發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪用ods高溫合金材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于高溫合金領(lǐng)域，具體為一種高溫合金及其制備方法，主要適用于發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪用添加復(fù)合氧化物納米顆粒的ODS高溫合金材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]高溫合金是指以鐵、鉆、鎳為基，能在600°C以上高溫下服役而研制的一類金屬材料。高溫合金為單一的奧氏體基體組織，擁有較高的高溫強(qiáng)度、抗氧化和抗腐蝕性能，具有良好的組織穩(wěn)定性和使用可靠性，又稱熱強(qiáng)合金和熱穩(wěn)定性高溫合金，國(guó)外常稱之為超合金(Superalloy)。
[0003]高溫合金按照合金成分、組織和成型工藝不同可以有不同的分類方法。按基體元素分類，主要有鎳基高溫合金、鉆基高溫合金和鐵基高溫合金，此外還另有一個(gè)分支鎳一鐵基高溫合金。按制備工藝分，可以分為變形高溫合金、鑄造高溫合金和粉末高溫合金。按強(qiáng)化方式分類可以分為固溶強(qiáng)化合金和時(shí)效沉淀強(qiáng)化型合金，不同強(qiáng)化型合金有不同的熱處理制度。
[0004]高溫合金的發(fā)展動(dòng)力來(lái)源于高溫燃?xì)廨啓C(jī)的需要，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，尤其是航空發(fā)動(dòng)機(jī)推力及效率的日益增長(zhǎng)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度的不斷提高，這就要求材料必須具備更高的耐一溫能力。在發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中，部件往往要遭受氧化及各種腐蝕，因此，要求使用的材料要具有優(yōu)異的抗氧化及抗熱腐蝕能力。隨著冶煉、加工、防護(hù)等工藝技術(shù)的進(jìn)步，高溫合金的研宄與應(yīng)用步入了蓬勃的發(fā)展和應(yīng)用時(shí)期。利用高溫合金高強(qiáng)度性能、高溫耐磨和耐腐蝕性能，目前高溫合金除在航空、航天領(lǐng)域應(yīng)用外，還廣泛的應(yīng)用于原子能、能源動(dòng)力、交通運(yùn)輸、石油化工、礦山冶金、玻璃建材、造紙制漿和海水作業(yè)等領(lǐng)域，己成為衡量一個(gè)國(guó)家金屬材料發(fā)展水平的主要標(biāo)志之一。
[0005]高溫合金的發(fā)展與航空發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)步密切相關(guān)。從20世紀(jì)30年代后期起，英、德、美等國(guó)家就開(kāi)始研宄高溫合金。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展與高溫合金發(fā)展是齊頭并進(jìn)、密不可分的，前者是后者的主要?jiǎng)恿?，后者是前者的重要保證。占據(jù)著航空發(fā)動(dòng)機(jī)中溫度最高，應(yīng)力最復(fù)雜的位置的鑄造渦輪葉片合金發(fā)展尤其是這樣。40年代初，在英國(guó)由于當(dāng)時(shí)Whittle噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的出現(xiàn)，要求比奧氏體不銹鋼蠕變性能更好的板材和棒材。英國(guó)Mond公司(現(xiàn)稱國(guó)際鎳公司)1941年生產(chǎn)了加入少了 C和Ti的Nimonic75合金，用作短時(shí)使用的葉片材料，后來(lái)加入Al并增加Ti含量，不久發(fā)展了 NimoniC80合金，并在1942年成功地用作渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片材料，這是最早發(fā)展的以N1: (Al，Ti)強(qiáng)化的渦輪葉片材料。此后該公司又在合金中加入B，并調(diào)整Al、Ti含量，開(kāi)發(fā)成功Nimonic80A合金，為進(jìn)一步改善婦變和持久性能，以C。替代基體中的部分Ni，發(fā)展了 Nimonic90合金，又加入Mo得到NimonielOO等合金，形成Nimonie系統(tǒng)。
[0006]我國(guó)從1956年成功地熔煉出第一爐GH4030合金開(kāi)始，上個(gè)世紀(jì)60年代相繼研制了 GH4037、K406等。通過(guò)近60年的發(fā)展，抗氧化高溫合金的研制和開(kāi)發(fā)目前主要集中在鎳基或鐵基高溫合金上。其發(fā)展的歷程與國(guó)際接軌，即遵從變形合金、鑄造合金和定向單晶合金的發(fā)展道路，使中國(guó)成為繼美、蘇、英之后第四個(gè)在世界上形成獨(dú)立高溫合金體系的國(guó)家。
[0007]作為固定葉片和連接葉片與渦輪軸的核心部件，渦輪盤的可靠性和使用性能至關(guān)重要，這就對(duì)渦輪盤的生產(chǎn)，尤其是熱加工提出了極高的要求。為提高合金的承溫能力，目前采用降低Cr、提高難熔元素總量(W，Nb，Ta，Re，Mo等)和沉淀強(qiáng)化相γ '含量的合金設(shè)計(jì)方法。隨著渦輪盤的合金化程度不斷提高，嚴(yán)重的偏析使熱加工性能惡化，低周疲勞性能降低，疲勞裂紋容易擴(kuò)展。
[0008]氧化物彌散強(qiáng)化(Oxide Dispers1n Strengthened，ODS)高溫合金是將細(xì)小的氧化物顆粒彌散分布于基體合金中，實(shí)現(xiàn)彌散強(qiáng)化的一種粉末高溫合金，是高溫合金的一個(gè)重要發(fā)展方向。常用的氧化物是活潑金屬的氧化物，如Y203、！1!02等，它們具有高硬度和良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，其強(qiáng)化效果可以維持到接近合金熔點(diǎn)溫度(0.9Tm)，這些超細(xì)的氧化物是高溫下強(qiáng)化基體的最佳彌散相。
[0009]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的在于提供發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪用添加復(fù)合氧化物納米顆粒的ODS高溫合金材料及其制備方法，具有優(yōu)異的可加工性能和高的承溫能力，能滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)渦輪盤材料的需要。
[0011]本發(fā)明的技術(shù)方案完整一體，每個(gè)參數(shù)均是經(jīng)過(guò)嚴(yán)格控制，使得產(chǎn)品質(zhì)量得到保證。
[0012]為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:一種發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪用添加復(fù)合氧化物納米顆粒的ODS高溫合金材料，所述高溫合金材料的成分按重量百分比計(jì)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%，F(xiàn)e:5.0-9.2%，B: 1.0-1.1%，Co:6.7-8.2%，Zr:0.12-0.18%，Nb:1.12-1.38%，復(fù)合氧化物Y-T1-O納米顆粒:1.2-2.8%，余量為Ni及不可避免的雜質(zhì)。
[0013]進(jìn)一步地，所述的復(fù)合氧化物Y-T1-O納米顆粒為Υ2??207和/或Υ2??05納米顆粒，納米顆粒大小為10-100nm。
[0014]更進(jìn)一步地，上述發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪用高溫合金材料的制造方法，包括以下步驟:
(1)原料準(zhǔn)備:通過(guò)計(jì)算將權(quán)利要求1所述的添加復(fù)合氧化物納米顆粒的ODS高溫合金材料中除了復(fù)合氧化物Y-T1-O納米顆粒以外的合金成分進(jìn)行配料；
(2)熔煉電極棒，將原料進(jìn)行熔煉控制真空度0.05-0.2Pa，原料全部熔化后保持熔煉功率不變35-40分鐘；提高真空度至0.001-0.0lPa，在1620°C -1640°C精煉10-15分鐘，調(diào)整成分使其符合要求，然后調(diào)整至1530-1580°C澆注成自耗電極棒；
(3)電渣重熔:電渣重熔的渣料配比按重量份為:CaF2:45-55%, A1203:18-23% ；Ca0:
15.5-18% ；Si02:16.5-19.2%，將上述渣料加熱至熔融狀態(tài)，倒入結(jié)晶器中，結(jié)晶器和底板均用水冷卻，將步驟2中制備的自耗電極棒緩慢下降到熔融的電渣重熔的渣料中，通電起弧后，調(diào)整重熔電壓至35-65V、電流3000-8000A ;自耗電極棒受電阻熱緩慢熔化，熔化后的自耗電極棒液滴穿過(guò)熔融的渣料層與渣料發(fā)生反應(yīng)而得到提純，并在結(jié)晶器的底部重新結(jié)晶，得到組織致密、均勻、純凈，表面光潔的電渣錠； (4)將電渣錠制成高溫合金粉末；
(5)將復(fù)合氧化物Y-T1-O納米顆粒與步驟4制得的高溫合金粉末進(jìn)行球磨，制得ODS高溫合金粉末；球磨條件:在氬氣氣氛保護(hù)下，以每分鐘750?1200轉(zhuǎn)的速度球磨，球磨時(shí)間48-120小時(shí)，球磨介質(zhì):不銹鋼球，球料比為5:1?20:1。
[0015](6)熱等靜壓制備塊體ODS高溫合金，先將制得的ODS高溫合金粉末裝入包套中，對(duì)包套抽真空后進(jìn)行封焊處理，設(shè)置真空度小于10_3Pa ;然后將裝有ODS高溫合金粉末的包套放入熱等靜壓設(shè)備中進(jìn)行熱壓處理，得到塊體ODS高溫合金；熱等靜壓工藝條件:溫度為900°C?1300°C，壓力為100?200MPa，處理時(shí)間I?4小時(shí)；
(7)熱處理:對(duì)第(6)步制得的坯料進(jìn)行固溶處理，將坯料加熱到1100-1200°C保溫9-12小時(shí)，然后進(jìn)行空冷，然后再進(jìn)行分段時(shí)效處理:第一階段時(shí)效處理:將坯料放入熱處理加熱裝置中，由室溫升溫至900-1000°C進(jìn)行保溫處理，保溫時(shí)間為12-28h，以30°C /min冷卻到720-800°C進(jìn)行第二階段時(shí)效處理:在720-800°C保溫時(shí)間24_36h，以20°C /min冷卻到650-700°C進(jìn)行第三階段時(shí)效處理:在650-700°C保溫10_12h，最后將坯料空冷至室溫。
[0016]通過(guò)上述方法制得的坯料在1000 °C的抗拉強(qiáng)度為820MPa以上，屈服強(qiáng)度為660MPa以上，延伸率為20%以上。
[0017]本發(fā)明的效果在于:
本發(fā)明的高溫合金材料，具有優(yōu)良的可加工性能和優(yōu)異的高溫性能，尤其具有優(yōu)異的室溫至高