(xué)性能。雖然，所得合金的抗拉強(qiáng)度較好，但屈服強(qiáng)度不夠理想。
一般而言，稀土金屬(如釔)的供給常受限制，價(jià)格也較高，如何不用稀土金屬制備性能優(yōu)秀的高溫合金材料，是本領(lǐng)域人員的重點(diǎn)研究方向之一。
綜上所述，本領(lǐng)域亟待尋求一種強(qiáng)度性能優(yōu)秀、抗氧化性能更佳且制備原料易得的可用于制備渦輪葉片制備的高溫合金材料。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的之一是開(kāi)發(fā)出使用強(qiáng)度性能(主要是高溫拉伸強(qiáng)度、高溫屈服強(qiáng)度性能、高溫持久)更高、抗氧化性能更好、綜合性能更佳的高溫合金材料；本發(fā)明的另一目的是解決其有更好的使用性能的熱處理工藝；本發(fā)明還有一個(gè)目的在于提供所得合金在發(fā)動(dòng)機(jī)部件上的應(yīng)用，尤其是在渦輪葉片上的應(yīng)用。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：采用Ni-Cr-Mo-Al-Ti-B鋼基合金，其化學(xué)成分，以重量百分比計(jì)，C≤0.08；Mn≤0.10；Cr 14.0～16.0；Mo 4.5～6.0；Ti 3.35～3.65；Fe 4.0～6.0；Al 4.4～4.8；B 0.05～0.11；余量為Ni和不可避免的雜質(zhì)。
所述不可避免的雜質(zhì)包括：P≤0.04；S≤0.015；Cu≤0.1；Si≤0.15。
上述合金的熱處理工藝包括步驟：
(1)將制備得到的鍛件，于1100-1190℃下進(jìn)行固溶處理，保溫0.5-5小時(shí)，之后冷卻至室溫；
(2)于1020-1100℃下進(jìn)行中間處理，保溫0.5-5小時(shí)，之后冷卻至室溫；
(3)于800-875℃下進(jìn)行時(shí)效處理，保溫1-10小時(shí)，之后冷卻至室溫。
與申請(qǐng)?zhí)枮?01510579422.3的中國(guó)專(zhuān)利相比，本發(fā)明合金不使用稀土金屬釔，所用的原料易得。同時(shí)，本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在提高鋁的含量不足以獲得優(yōu)秀的抗氧化性能之后，通過(guò)Ti、Mo和B的共同添加，不僅使得合金的抗氧化性能得以大幅提升，更重要的是還大幅提升了合金的屈服強(qiáng)度。
目前，Ti的加入對(duì)高溫合金的抗氧化性能有何影響，尚未形成定論。如Nagelberg A S的研究表明Ti對(duì)310不銹鋼(Fe20Ni25Cr)的抗氧化性不利。
同時(shí)，對(duì)于一般的Fe-Cr-Ni-Al合金而言，加入Ti后，合金的高溫抗氧化性會(huì)降低，且Ti的含量越高，影響越大。這是因?yàn)?，加入Ti后，合金表面會(huì)形成TiO2，從而破壞了(Fe、Cr)2O3·NiO保護(hù)膜，為氧提供了擴(kuò)散通道，加劇氧化。
優(yōu)選的，步驟(1)中，固溶處理溫度為1150℃，保溫時(shí)間為1小時(shí)。
優(yōu)選的，步驟(2)中，中間處理溫度為1065℃，保溫時(shí)間為2小時(shí)。
優(yōu)選的，步驟(3)中，時(shí)效處理溫度為845℃，保溫時(shí)間為4小時(shí)。
所述冷卻的方式為空冷或水冷，優(yōu)選為空冷。
所述鍛件是將合金原料經(jīng)真空感應(yīng)爐和真空自耗重熔熔煉和精煉處理后所得。
本發(fā)明的有益效果是：
(1)本發(fā)明的合金材料具有優(yōu)異的耐高溫性能及力學(xué)性能，室溫下的抗拉強(qiáng)度σb≥950N/mm2，屈服強(qiáng)度σ0.2≥790N/mm2，伸長(zhǎng)率δ5≥4％，面縮率≥9％；高溫持久性能：應(yīng)力140Mpa、溫度980℃，抗拉強(qiáng)度σb≥550N/mm2，屈服強(qiáng)度σ0.2≥260N/mm2，伸長(zhǎng)率δ5≥16％，面縮率≥32％；
(2)本發(fā)明的合金材料具有優(yōu)異的高溫抗氧化性能，600℃下Kp可達(dá)2.32×10-20mg2·cm-4·s-1；900℃下Kp可僅為1.23×10-7mg2·cm-4·s-1；
(3)本發(fā)明的渦輪葉片材料能夠滿(mǎn)足高溫復(fù)雜工作環(huán)境的使用要求，對(duì)于提升發(fā)動(dòng)機(jī)功率，具有重要的意義，值得大規(guī)模推廣和應(yīng)用，在材料制造過(guò)程中，進(jìn)行固溶處理，使溶質(zhì)原子進(jìn)入到溶劑晶格中，使晶格產(chǎn)生畸變，使固溶體硬度和強(qiáng)度升高，強(qiáng)化渦輪片材料的韌性及抗蝕性能，消除應(yīng)力與軟化，方便后面繼續(xù)加工成型，最后對(duì)材料進(jìn)行時(shí)效處理，在強(qiáng)化相析出的溫度加熱并保溫，使強(qiáng)化相沉淀析出，得以硬化，提高渦輪葉片材料的強(qiáng)度，有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，適合推廣使用。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1
(1)按下述合金成分(質(zhì)量百分比)準(zhǔn)備原料：
C 0.08；Mn 0.1；Cr 14.0；Mo 4.5；Ti 3.35；Fe 4.0；Al 4.4；B 0.05；P≤0.04％；S≤0.015％；Cu≤0.1％；Si≤0.15％；余量為Ni。
(2)通過(guò)真空感應(yīng)爐和真空自耗重熔進(jìn)行熔煉和精煉后，獲得合金鍛件；
(3)將制備得到的鍛件，于1100℃下進(jìn)行固溶處理，保溫5小時(shí)，之后冷卻(空冷)至室溫；
(4)于1020℃下進(jìn)行中間處理，保溫5小時(shí)，之后冷卻(空冷)至室溫；
(5)于800℃下進(jìn)行時(shí)效處理，保溫10小時(shí)，之后冷卻(空冷)至室溫。
(6)利用熱鍛或熱軋工藝進(jìn)行成型處理。
實(shí)施例2
(1)按下述合金成分準(zhǔn)備原料：
C 0.05；Mn 0.08；Cr 16.0；Mo 6.0；Ti 3.65；Fe 6.0；Al 4.8；B 0.11；P≤0.04％；S≤0.015％；Cu≤0.1％；Si≤0.15％；余量為Ni。
(2)通過(guò)真空感應(yīng)爐和真空自耗重熔進(jìn)行熔煉和精煉后，獲得合金鍛件；
(3)將制備得到的鍛件，于1190℃下進(jìn)行固溶處理，保溫0.5小時(shí)，之后冷卻(空冷)至室溫；
(4)于1100℃下進(jìn)行中間處理，保溫0.5小時(shí)，之后冷卻(空冷)至室溫；
(5)于875℃下進(jìn)行時(shí)效處理，保溫1小時(shí)，之后冷卻(空冷)至室溫。
(6)利用熱鍛或熱軋工藝進(jìn)行成型處理。
實(shí)施例3
(1)按下述合金成分準(zhǔn)備原料：
C 0.03；Mn≤0.05；Cr 15.0；Mo 5.0；Ti 3.50；Fe 5.0；Al 4.5；B 0.06；P≤0.04％；S≤0.015％；Cu≤0.1％；Si≤0.15％；余量為Ni。
(2)通過(guò)真空感應(yīng)爐和真空自耗重熔進(jìn)行熔煉和精煉后，獲得合金鍛件；
(3)將制備得到的鍛件，于1150℃下進(jìn)行固溶處理，保溫1小時(shí)，之后冷卻(空冷)至室溫；
(4)于1065℃下進(jìn)行中間處理，保溫2小時(shí)，之后冷卻(空冷)至室溫；
(5)于845℃下進(jìn)行時(shí)效處理，保溫4小時(shí)，之后冷卻(空冷)至室溫。
(6)利用熱鍛或熱軋工藝進(jìn)行成型處理。
實(shí)驗(yàn)例1
對(duì)實(shí)施例1-3所得合金進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)：
室溫(25℃)的抗拉強(qiáng)度σb≥950N/mm2，屈服強(qiáng)度σ0.2≥790N/mm2，伸長(zhǎng)率δ5≥4％，面縮率≥9％；高溫持久性能：應(yīng)力140Mpa、溫度980℃，抗拉強(qiáng)度σb≥550N/mm2，屈服強(qiáng)度σ0.2≥260N/mm2，伸長(zhǎng)率δ5≥16％，面縮率≥32％。
實(shí)驗(yàn)例2
對(duì)實(shí)施例1-3所得合金在600℃和900℃下進(jìn)行Kp檢測(cè)，結(jié)果如表1所示：
表1
實(shí)驗(yàn)例3
將實(shí)施例3的合金中B的含量調(diào)高至0.13％后，所得合金在應(yīng)力140Mpa、溫度980℃條件下，抗拉強(qiáng)度σb為378N/mm2，屈服強(qiáng)度σ0.2為192N/mm2。
對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實(shí)施例的細(xì)節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。因此，無(wú)論從哪一點(diǎn)來(lái)看，均應(yīng)將實(shí)施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說(shuō)明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。不應(yīng)將權(quán)利要求中的任何標(biāo)記視為限制所涉及的權(quán)利要求。
此外，應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說(shuō)明書(shū)按照實(shí)施方式加以描述，但并非每個(gè)實(shí)施方式僅包含一個(gè)獨(dú)立的技術(shù)方案，說(shuō)明書(shū)的這種敘述方式僅僅是為清楚起見(jiàn)，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說(shuō)明書(shū)作為一個(gè)整體，各實(shí)施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實(shí)施方式。