[发明专利]一种高温合金材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高温合金材料，尤其涉及一种用于使用温度不高于815℃的航空发动机部件的Ni-Co-Cr系高温合金材料及其制备方法。

背景技术

高温合金材料是现代发动机涡轮叶片必须的重要材料，而航空发动机用涡轮叶片材料的使用温度每年以约8℃的速度稳定增长，高温合金的发展目标就是要提高使用温度以满足发动机效率和推力不断提出的要求。

航空发动机部件的工作环境对材料提出了苛刻的使用要求。首先是高温，航空喷气发动机从压气机到尾喷管，各零部件在一定温度下工作，有些零件要在800℃以上的条件下长期工作。其次是高应力，一些高温部件，由于震动、气流的冲刷，特别是旋转造成的离心作用，将承受较大的应力，如涡轮叶片的应力可达300～409Mpa。再次是氧化和腐蚀等化学作用，燃气中存在大量的氧、水气，并存在SO₂、H₂S等腐蚀性气体，都对高温零件起氧化和腐蚀作用。而且，随着航空燃气涡轮发动机的发展，推重比的增加，发动机部件的工作环境日益苛刻，以涡轮进口温度为例，现役机种为1600K左右，在研机种达到1850～1950K，预研机种将高达2250～2350K。发展更高推重比的燃气涡轮发动机，首要任务是研制使用性能优异的高温材料。

航空发动机对高温材料的基本要求主要是：

1、较高的热稳定性，即高温下的抗腐蚀(主要是抗氧化)能力；

2、高的热强度；

3、良好的工艺性能。

Ni基高温合金是一种在650～1000℃范围内具有较高的强度和良好的抗氧化、抗燃气腐蚀能力的高温合金，其化学成分复杂，对成分含量的控制尤为苛刻，特别是一些杂质元素，一般要求控制其含量在数个ppm之下，因此电渣重熔技术就成为制备高温合金的关键精炼工艺之一，它是制约合金纯净度的核心工序。电渣重熔是利用电流通过熔渣所产生的热进行金属精炼的方法。预先将被熔炼的金属制成电极，当电流通过电极与水冷结晶器之间时，可使熔渣产生高温，按一定的速度将金属电极送入熔渣，在其中逐步熔化、沉积、凝固而成铸锭。熔化过程中，金属熔液被熔渣有效净化。在金属凝固过程中，能造成有利的结晶方向，使铸件的性能有很大提高。

发明内容

本发明提供一种用作航空发动机部件的高温合金材料，能够满足航空发动机部件在其工作环境下的使用要求。

本发明提供的高温合金材料的成分按重量百分比计包括：

C：0.02～0.10，Cr：18.0～21.0，Mo：3.50～5.00，Co：12.0～15.0，Ti：2.75～3.25，Al：1.20～1.60，Zr：0.02～0.08，B：0.003～0.010，余量是Ni及不可避免的杂质；

所述杂质成分的组成及含量(重量百分比计)为：P≤0.015，S≤0.015，Fe≤2.00，Si≤0.15，Mn≤0.10，Cu≤0.10，Pb≤0.0005，Bi≤0.00003，Se≤0.0003，Ag≤0.0005。

本发明提供的高温合金材料的制备方法包括以下步骤：

(1)按配比取所需成分加入真空感应炉中，抽真空至0.1Pa，在温度为1440～1460℃下熔炼成合金熔液，将合金熔液浇注在模具中，然后随炉冷却至室温即得到合金材料铸件；

(2)将步骤(1)中得到的铸件作为自耗电极，将自耗电极缓慢下降并插入电渣炉中，通电起弧后，调节重熔电压和重熔电流，自耗电极的端部缓慢熔融形成金属熔滴，熔滴从自耗电极的端头脱落，穿过渣池进入金属熔池，在水冷结晶器的强制冷却下形成重熔电渣锭；

(3)将电渣锭加热至1160～1180℃，保温2～3小时后锻造成钢棒，将锻造成的钢棒空冷至室温，将所得钢棒表面车光处理后得到成品合金材料。

优选的是，所述重熔电压为54-58V，重熔电流为6700-7300A。

优选的是，所述水冷结晶器的强制冷却温度为45-50℃。

优选的是，所述锻造使用的设备是2000MN压机和3/4T电液锤中的一种。

本发明提供的高温合金材料进行力学性能测试前的热处理方法包括以下步骤：

(a)将合金材料加热到1000-1040℃，保温4小时后水冷至室温；

(b)将步骤(a)得到的合金材料加热到835-855℃，保温4小时后空冷至室温；

(c)将步骤(b)得到的合金材料加热到750-770℃，保温16小时后空冷至室温。

本发明的技术效果：