本發(fā)明涉及一種耐磨抗蝕鎳基合金絲材及其制備方法，屬于材料加工技術(shù)領(lǐng)域。具體用于制造耐高溫磨損、抗高溫腐蝕、抗氧化的高強(qiáng)度刷絲材料。
背景技術(shù)：
刷式密封是一種用于發(fā)動機(jī)、汽輪機(jī)以及蒸汽機(jī)等透平機(jī)械關(guān)鍵部分的空氣密封裝置，主要由刷環(huán)和與其對應(yīng)配套的跑道構(gòu)成。其中，刷環(huán)主要由前板、背板及夾持在兩者之間直徑為0.06～0.3mm左右的高溫合金刷絲焊接組成，是空氣系統(tǒng)篦齒密封最好的替代結(jié)構(gòu)，其中刷絲是刷式密封裝置中最為重要的材料部分，要求刷絲在使用過程中具有很好的高溫耐磨、抗蝕、高強(qiáng)、抗氧化等性能。
在大功率透平機(jī)械中，密封泄漏是空氣動力損失的主要來源。GE和CROSS公司的報(bào)告認(rèn)為，由于密封失效導(dǎo)致的級間能量損失比例可以達(dá)到1/3，Chupp等報(bào)告密封泄漏導(dǎo)致汽輪機(jī)效率損失的比例高達(dá)22％左右，美國路易斯研究中心的報(bào)告認(rèn)為先進(jìn)的密封技術(shù)可以減少商用發(fā)動機(jī)10％的燃油消耗量。刷式密封是近幾十年發(fā)展起來的新的密封，它的泄漏量相當(dāng)于傳統(tǒng)的迷宮密封的1/5～1/10，可以顯著提高透平機(jī)械的效率和可靠性，降低燃油量，因此受到國內(nèi)外廣泛的關(guān)注。國內(nèi)外學(xué)者對刷絲材料的研究不斷的深入，研發(fā)了多種基體的刷絲材料(例如鐵基、鎳基、鈷基等)，應(yīng)用溫度范圍廣，能夠適應(yīng)不同溫度條件，應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)、發(fā)動機(jī)以及航空發(fā)動機(jī)等，大大提高了效率、降低了損耗。
國內(nèi)學(xué)者通過添加合金元素及控制其含量，研究了不同元素的作用機(jī)理，發(fā)現(xiàn)了不同的元素對應(yīng)的相應(yīng)強(qiáng)化機(jī)制，例如固溶強(qiáng)化、時效強(qiáng)化以及晶界強(qiáng)化等，大大促進(jìn)了高溫合金的應(yīng)用與發(fā)展。例如，公開號為CN 103160709 A的中國專利公開了一種合金刷絲的成分為：Cr 16～20％，Mo 2.5～3％，Co8～10％，F(xiàn)e 1～3％，Ti 0.2～1％，Al 0.4～1.5％，C 0.05～0.1％，Ni余量的鎳基高性能合金刷絲及其制備方法，具有較好的抗高溫耐磨性、抗高溫耐腐蝕性、抗氧化性和較高的強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，可以有效提高發(fā)動機(jī)刷密封的使用壽命和可靠性，該絲材生產(chǎn)工藝可控，可以批量生產(chǎn)；公開號為CN 103388091 A的中國發(fā)明專利公開了一種化學(xué)成分(wt.％)為：C 0.15～0.30％、Cr 25～30％、Mo 10～12％、Al 1.0～1.5％，其余為Ni的新型耐磨耐蝕鎳基高溫合金，在1300℃以上超高溫條件下具有較高的蠕變強(qiáng)度、良好的抗氧化腐蝕性能和優(yōu)異的耐磨損性能，有效地延長使用壽命。
另一方面通過對合金加工制備工藝的優(yōu)化改進(jìn)，改善合金的組織、降低缺陷等，并且選擇一定的熱處理工藝，從而預(yù)獲得優(yōu)質(zhì)性能的合金材料。例如，公開號為CN 104178648 A的中國發(fā)明專利公開了一種無磁耐蝕鎳鉻基軸承合金的制備方法，以添加微量元素為前提，合理控制制備工藝，制備的軸承合金，其材料純凈度高、均勻性好、品質(zhì)質(zhì)量及成材率高，降低了合金成本，并大幅提高了合金接觸疲勞壽命。
但是由于合金元素部分作用機(jī)理的尚不明確，原有的單一式加工制備工藝制造生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，微量有害元素含量不能有效控制，容易出現(xiàn)坯料斷裂、表滿毛刺嚴(yán)重、劃痕明顯、夾雜物超標(biāo)、晶粒粗大、時效硬度不足造成產(chǎn)品合格率，材料的質(zhì)量品質(zhì)不佳、可靠性降低，導(dǎo)致合金材料使用的過程中容易發(fā)生斷裂、磨損失效，嚴(yán)重影響合金的使用壽命。
綜上所述，合理的合金元素的添加及配比，與之相匹配的加工制備工藝、熱處理工藝尤為重要，需要對合金制造方法進(jìn)行合金成分的優(yōu)化以及工藝技術(shù)的創(chuàng)新與改進(jìn)，以提高材料質(zhì)量及成材率。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
技術(shù)問題：本發(fā)明目的是提供一種耐磨抗蝕鎳基合金絲材的制備方法，具有較高的成材率以及較好的抗高溫耐磨性、抗高溫耐蝕性、抗氧化性和較高強(qiáng)度的鎳基合金絲材，即選用合適的合金成分配比以及相對應(yīng)的加工制備工藝和熱處理工藝，通過對合金強(qiáng)化元素的適量添加、改進(jìn)加工制備工藝，極大的強(qiáng)化合金性能、提高組織均勻性、細(xì)化晶粒、降低缺陷、改善夾雜，提高了合金的成材率。同時，在不降低合金可塑性前提下應(yīng)盡可能的提高合金的綜合性能。因此，此發(fā)明解決的關(guān)鍵技術(shù)包括合金元素的選擇與用量，加工制備工藝的優(yōu)化和熱處理工藝的選擇。
技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所述一種耐磨抗蝕鎳基合金絲材及其制備方法，其特征在于，該合金絲的成分及其質(zhì)量百分比如下：Cr為17～21％、Co為20～25％、W為1.8～2.2％、Mo為6.4～9.5％、Al為1.4～1.8％、Ti為3.2～4.5％、Nb為0.1～0.5％、Hf為0.1～0.5％、Ta為1.2～1.8％、Re為0.03～0.06％、Ce為0.01～0.05％、C為0.02～0.1％、B為0.005～0.015％、Zr為0.02～0.07％、Mg為0.005～0.008％，Ni為余量。
該制備方法包括以下步驟：
1)將Ni、Cr、Co、W、Mo、Al、Ti、Ta、Nb、Hf、C、B、Zr、Re、Ce、Mg按照比例配料，放入熔煉爐中進(jìn)行熔煉，高溫精煉30～45min，溫度為1750～1850℃，低溫精煉15～25min，溫度為1600～1750℃，再采用重熔進(jìn)行進(jìn)一步的精煉，澆鑄成合金錠；
2)對合金錠退火后進(jìn)行鍛造、軋制，制備成合金盤條；
3)對合金盤條預(yù)處理后進(jìn)行多道次的拉拔-退火，加工成所需尺寸的合金絲；
4)對合金絲進(jìn)行固溶-時效處理。
所述的熔煉為真空感應(yīng)爐熔煉或真空電弧爐熔煉；
所述的重熔為電渣重熔、等離子重熔、電子束重熔方法中的一種；
所述的退火為均勻化退火，緩慢加熱到1000～1100℃，保溫20～50h；
所述鍛造工藝為在950～1000℃下，開坯鍛造成合金坯1，鍛造比為3～4，經(jīng)下料、氧化皮砂磨以及缺陷處理，再將合金坯在950～1050℃回火加熱1h～2h后，950～1100℃下鍛造成合金坯2，鍛造比為5～8，再在1～4的鍛造比下鍛造成合金坯3；
所述的軋制工藝為在1000～1050℃下保溫0.5～1.5h，950～1100℃下熱軋成Φ8～20mm的合金盤條；
所述的預(yù)處理為將合金盤條加熱到900～1000℃保溫1h～2h，油冷進(jìn)行軟化處理，然后在500～600℃下堿煮5～15min，接著高壓水洗，水洗后酸洗，酸洗池溫度為60～100℃，接著再超聲清洗；
所述的拉拔工藝前添加潤滑劑，再多道次拉拔加工，得到合金絲；
所述退火為在進(jìn)行6～12道次的拉拔之后要進(jìn)行真空退火，退火溫度為640～800℃；
制得的合金絲的尺寸為Φ0.05～0.4mm；
所述的固溶為加熱至950～1050℃，保溫1～2.5h，繼續(xù)加熱至1050～1100℃，保溫0.5～1h，快速水淬得到固溶態(tài)合金；
所述的時效為加熱至780～850℃下，保溫3～8h，空冷，再加熱至680～720℃下，保溫20～30h，空冷。
有益效果：本發(fā)明的有益效果如下：
1)該鎳基合金絲具有抗高溫耐蝕性、抗氧化性和較高強(qiáng)度。采用高達(dá)20～25％Co含量，對基體產(chǎn)生固溶強(qiáng)化效果，同時降低基體層錯能，提高了合金的蠕變強(qiáng)度和持久強(qiáng)度；同時高達(dá)17～21％Cr含量以保持更好的抗氧化腐蝕性；添加W和Mo，對基體產(chǎn)生固溶強(qiáng)化，提高γ′相穩(wěn)定以及溶解溫度；控制Al和Ti含量保持在1:3左右，總量控制在4～8％，在充分起到時效強(qiáng)化效果的同時，控制γ′相的數(shù)量不超過50％，提高組織穩(wěn)定性，減少有害相的析出；同時Nb和Ta的少量添加，提高了γ′相的固溶溫度，降低Ti樹枝狀偏析的影響；C、B、Zr、Re、Ce、Mg晶界強(qiáng)化元素的微量添加，大大提高了合金絲材的強(qiáng)度與性能，部分元素如B和合金中的P對晶界強(qiáng)化的相互正交作用，稀土元素Ce的加入促進(jìn)Cr2O3膜的形成，增加膜中Cr2O3的含量，改善氧化腐蝕性能，同時在合金冶煉過程中良好的脫氧去氣效果；
2)該合金絲有害雜質(zhì)低，內(nèi)部缺陷少，有效降低有害碳化物的析出與偏聚。改進(jìn)合金熔煉工藝，采用真空高溫精煉去除和降低有害雜質(zhì)、真空低溫精煉降低氣體含量，提高合金的純凈度及可塑性。增加電渣重熔或等離子重熔或電子束重熔，改傳統(tǒng)的單聯(lián)冶金為熔煉+重熔雙聯(lián)冶金，合金中的非金屬夾雜、氣體和硫含硫量顯著減少，合金純度進(jìn)一步提高，力學(xué)性能得到很大的改善；
3)該合金鍛造過程表面裂紋少，塑性好，成材率高。改傳統(tǒng)單一自由鍛造為組合式多次鍛造避免了裂紋產(chǎn)生的隨機(jī)性，合理控制鍛造比，鍛造成功率大幅提高，表面裂紋減少，改善碳化物分布，破碎細(xì)化組織，提高鍛造件的品質(zhì)。一方面起機(jī)械破碎作用，消除初生粗大樹枝狀組織，改善鑄態(tài)組織；另一方面則產(chǎn)生形變再結(jié)晶過程，新晶粒在原始粗大晶界處重新形核、長大，使晶粒細(xì)化。同時高達(dá)20～25％Co，明顯的改善了合金的塑性和熱加工性能；
4)該合金絲晶粒細(xì)小均勻，組織均勻，合金中γ′相體積分?jǐn)?shù)較高，顆粒尺寸合適。采用分級固溶處理，在γ′相溶解溫度1080℃以下固溶一段時間，使合金成分均勻化，從而有利于進(jìn)一步提高合金初融溫度，γ′相部分未溶解，抑制晶粒長大，然后繼續(xù)提高固溶溫度和適當(dāng)降低固溶時間，使合金成分分布更為均勻。采用分級時效處理，一次時效在較高溫度下進(jìn)行，析出碳化物M23C6、硼化物M3B2強(qiáng)化晶界，控制一次γ′析出相的大小，減輕服役過程中合金析出相的粗化，二次時效溫度較低，進(jìn)一步調(diào)整強(qiáng)化相的大小、數(shù)量和分布，合金中既有粗大的γ′相又有細(xì)小的γ′相彌散析出，使合金具有最佳的綜合性能。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1
一種耐磨抗蝕鎳基合金絲材，該合金絲材的成分及其質(zhì)量百分比為：Cr20％，Co20％，W2％，Mo7％，Al1.6％，Ti3.6％，Ta1.5％，Nb0.4％，C0.07％，B0.01％，Zr0.04％，Re0.05％，Hf 0.3％，Ce0.02％，Mg0.006％，Ni為余量，尺寸為Φ0.2mm。
上述耐磨抗蝕鎳基合金絲材的制備方法步驟如下：
1)稱取Ni錠16.202kg、Cr錠10kg、Co錠9.675kg、W20Mo70Ni10(其中，W的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為20％，Mo的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70％，Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10％)錠5kg、Ni80Al20(其中，Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80％，Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20％)錠4kg、Ni50Ti50(其中。Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50％，Ti的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50％)錠3.6kg、Co65Re5Hf30(其中，Co的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65％，Re的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5％，Hf的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30％)錠0.5kg、Ta粉0.75kg放入50kg真空感應(yīng)爐中進(jìn)行熔煉，熔煉溫度為1750～1850℃，精煉35min；然后在充入10kPa氬，添加微量0.2kgNb、0.035kgC、0.005kgB、0.02kgZr、0.01kgCe、0.003kgMg攪拌熔化，1550～1650℃下，第二次精煉20分鐘，去除有害雜質(zhì)、降低氣體含量和非金屬夾雜，在真空下靜置澆鑄成合金電極棒；將電極棒進(jìn)行表面砂磨或車削去皮處理，進(jìn)行電渣重熔，降低合金中夾雜物及元素偏析等冶金缺陷。
2)對合金錠進(jìn)行鍛造、軋制：
首先對電渣重熔合金錠進(jìn)行均勻化退火，緩慢加熱到1050℃，保溫25h。然后在950～1000℃下，開坯鍛造成合金坯，隨后進(jìn)行下料、砂磨去氧化皮及缺陷砂磨精整處理，再將合金坯回爐1050℃左右保溫2h，在950～1100℃再次鍛造。再進(jìn)行軋制，在1050℃溫度下保溫1h，950～1100℃下熱軋成Φ12mm的合金盤條；
3)對合金盤條進(jìn)行拉拔-退火：
將合金盤條加熱到950保溫1h，油冷進(jìn)行軟化處理，然后在500℃下堿煮10min，接著高壓水洗，水洗后酸洗，酸洗池溫度為60～100℃，接著采用丙酮對合金盤條進(jìn)行超聲清洗，添加潤滑劑，進(jìn)行多道次拉拔加工，每經(jīng)6～12道次拉拔后要進(jìn)行真空退火，退火溫度為750℃，總共經(jīng)過50道次的拉拔得到Φ0.2mm的合金絲；
4)對合金絲進(jìn)行固溶-時效處理：
將合金絲加熱至1050℃，保溫1h，繼續(xù)加熱至1100℃，保溫2h，快速水淬得到固溶態(tài)合金。接著將固溶態(tài)合金，加熱至800℃下，保溫5h，空冷，再加熱至710℃，保溫22h，空冷后即得所述的合金刷絲。
實(shí)施例2
一種耐磨抗蝕鎳基合金絲材，該合金絲材的成分及其質(zhì)量百分比為：Cr18％，Co 21％，W 1.9％，Mo7.4％，Al 1.7％，Ti 3.4％，Ta 1.5％，Nb 0.4％，C 0.07％，B 0.01％，Zr 0.04％，Re 0.05％，Hf 0.4％，Ce 0.02％，Mg 0.006％，Ni為余量，尺寸為Φ0.15mm。
上述耐磨抗蝕鎳基合金絲材的制備方法步驟如下：
1)稱取Ni錠16.852kg、Cr錠9kg、Co錠9.675kg、W19Mo74Ni7(其中，W的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為19％，Mo的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為74％，Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7％)錠5kg、Ni80Al20(其中，Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80％，Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20％)錠4.25kg、Ni50Ti50(其中，Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50％，Ti的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50％)錠3.4kg、Co65Re5Hf30(其中，Co的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65％，Re的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5％，Hf的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30％)錠0.5kg、Ta粉0.75kg放入50kg真空感應(yīng)爐中進(jìn)行熔煉，熔煉溫度為1750～1850℃，精煉30min；然后在充入12kPa氬，添加微量0.2kgNb、0.035kgC、0.005kgB、0.02kgZr、0.01kgCe、0.003kgMg攪拌熔化，1550～1650℃下，第二次精煉25min，去除有害雜質(zhì)、降低氣體含量和非金屬夾雜，在真空下靜置澆鑄成合金棒；將電極棒進(jìn)行表面砂磨或車削去皮處理，進(jìn)行電子束重熔，降低合金中夾雜物及元素偏析等冶金缺陷，進(jìn)一步提高合金性能；
2)對合金錠進(jìn)行鍛造、軋制：
首先對電渣重熔合金錠進(jìn)行均勻化退火，緩慢加熱到1000℃，保溫30h。然后在950～1000℃下，開坯鍛造成合金坯，隨后進(jìn)行下料、砂磨去氧化皮及缺陷砂磨精整處理，再將合金坯回爐1050℃左右保溫1h，在950～1100℃再次鍛造。再進(jìn)行軋制，在1050℃溫度下保溫0.5h，950～1100℃下熱軋成Φ10mm的合金盤條；
3)對合金盤條進(jìn)行拉拔-退火：
將合金盤條加熱到980保溫1h，油冷進(jìn)行軟化處理，然后在500℃下堿煮10min，接著高壓水洗，水洗后酸洗，酸洗池溫度為60～100℃，接著采用丙酮對合金盤條進(jìn)行超聲清洗，添加潤滑劑，進(jìn)行多道次拉拔加工，每經(jīng)6～12道次拉拔后要進(jìn)行真空退火，退火溫度為780℃，總共經(jīng)過50道次的拉拔得到Φ0.15mm的合金絲
4)對合金絲進(jìn)行固溶-時效處理：
將合金絲加熱至1020℃，保溫2h，繼續(xù)加熱至1120℃，保溫0.5h，快速水淬得到固溶態(tài)合金。接著將固溶態(tài)合金，加熱至780℃，保溫7h，空冷，再加熱至680℃，保溫28h，空冷后即得所述的合金刷絲。
實(shí)施例3
一種耐磨抗蝕鎳基合金絲材，該合金絲材的成分及其質(zhì)量百分比為：Cr 17％，Co 22％，W 1.8％，Mo 8％，Al 1.8％，Ti 3.2％，Ta 1.6％，Nb 0.5％，C 0.08％，B 0.01％，Zr 0.06％，Re 0.06％，Hf 0.4％，Ce 0.04％，Mg 0.007％，Ni為余量，尺寸為Φ0.1mm。
上述耐磨抗蝕鎳基合金絲材的制備方法步驟如下：
1)稱取Ni錠17.3215kg、Cr錠8.5kg、Co錠10.73kg、W18Mo80Ni2(其中，W的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為18％，Mo的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80％，Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2％)錠5kg、Ni80Al20(其中，Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80％，Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20％)錠4.5kg、Ni50Ti50(其中，Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50％，Ti的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50％)錠3.2kg、Co54Re6Hf40(其中，Co的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為54％，Re的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6％，Hf的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40％)錠0.5kg、Ta粉0.8kg放入50kg真空電弧爐中進(jìn)行熔煉，熔煉溫度為1750～1850℃，精煉30min；然后在充入12kPa氬，添加微量0.25kgNb、0.04kgC、0.005kgB、0.03kgZr、0.02kgCe、0.0035kgMg攪拌熔化，1600～1650℃下，第二次精煉23min，去除有害雜質(zhì)、降低氣體含量和非金屬夾雜，在真空下靜置澆鑄成合金棒；將電極棒進(jìn)行表面砂磨或車削去皮處理，進(jìn)行等離子重熔，降低合金中夾雜物及元素偏析等冶金缺陷，進(jìn)一步提高合金性能；
2)對合金錠進(jìn)行鍛造、軋制：
首先對電渣重熔合金錠進(jìn)行均勻化退火，緩慢加熱到1070℃，保溫25h。然后在950～1000℃下，開坯鍛造成合金坯，隨后進(jìn)行下料、砂磨去氧化皮及缺陷砂磨精整處理，再將合金坯回爐950℃左右保溫2h，在950～1000℃再次鍛造。鍛造后進(jìn)行軋制，在1000℃溫度下保溫1.5h，1050～1100℃下熱軋成Φ10mm的合金盤條；
3)對合金盤條進(jìn)行拉拔-退火：
將合金盤條加熱到960℃保溫1h，油冷進(jìn)行軟化處理，然后在450℃下堿煮10min，接著高壓水洗，水洗后酸洗，酸洗池溫度為60～100℃，接著采用丙酮對合金盤條進(jìn)行超聲清洗，添加潤滑劑，進(jìn)行多道次拉拔加工，每經(jīng)6～12道次拉拔后要進(jìn)行真空退火，退火溫度為760℃，總共經(jīng)過50道次的拉拔得到Φ0.1mm的合金絲
4)對合金絲進(jìn)行固溶-時效處理：
將合金絲加熱至980℃，保溫2.5h，繼續(xù)加熱至1100℃，保溫1h，快速水淬得到固溶態(tài)合金。接著將固溶態(tài)合金，加熱至830℃，保溫4h，空冷，再加熱至700℃，保溫25h，空冷后即得所述的合金刷絲。
上述實(shí)施方式只是本發(fā)明的幾個實(shí)例，不是用來限制本發(fā)明的實(shí)施與權(quán)力范圍，凡依據(jù)本發(fā)明申請專利保護(hù)范圍所述的內(nèi)容作出的等效變化和修飾，均應(yīng)包括在本發(fā)明申請專利范圍內(nèi)。