專利名稱：一種鎳基合金及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在高溫下具有較高強(qiáng)度、耐磨性和抗氧化性能的鎳基合金及其制造方法。
背景技術(shù)：
本發(fā)明所涉及的材料是用于制造用于高溫(750°C )、高速(100米/秒)、高壓、低滯后的新型先進(jìn)刷式密封。目前應(yīng)用的主要密封裝置包括迷宮密封、蜂窩密封和刷式密封。迷宮密封原理是通過(guò)多次節(jié)流膨脹產(chǎn)生阻尼效果，減少蒸汽沿軸向泄漏，但由于齒問(wèn)是環(huán)形腔室，環(huán)向流動(dòng)大大減少了渦流降速的效果，另外因汽封齒數(shù)設(shè)置受軸向長(zhǎng)度的限制，且為避免動(dòng)靜碰磨損傷汽封間隙設(shè)置較大，因而迷宮密封泄漏量較大。蜂窩密封是一種密封效果優(yōu)良的可磨耗的密封結(jié)構(gòu)，由高溫合金蜂窩與背板組成。其密封上的蜂窩帶，不僅能耐高溫、而且質(zhì)地軟，與轉(zhuǎn)子表面磨擦?xí)r，對(duì)轉(zhuǎn)子無(wú)損害，不足之處是易結(jié)垢。刷式密封是一種柔性密封，其主要部件刷絲是一束捆扎在一起的高密集度、按一定方向排列的圓截面直徑細(xì)金屬絲。刷絲的自由端與軸接觸，另一端與圓環(huán)固定在一起。刷式密封技術(shù)已在許多先進(jìn)的工業(yè)用燃?xì)廨啓C(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)和汽輪機(jī)中得到應(yīng)用。在工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)方面，采用刷式替代迷宮密封，可顯著降低泄漏損失，而費(fèi)用比改造其他硬件要少得多。在發(fā)動(dòng)機(jī)中，只將一處或幾處關(guān)鍵部位的迷宮密封用刷式密封代替，就可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)推力1_3%，降低耗油率3-5%。刷式密封技術(shù)的關(guān)鍵之一是刷絲材料的制作，它的性能是決定刷密封性能的關(guān)鍵因素。刷式密封材料在高溫高速下同轉(zhuǎn)子涂層配合時(shí)，應(yīng)具有高溫下較高的強(qiáng)度、耐磨性和抗氧化性能。耐磨性的好壞取決于合金的抗氧化性，即氧化膜的形態(tài)。因此，刷絲合金的高溫抗氧化性能是選擇合金的重要標(biāo)準(zhǔn)。
目前國(guó)內(nèi)外較常見(jiàn)的刷絲材料是鈷基高溫合金或鎳基高溫合金，主要牌號(hào)有HS25、Inconel718、HS242、HS214、MA754、H230 合金。HS25 合金是一種 Co、Cr、N1、W 基高溫合金，由于HS25在高溫情況下形成不穩(wěn)定的Cr2O3膜，這層膜并不能產(chǎn)生阻礙進(jìn)一步擴(kuò)散的作用，因此其抗氧化性較差。同時(shí)當(dāng)溫度在400°C以上時(shí)，由于合金組織結(jié)構(gòu)的變化，摩擦系數(shù)會(huì)大幅度的增加，因此，HS25刷絲合金僅適用于低溫低表面速度的條件。Inconel718合金是沉淀強(qiáng)化N1-Cr基高溫合金，使用溫度可達(dá)704°C，但在704°C以上，沉淀強(qiáng)化相溶解，合金強(qiáng)度急劇下降，因此也只能在此溫度以下使用；與肥25相似，Inconel718合金也只是形成不穩(wěn)定的Cr2O3膜，因此其抗氧化性能也較差。HS242、HS214和MA754合金都是N1-Cr基高溫合金，在650°C條件下測(cè)量摩擦系數(shù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)HS214合金絲打火；H242合金刷絲與其它涂層之間的摩擦系數(shù)較高，影響了其作為刷絲合金的應(yīng)用；MA754合金刷絲有過(guò)度磨損現(xiàn)象，不適用于制造高溫合金刷絲。H230合金是N1-Cr-W-Co基高溫合金，在測(cè)量摩擦系數(shù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到50h后，刷絲也開(kāi)始打火。因此，目前常用刷絲合金使用溫度一般在700°C以下，滿足不了新型刷式密封750°C的使用要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是研制出一種高溫強(qiáng)度、耐磨性和抗氧化性能均較好的鎳基材料，通過(guò)合金成分設(shè)計(jì)和必要的冶金手段制備出一種在750°C使用溫度下具有高強(qiáng)度、高耐磨性、高溫抗氧化性以及高平直度的刷絲材料，以滿足制造新型刷式密封的要求。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下:本發(fā)明合金成分采用如下設(shè)計(jì)思路:以高溫綜合性能較好的Ni基合金為基礎(chǔ)，為提高其高溫抗氧化性能，添加Al元素，使合金在高溫下形成致密堅(jiān)韌的Cr2O3和Al2O3氧化膜；同時(shí)添加一定量的稀土元素，作為氧活性元素改善合金氧化膜穩(wěn)定性。添加Cr、Co、Mo等元素發(fā)揮固溶強(qiáng)化作用；同時(shí)合理添加一定量的Mg元素，Mg作為一種變質(zhì)劑，能有效地改變碳化物的形態(tài)，把條狀碳化物變?yōu)轭w粒狀，從而改善合金的力學(xué)性能，因此，如何確定元素種類及含量是本發(fā)明的特征之一。其具體化學(xué)成分重量百分比為:C ≤ 0.15%, Co 5.0 10.0%, Cr 19.0 25.0%, Mo 2.0 5.0%, Al 2.0
7.0%，RE(稀土)0.01 0.2%，F(xiàn)e ≤5.0%，Mg 0.01 0.1%，余 Ni。本發(fā)明合金采用如下生產(chǎn)工藝:采用真空感應(yīng)爐加電渣重熔冶煉，以充分降低和去除合金中的氣體和夾雜物含量。冶煉后的合金采用常規(guī)金屬壓延技術(shù)，加工中的軟化溫度為1000 1200°C。刷式密封用刷絲材料規(guī)格一般小于Φ0.2mm。由于該合金變形抗力大，冷拔過(guò)程中，變形量過(guò)大時(shí)極易出現(xiàn)裂紋，所以應(yīng)嚴(yán)格控制冷拔道次，變形量應(yīng)控制在60%以下，熱處理溫度應(yīng)控制在1050-1200°C之間；另外，為了保證刷絲排列緊密整齊，這就要求成品絲在自由狀態(tài)下呈直線型，本發(fā)明在成品前采用了消除應(yīng)力的熱張力退火處理工藝方法，保證了成品絲的平直性及綜合性能。熱張力退火技術(shù)雖然在板帶生產(chǎn)中得以廣泛應(yīng)用，但在絲材尤其是極細(xì)絲生產(chǎn)中應(yīng)用非常少。本發(fā)明合金成品絲材直徑僅為0.08mm,如何保證熱處理后成品的平直度是本發(fā)明合金絲材的關(guān)鍵技術(shù)，因此，如何確定合理的張力和退火溫度及速度也是本發(fā)明的特征之一。其具體生產(chǎn)工藝為:(I)真空感應(yīng)加電渣重熔或真空感應(yīng)加真空白耗熔煉鑄錠；(2)鍛造、熱軋:在1050-1250°C溫度下鍛造和熱軋到Φ8-Φ 15mm ；(3)冷拔、熱處理:冷拔變形量控制在10-60%之間；熱處理溫度在1050-1200°C之間；(4)成品絲熱張力退火:溫度:750-1050°C ;速度:30_70m / min ;張力:< 5N。采用上述方法生產(chǎn)的合金絲材在816°C下的抗拉強(qiáng)度大于727MPa ；750°C時(shí)摩擦系數(shù)小于0.25 ;在750°C、528小時(shí)內(nèi)的氧化速度小于0.00071g/(m2.h) ο本發(fā)明的貢獻(xiàn)在于:通過(guò)在鎳基合金中加入Co、Cr、Mo、Al、Mg等元素及微量的稀土元素，并配之以合理的制造工藝，使合金的冷熱加工性能、高溫強(qiáng)度尤其是高溫抗氧化性能等均得到提高。并通過(guò)采用熱張力退火工藝保證極細(xì)絲的平直型性要求。本發(fā)明合金在750°C時(shí)具有高強(qiáng)度、高耐磨性、高溫抗氧化性以及高平直度，滿足制造新型刷式密封刷絲材料的要求。下面通過(guò)實(shí)施例具體說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案。實(shí)施例1:
合金具體化學(xué)成分(wt%)為:C:0.03%, Si:0.03%, Mn:0.74%, Cr:20.33%,Al:3.86%, Co:8.06%, Mo:3.09%, RE:0.07%, Fe:0.20%, Mg:0.015%, P:< 0.01 %, S:0.0030%，余 Ni。在真空感應(yīng)爐中進(jìn)行冶煉，澆鑄成Φ90πιπι圓鋼錠做電極棒，再用電渣重熔的方法冶煉成80Kg圓鋼錠。鋼錠鍛成902mm方還后,經(jīng)熱軋成Φ8ι πι盤條,然后進(jìn)行冷拔。冷拔時(shí)，每道次變形量控制在40%左右，中間回復(fù)再結(jié)晶退火溫度為1100°C。最終冷拔到Φ0.08mm，再進(jìn)行熱張力退火，退火溫度為750°C;速度為50m/min ;張力為3N。即制得所需產(chǎn)品。合金絲的彎曲度為3.8mm/m。合金在538°C和816°C時(shí)抗拉強(qiáng)度分別為900MPa和730MPa，Φ0.08mm成品室溫時(shí)抗拉強(qiáng)度為1572MPa，在750°C條件下通過(guò)與含有氟化鋇、氟化鈣的碳化鉻進(jìn)行摩擦實(shí)驗(yàn)，測(cè)得其摩擦系數(shù)為0.24。

合金絲材在750°C條件下進(jìn)行了不同時(shí)間的抗氧化性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間96h時(shí)氧化速率為 0.000272g/ (m2.h)，192h 時(shí)為 0.000654g/ (m2.h)，288h 時(shí)為 0.000441g/ (m2.h)，432h 時(shí)為 0.000294g/(m2.h)，528h 時(shí)為 0.000237g/(m2.h)。實(shí)施例2:合金具體化學(xué)成分(wt%)為:C:0.05%,Si:0.07%,Mn:0.72%,Cr:20.28%,Al:4.24%, Co:8.01%，Mo:3.04%，RE:0.13%，F(xiàn)e:0.61%，Mg:0.01%, P:< 0.01%, S:0.0019%，余 Ni。在真空感應(yīng)爐中進(jìn)行冶煉，澆鑄成Φ90πιπι圓鋼錠做電極棒，再用真空白耗的方法冶煉成70Kg圓鋼錠。鋼錠鍛成9021111]1方還后，經(jīng)熱軋成Φ8ι πι盤條,然后進(jìn)行冷拔。冷拔時(shí)，每道次變形量控制在45%左右，中間回復(fù)再結(jié)晶退火溫度為1050°C。最終冷拔到Φ0.08mm，再進(jìn)行熱張力退火，退火溫度為850°C;速度為60m / min ;張力為3N。即制得所需產(chǎn)品。合金絲的彎曲度為3.6mm / m。合金在538°C和816°C時(shí)抗拉強(qiáng)度分別為880MPa和725MPa。Φ0.08mm成品室溫時(shí)抗拉強(qiáng)度為1490MPa。在750° C條件下通過(guò)與含有氟化鋇、氟化鈣的碳化鉻進(jìn)行摩擦實(shí)驗(yàn)，測(cè)得其摩擦系數(shù)為0.23。在750°C條件下進(jìn)行了不同時(shí)間的抗氧化性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間96h時(shí)氧化速率為 0.000263g/(m2.h)，192h 時(shí)為 0.000707g / (m2.h)，288h 時(shí)為 0.000435g /(m2.h)，432h 時(shí)為 0.000302g / (m2.h)，528h 時(shí)為 0.000228g/(m2.h)。實(shí)施例3:合金具體化學(xué)成分(wt%)為:C:0.04%, Si:0.05%, Mn:0.71%, Cr:22%,Al:4.2%，Co:9%，Mo:3.4%, RE:0.08%, Fe:2.20%, Mg:0.02%, P:<0.01%, S:0.0030%，余 Ni。在真空感應(yīng)爐中進(jìn)行冶煉，澆鑄成Φ 90mm圓鋼錠做電極棒，再用電渣重熔的方法冶煉成80Kg圓鋼錠。鋼錠鍛成902臟方還后，經(jīng)熱軋成Φ8ι πι盤條,然后進(jìn)行冷拔。冷拔時(shí)，每道次變形量控制在50%左右，中間回復(fù)再結(jié)晶退火溫度為1100°C。最終冷拔到Φ0.08mm，再進(jìn)行熱張力退火，退火溫度為900°C;速度為65m / min ;張力為3N。即制得所需產(chǎn)品。合金絲的彎曲度為3.3mm / m。合金在538°C和816°C時(shí)抗拉強(qiáng)度分別為890MPa和715MPa，Φ0.08mm成品室溫時(shí)抗拉強(qiáng)度為1495MPa，在750°C條件下通過(guò)與含有氟化鋇、氟化鈣的碳化鉻進(jìn)行摩擦實(shí)驗(yàn)，測(cè)得其摩擦系數(shù)為0.23。合金絲材在750°C條件下進(jìn)行了不同時(shí)間的抗氧化性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間96h時(shí)氧化速率為 0.000261g / (m2 *h)，192h 時(shí)為 0.000685g/ (m2 *h)，288h 時(shí)為 0.000462g /(m2.h)，432h 時(shí)為 0.000305g / (m2.h)，528h 時(shí)為 0.000248g/ (m2.h)。實(shí)施例4:合金具體化學(xué)成分(wt%)為:C:0.035%，S1:0.042%, Mn:0.75%, Cr:21%,Al:4.5%, Co:8.5%, Mo:2.8%, RE:0.1 %, Fe:4.10 %, Mg:0.025 %, P: < 0.01 %, S:
0.0030%，余 Ni。在真空感應(yīng)爐中進(jìn)行冶煉，澆鑄成Φ 90mm圓鋼錠做電極棒，再用電渣重熔的方法冶煉成80Kg圓鋼錠。鋼錠鍛成902臟方還后，經(jīng)熱軋成Φ8ι πι盤條,然后進(jìn)行冷拔。冷拔時(shí)，每道次變形量控制在55%左右，中間回復(fù)再結(jié)晶退火溫度為1100°C。最終冷拔到Φ0.08mm，再進(jìn)行熱張力退火，退火溫度為950°C;速度為65m/m·in;張力為3N。即制得所需產(chǎn)品。合金絲的彎曲度為3.6mm / m。合金在538°C和816°C時(shí)抗拉強(qiáng)度分別為885MPa和718MPa，Φ0.08mm成品室溫時(shí)抗拉強(qiáng)度為1483MPa，在750°C條件下通過(guò)與含有氟化鋇、氟化鈣的碳化鉻進(jìn)行摩擦實(shí)驗(yàn)，測(cè)得其摩擦系數(shù)為0.25。合金絲材在750°C條件下進(jìn)行了不同時(shí)間的抗氧化性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間96h時(shí)氧化速率為 0.000285g/ (m2 *h)，192h 時(shí)為 0.000634g / (m2 *h)，288h 時(shí)為 0.000435g/(m2.h)，432h 時(shí)為 0.000284g/(m2.h)，528h 時(shí)為 0.000241g/(m2.h) 實(shí)施例合金性能檢測(cè)結(jié)果與國(guó)內(nèi)外常用刷絲材料合金高溫強(qiáng)度及摩擦系數(shù)對(duì)比如表1、表2所不。表I本發(fā)明合金與常用刷絲材料合金高溫強(qiáng)度對(duì)比
權(quán)利要求
1.一種具有較高強(qiáng)度、耐磨性和抗氧化性能的鎳基合金，其特征在于:化學(xué)成分(wt%)*C<0.15%，Co5.0 10.0%，Crl9.0 25.0%，Μο2.0 5.0%，Α12.0 7.0%,RE(稀土)0.01 0.2%，F(xiàn)e 彡 5.0%, Mg0.01 0.1%，余 Ni。
2.一種制造權(quán)利要求1所述合金的生產(chǎn)方法，采用真空感應(yīng)爐加電渣重熔冶煉，及常規(guī)的金屬壓延技術(shù)，并通過(guò)采用熱張力退火工藝保證極細(xì)絲的平直型性要求，其特征在于:熱張力退火溫度為750-1050°C，退火速度為30-70m/min，張力< 5N。
3.—種權(quán)利要求1所述的合金，采用權(quán)利要求2所述的生產(chǎn)方法，制成的絲材特征在于:在816°C下的抗拉強(qiáng)度大于715MPa ;750°C時(shí)摩擦系數(shù)小于0.25 ;在750°C、528小時(shí)內(nèi)的氧化速度小于0.00071 g / (m2.h)，極細(xì)絲材熱處理后彎曲度小于4mm/m。
全文摘要
本發(fā)明提供一種具有較高高溫強(qiáng)度、耐磨性和抗氧化性能的鎳基合金及其生產(chǎn)方法，其化學(xué)成分(wt％)為C≤0.15％，Co 5.0～10.0％，Cr 19.0～25.0％，Mo 2.0～5.0％，Al 2.0～7.0％，RE(稀土) 0.01～0.2％，F(xiàn)e≤5.0％，Mg 0.01～0.1％，余Ni。在鎳基合金中加入Co、Cr、Mo、Al、Mg等元素及微量的稀土元素，通過(guò)與之匹配的制造工藝，使合金的冷熱加工性能、高溫強(qiáng)度、摩擦系數(shù)、高溫抗氧化性等綜合性能得到提高；并通過(guò)采用熱張力退火工藝保證極細(xì)絲的平直型性要求。本發(fā)明合金在750℃時(shí)具有高強(qiáng)度、高耐磨性、高溫抗氧化性以及高平直度，滿足制造新型刷式密封刷絲材料的要求。
文檔編號(hào)C22F1/00GK103160710SQ20121045867
公開(kāi)日2013年6月19日 申請(qǐng)日期2012年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月15日
發(fā)明者章清泉, 胡博煒, 李振瑞, 吳會(huì)云, 李明揚(yáng), 曹宇, 牛永吉 申請(qǐng)人:北京北冶功能材料有限公司