專利名稱：一種高溫模具用鎳基鑄造高溫合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種高溫模具用鎳基鑄造高溫合金，屬金屬材料領(lǐng)域背景技術(shù)等溫變形是高溫結(jié)構(gòu)材料制件的主要成型工藝，而等溫鍛造工藝的關(guān)鍵技術(shù)之一是模具材料。鎳基粉末高溫合金，如Rene′95、Rene′88DT、CH-98等合金的變形溫度都在1050℃以上，而更先進(jìn)的金屬間化合物(TiAl等)的變形溫度在1100℃以上，所以對1050℃以上溫度使用的等溫鍛造模具材料的研究與應(yīng)用是國內(nèi)外相關(guān)專業(yè)共同關(guān)心的方向。
國內(nèi)外研究開發(fā)了大量的高溫合金模具，使用溫度在1000℃以下的有歐美的IN100、MAR-M-200、X-40、Udimet 700、Inconel713C合金，俄羅斯的ЖС6К、ЖС6У、ИЩB-1、ИЩB-2、Л114合金以及中國的K3、K465合金等。對于使用溫度在1000℃以上的高溫模具材料，歐美采用鉬基合金，其變形溫度可達(dá)到1200℃[4]，應(yīng)變速率為10-3-10-2s-1，已經(jīng)批量生產(chǎn)以IN100、Rene′95、Rene′88DT鎳基合金為主的渦輪盤。但鉬基合金(TZM)模具要求真空條件，需要建立完善的全封閉等溫鍛造設(shè)備，投資巨大。據(jù)稱，俄羅斯采用1050-1200℃大氣下使用的模具材料，但具體的合金成分以及高溫力學(xué)性能未見報道，如ИЩB-31合金，使用溫度達(dá)1080℃，該溫度下的平均氧化速率為0.14g/m2·h；而ИЩB-17合金的使用溫度達(dá)1150℃，該溫度下的平均氧化速率為0.24g/m2·h，其模具用于制造ЗП975合金粉末盤。國內(nèi)目前只有K21合金的使用溫度能超過1000℃，在大氣下使用，其極限使用溫度為1050℃。
目前我國先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)均采用粉末渦輪盤路線，國內(nèi)第二代粉末合金FGH96的變形溫度為1070℃左右，同時由于全封閉等溫鍛設(shè)備造價昂貴，不適合我國國情，因此急需1050℃以上大氣下使用的高溫模具材料，以滿足大直徑粉末渦輪盤等溫鍛造的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的正是針對上述情況，設(shè)計提供了一種能在1050-1100℃大氣下使用的高溫模具材料，同時具有優(yōu)越的高溫強(qiáng)度、抗氧化性能和熱疲勞性能，以滿足粉末鎳基渦輪盤以及更先進(jìn)的金屬間化合物(TiAl等)等溫成形的需要。
對高溫模具材料而言，最主要的性能是高溫強(qiáng)度和高溫抗氧化性能，其次熱疲勞性能也很重要，同時還應(yīng)具備良好的加工成形工藝性能。針對上述目的，本發(fā)明的主要技術(shù)方案是采取復(fù)雜合金化，難熔元素總量達(dá)到20wt％左右，加入Cr、Ta、Y等對抗氧化性能有益的元素，以便使合金具有良好的綜合性能。
本發(fā)明技術(shù)方案是通過以下措施來實(shí)現(xiàn)的該種高溫模具用鎳基鑄造高溫合金，其特征在于其合金的化學(xué)成分及其質(zhì)量百分比為Co 9.0～12.0％；Al 5.0～6.5％；Cr 2.5～3.5％；Ti0.5～1.5％；W 13.0～14.5％；Mo 1.5～2.5％；Nb 0.8～1.5％；Ta 2.0～5.0％；Hf 0.3～1.5％；C 0.07～0.18％；B 0.01～0.02％；Y≤0.01％，余量為鎳。在此基礎(chǔ)上，該合金中難熔元素W、Mo、Nb、Ta的質(zhì)量百分比之和W+Mo+Nb+Ta為18％≤W+Mo+Nb+Ta≤23％。
該合金的顯微組織主要由γ、γ′、MC以及極少量初生M6C相組成。在上述成分中，Mo、W、Nb、Ta等高熔點(diǎn)元素固溶強(qiáng)化基體γ相和γ′相；Al、Ti、Nb、Ta、Hf等形成γ′相及少量的碳化物進(jìn)行第二相強(qiáng)化；C、B等元素進(jìn)行晶界強(qiáng)化；Al、Cr是最重要的抗氧化元素；同時添加微量Y以細(xì)化組織和改善抗氧化性能；Ta不但對改善抗氧化性能也很有益處，而且能夠改善MC碳化物的形態(tài)；適量Hf的存在有利于改善合金鑄造工藝性能；Co對抑制大塊初生M6C相有利，能改善合金的顯微組織，同時對鑄造性能和疲勞性能也有好處。
通過試驗(yàn)研究表明，在上述成分范圍內(nèi)該合金具有良好的綜合性能。該合金1050℃拉伸屈服強(qiáng)度在500MPa左右，延伸率在4％以上；1100℃拉伸屈服強(qiáng)度也達(dá)到390MPa，均明顯高于K21合金(1050℃拉伸屈服強(qiáng)度418MPa，1100℃時為330MPa)；該合金1050℃壓縮屈服強(qiáng)度達(dá)690MPa，1100℃壓縮屈服強(qiáng)度為600MPa，遠(yuǎn)高于K21合金；該合金具有良好的高溫持久性能，1100℃/70MPa下的持久壽命為200h左右，比K21合金(1100℃/70MPa下的持久壽命為100小時左右)幾乎高出一倍；該合金高溫抗氧化性能優(yōu)越，按照HB5258-2000的規(guī)定，該合金1050℃抗氧化性能達(dá)到完全抗氧化級，1100℃抗氧化性能為抗氧化級，而K21合金1050℃抗氧化性能為抗氧化級，因此該合金1050℃抗氧化性能比K21合金的高一個數(shù)量級；該合金的1050℃熱疲勞性能也明顯優(yōu)于K21合金。此外，該合金高溫組織穩(wěn)定性良好，并具有良好的鑄造工藝性能和加工性能。因此該合金是適合于1050～1100℃大氣下使用的模具材料，其使用溫度比國內(nèi)目前使用溫度最高的模具材料K21合金高約50℃，是一種很有前途的高溫模具材料。
具體實(shí)施例方式
該種高溫模具用鎳基鑄造高溫合金的化學(xué)成分及其質(zhì)量百分比為Co9.0～12.0％；Al 5.0～6.5％；Cr 2.5～3.5％；Ti 0.5～1.5％；W 13.0～14.5％；Mo 1.5～2.5％；Nb 0.8～1.5％；Ta 2.0～5.0％；Hf 0.3～1.5％；C 0.07～0.18％；B 0.01～0.02％；Y 0.001～0.01％，余量為鎳。具體方案如表一所示。并將上述高溫模具材料命名為DMO2合金。
表1本發(fā)明DMO2合金實(shí)施方案及對比合金K21的化學(xué)成分(wt％)

采用雙真空感應(yīng)法冶煉，首先采用真空感應(yīng)熔煉爐冶煉成分合格的母合金，該過程需要經(jīng)過熔化——精煉——降溫——合金化——澆注五步驟完成。在熔化步驟中，鎳、鈷、鉬、鎢、鈮、鉭、鉻、碳直接裝入坩堝，化清后精煉30min以上，精煉結(jié)束后強(qiáng)烈攪拌熔池，然后停電降溫結(jié)膜；再通電，加入鋁、鈦，熔煉5分鐘后進(jìn)行攪拌，再加入硼鐵、釔和鉿熔煉5分鐘后進(jìn)行攪拌，促進(jìn)成分的均勻化。最后，停電降溫，當(dāng)熔池溫度達(dá)到澆注溫度后，即可進(jìn)行澆注，澆注應(yīng)帶電并通過過濾器進(jìn)行。母合金成分合格后，采用熔模鑄造或消失模法在真空感應(yīng)熔煉爐內(nèi)鑄造成模具或其它高溫結(jié)構(gòu)件。
采用上述工藝，在真空感應(yīng)爐上冶煉澆注了7爐本發(fā)明技術(shù)方案所述合金。各爐合金的1050℃拉伸性能如表2所示，1050℃靜態(tài)抗氧化性能如

圖1所示。為了對比，在相同條件下還冶煉了一爐K21合金，其化學(xué)成分和有關(guān)性能也分別列于表1、表2和圖1。
表2本發(fā)明DMO2合金及對比合金K21的1050℃高溫瞬時拉伸性能

從表1、表2可見，W、C、Al、Cr、Ta含量的變化使本發(fā)明DMO2合金的1050℃高溫拉伸性能有一些波動，拉伸強(qiáng)度在540～590MPa之間變化，屈服強(qiáng)度在470～515MPa之間變化，延伸率為4.0％～6.5％。難熔元素含量過高或γ′主要形成元素Al含量偏低都使本發(fā)明DMO2合金的高溫拉伸性能略有下降，這說明強(qiáng)化過度或不足對合金的高溫強(qiáng)度都不利。但無論在何種情況下，本發(fā)明DMO2合金的1050℃高溫拉伸性能都明顯優(yōu)于K21合金，拉伸強(qiáng)度σb和屈服強(qiáng)度σ0.2都比K21合金的至少高50MPa以上，高溫塑性也明顯優(yōu)于K21合金。對于最佳成分的DMO2合金，其1050℃瞬時拉伸強(qiáng)度σb達(dá)到590MPa，屈服強(qiáng)度σ0.2達(dá)到515MPa，分別比K21合金的高100MPa左右；同時該合金的延伸率也達(dá)到6.0％，明顯高于K21合金的。
從圖1可見，在本合金金成份范圍內(nèi)，Al、Cr、Ta含量的變化對DMO2合金的1050℃靜態(tài)抗氧化性能影響很小，五種成分的DMO2合金的氧化性能相當(dāng)，都是在氧化25h后氧化增重緩慢，氧化100h后的最終增重為1.00～1.21mg/cm2。而K21合金在1050℃氧化25h后氧化增重就達(dá)到2.50mg/cm2，其后氧化增重仍增長較快，氧化100h后其增重達(dá)到3.57mg/cm2，為DMO2合金的3倍以上。因此DMO2合金的1050℃抗氧化性能明顯優(yōu)于K21合金。
綜上所述，DMO2合金的綜合性能，明顯優(yōu)于國內(nèi)目前使用溫度最高的模具材料K21合金。是一種很有前途的1050～1100℃大氣下使用的高溫模具材料。
權(quán)利要求
1.一種高溫模具用鎳基鑄造高溫合金，其特征在于該合金的化學(xué)成分及其質(zhì)量百分比為Co 9.0～12.0％；Al 5.0～6.5％；Cr 2.5～3.5％；Ti 0.5～1.5％；W 13.0～14.5％；Mo 1.5～2.5％；Nb 0.8～1.5％；Ta 2.0～5.0％；Hf 0.3～1.5％；C 0.07～0.18％；B 0.01～0.02％；Y≤0.01％；余量為鎳。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫模具用鎳基鑄造高溫合金，其特征在于該合金中Ta的質(zhì)量百分比為2.5％～4.5％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫模具用鎳基鑄造高溫合金，其特征在于該合金中Hf的質(zhì)量百分比為0.3％～1.0％。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫模具用鎳基鑄造高溫合金，其特征在于該合金中Y的質(zhì)量百分比為0.001～0.01％。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫模具用鎳基鑄造高溫合金，其特征在于該合金中難熔元素W、Mo、Nb、Ta的質(zhì)量百分比之和W+Mo+Nb+Ta為18％≤W+Mo+Nb+Ta≤23％。
全文摘要
本發(fā)明是一種高溫模具用鎳基鑄造高溫合金，其特征在于該合金的化學(xué)成分及其質(zhì)量百分比為Co 9.0～12.0％；Al 5.0～6.5％；Cr 2.5～3.5％；Ti 0.5～1.5％；W 13.0～14.5％；Mo 1.5～2.5％；Nb 0.8～1.5％；Ta 2.0～5.0％；Hf 0.3～1.5％；C 0.07～0.18％；B 0.01～0.02％；Y≤0.01％，余量為鎳，本發(fā)明技術(shù)方案所述高溫模具用鎳基鑄造高溫合金不僅具有良好的高溫強(qiáng)度和塑性，而且具有優(yōu)越的高溫抗氧化性能、熱疲勞性能以及良好的高溫組織穩(wěn)定性，同時加工成型性能優(yōu)良，可用作大型高溫模具或其它高溫結(jié)構(gòu)材料。
文檔編號C22C19/05GK1718803SQ20051008401
公開日2006年1月11日 申請日期2005年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月15日
發(fā)明者肖程波, 宋盡霞, 韓雅芳, 李青, 王定剛, 余乾, 曲士昱 申請人:中國航空工業(yè)第一集團(tuán)公司北京航空材料研究院