一种高温条件下硬度高、比屈服强度高的铸造合金及其制备方法与流程

1.本发明涉及合金技术，尤其涉及一种高温条件下硬度高、比屈服强度高的铸造合金及其制备方法。


背景技术：

2.高温合金材料是重要的关键战略材料和典型的军民融合材料，其质量和性能直接影响甚至决定了航空航天、舰船、电力等先进装备的性能。我国高温合金材料经历了从无到有、从小到大的发展过程，也经历了从跟踪仿制、改进改型到自主创新研制的不同发展阶段。但目前我国高温合金性能水平仍然较低、质量稳定性差，成本高，自主保障能力较差，超过40％的高温合金依赖进口，航空发动机用高温合金比发达国家贵50％以上。高温合金材料是支撑和保障“制造强国”、“军民融合”等国家重大战略的关键核心材料，但当前发达国家禁止高等级高温合金材料出口，致使高温合金材料成为我国“两机工程”的卡脖子问题，严重影响着国家安全。
3.当前ni基高温合金在航空发动机及工业燃气轮机的服役温度已达合金熔点的80％，达到其服役温度的极限。通常情况下，ni基高温合金在温度超过650℃左右时，硬度及屈服强度开始急遽下降，因为在此温度下合金中的γ
″
强化相逐渐转变为有害的δ相，高温热稳定性较差，在800℃以上时，其具有较低的硬度及屈服强度值。此外，ni基高温合金具有较高的密度，一般在8.2g/cm3以上，导致ni基高温合金的比屈服强度较低。
4.为节能减排，以及满足新一代燃气轮机及高推重比航空发动机在更高温度的服役要求，亟需一种高温条件下硬度高、比屈服强度高的铸造合金。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于，针对目前ni基高温合金在650℃以上的高温硬度低，高温比屈服强度低，抗高温软化能力差，无法满足高温度服役要求的问题，提出一种高温条件下硬度高、比屈服强度高的铸造合金，该铸造合金具有密度低(比ni基高温合金低约22％)、高温硬度高，高温比屈服强度高、抗高温软化能力好的特点。
6.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种高温条件下硬度高、比屈服强度高的铸造合金，包括摩尔配比如下的各组分：
[0007][0008]
进一步地，所述高温条件下硬度高、比屈服强度高的铸造合金，包括摩尔配比如下的各组分：
[0009][0010]
进一步地，所述ni、cr、al和ti均选用纯度为99.5wt％以上的工业级纯原料。
[0011]
进一步地，所述高温条件下硬度高、比屈服强度高的铸造合金，还包括摩尔配比如下的组分：v 22-36份，优选为v 22-24份，更优选为v 32份。所述v选用纯度为99.5wt％以上的工业级纯原料。
[0012]
进一步地，所述高温条件是指600～1100℃。
[0013]
本发明的另一个目的还公开了一种高温条件下硬度高、比屈服强度高的铸造合金的制备方法，包括以下步骤：将各组分原材料混合后，采用真空磁悬浮熔炼炉进行真空磁悬熔炼，获得高温条件下硬度高、比屈服强度高的铸造合金。
[0014]
进一步地，所述各组分原材料的放置顺序为al置于最下面，ti和cr放置于中间，ni放置于最上面。
[0015]
进一步地，所述真空磁悬浮熔炼炉的工作条件为抽真空至10pa以下，开分子泵抽真空至3
×
10-3
pa以下，充氩气至(3～5)
×
102pa。
[0016]
进一步地，所述真空磁悬浮熔炼包括以下步骤：开“控制电源启停”，检查设备有无报警，若无报警，将料置于炉内，al置于最下面，ti和cr放置于中间，ni放置于最上面，关闭炉盖，锁紧锁扣，抽真空至10pa以下，开分子泵抽真空至3
×
10-3
pa以下，充氩气至(3～5)
×
102pa，开加热电源开关，缓慢手动调节“功率调节”旋钮(顺时针旋转，5kw/10min速率上调)，待原料熔炼完毕(材料完全熔化完毕)后，缓慢手动调节“功率调节”旋钮(逆时针旋转，5kw/3min速率下调)，直至完全关闭，反复熔炼2-3次，确保成分的均匀性。
[0017]
本发明的另一个目的还公开了一种高温条件下硬度高、比屈服强度高的铸造合金在航空发动机或工业燃气轮机领域的用途。
[0018]
本发明高温条件下硬度高、比屈服强度高的铸造合金及其制备方法，与现有技术相比较具有以下优点：
[0019]
1)、本发明高温条件下硬度高、比屈服强度高的铸造合金具有多重强化机理：近平衡共晶结构形成有序和无序相交替排列的原位复合材料，能够抵抗高达共晶反应点的温度变化；纳米级的层片间距促使合金强度大幅提升；合金含接近70％的富含ni-al-ti的heusler相，其具有非常稳定的l21结构，具有高度有序和有限的滑移系，具有突出高温硬度、强度和抗蠕变抗力；共晶两相具有半共格界面，属于强界面结合，界面结合强度高；大量的共晶相界面和高密度的界面位错网都会阻碍位错的运动；共晶相中包含的高密度的共格纳米沉淀可以通过沉淀强化提高合金的强度。经检测本发明合金的室温硬度为～530hv
0.3
，高温800℃硬度仍然高达～490hv
0.3
，相较于室温硬度仅下降～7.5％；该合金在室温、600℃、800℃的屈服强度分别高达1.55gpa、1.05gpa和500mpa，比屈服强度分别高达～240mpa
·
(g
·
cm-3
)-1
、164mpa
·
(g
·
cm-3
)-1
、84mpa
·
(g
·
cm-3
)-1
，比屈服强度远高于相应温度下传统的6061铝合金、inconel 718、haynes 230高温合金。
[0020]
2)、本发明高温条件下硬度高、比屈服强度高的铸造合金制备方法简单，真空气氛
下的磁悬浮熔炼制备，浇铸成型即可。该合金能直接浇铸成型，不需要热处理和后续复杂的加工工艺，即可具备上述优异的高温力学性能。
附图说明
[0021]
图1为实施例1高温条件下硬度高、比屈服强度高的铸造合金的扫描电镜照片；
[0022]
图2为实施例1合金透射电镜(tem)表征结果：其中(a)tem明场像；(b)共晶heusler相中的高密度纳米沉淀；(c)共晶heusler相的选区电子衍射结果；(d)共晶bcc相的选区电子衍射结果；
[0023]
图3为实施例1高温条件下硬度高、比屈服强度高的铸造合金的高温硬度并与inconel 718高温合金的对比；
[0024]
图4为实施例1高温条件下硬度高、比屈服强度高的铸造合金的在室温、600℃、800摄氏度高温压缩工程应力应变曲线；
[0025]
图5为实施例1高温条件下硬度高、比屈服强度高的铸造合金在不同温度下的比屈服强度并与inconel 718高温合金、6061铝合金、haynes230高温合金的对比。
具体实施方式
[0026]
以下结合实施例对本发明进一步说明：
[0027]
实施例1
[0028]
本实施例公开了一种高温条件下硬度高、比屈服强度高的铸造合金，包括摩尔配比如下的各组分：al：19份；ti：18份；ni：37份；cr：26份。所述al、ti、ni、cr皆选用纯度为99.5wt.％以上的工业级纯原料。
[0029]
本实施例高温条件下硬度高、比屈服强度高的铸造合金的制备方法如下：熔配合金时，将al置于最下面，ti和cr放置于中间，ni放置于最上面，关闭炉盖，锁紧锁扣，抽真空至10pa以下，开分子泵抽真空至3
×
10-3
pa以下，充氩气至(3～5)
×
102pa，开加热电源开关，缓慢手动调节“功率调节”旋钮(顺时针旋转，5kw/10min速率上调)，待原料熔炼完毕后，缓慢手动调节“功率调节”旋钮(逆时针旋转，5kw/3min速率下调)，直至完全关闭，反复熔炼2次，确保成分的均匀性。
[0030]
如图1所示，本实施例高温条件下硬度高、比屈服强度高的铸造合金的低倍形貌，由均匀的、超细的共晶两相构成。图2(a)为本实施例铸造合金的透射电镜(tem)明场像，在共晶两相的界面处可观察到大量的界面错配位错，形成位错网；进一步放大共晶heusler相内部可观察到高密度纳米沉淀，如图2(b)所示。图2(c)与图2(d)为共晶两相的选区电子衍射，进一步证明二者分别具有l21和bcc结构。
[0031]
图3为实施例铸造合金的高温硬度并与inconel 718高温合金的对比结果，发现在任何室温到高温900℃，实施例铸造合金硬度远高于inconel 718高温合金，需要注意的是，实施例铸造合金的高温硬度随温度的升高，硬度的下降不明显，具有优异抗高温软化和高温热稳定性，而inconel 718高温合金随温度升高硬度明显下降，尤其超过700℃，这种降低趋势更加明显。
[0032]
图4为实施例铸造合金的高温压缩工程应力应变曲线室温、600℃、800℃的屈服强度分别高达1.55gpa、1.05gpa和500mpa。
[0033]
图5为实施例铸造合金在不同温度下的比屈服强度并与inconel 718高温合金、6061铝合金、haynes230高温合金的对比。实施例合金比屈服强度分别高达～240mpa
·
(g
·
cm-3
)-1
、164mpa
·
(g
·
cm-3
)-1
、84mpa
·
(g
·
cm-3
)-1
，比屈服强度远高于相应温度下传统的6061铝合金、inconel 718、haynes 230超合金。
[0034]
实施例2
[0035]
本实施例公开了一种高温条件下硬度高、比屈服强度高的铸造合金，包括摩尔配比如下的各组分：al：17份；ti：17份；ni：34份；cr：12份；v：22份。所述al、ti、ni、cr、v皆选用纯度为99.5wt.％以上的工业级纯原料。
[0036]
本实施例高温条件下硬度高、比屈服强度高的铸造合金的制备方法如下：熔配合金时，将al置于最下面，ti、cr和v放置于中间，ni放置于最上面，关闭炉盖，锁紧锁扣，抽真空至10pa以下，开分子泵抽真空至3
×
10-3
pa以下，充氩气至(3～5)
×
102pa，开加热电源开关，缓慢手动调节“功率调节”旋钮(顺时针旋转，5kw/10min速率上调)，待原料熔炼完毕后，缓慢手动调节“功率调节”旋钮(逆时针旋转，5kw/3min速率下调)，直至完全关闭，反复熔炼2次，确保成分的均匀性。
[0037]
本实施例高温条件下硬度高、比屈服强度高的铸造合金的由块状l21初生相及共晶两相构成，共晶两相分别具有l21和bcc结构。本实施例铸造合金的室温、600℃、800℃的屈服强度分别高达1.45gpa、1.15gpa和700mpa。比屈服强度分别高达～220mpa
·
(g
·
cm-3
)-1
、～175mpa
·
(g
·
cm-3
)-1
、～110mpa
·
(g
·
cm-3
)-1
。
[0038]
实施例3
[0039]
本实施例公开了一种高温条件下硬度高、比屈服强度高的铸造合金，包括摩尔配比如下的各组分：al：17份；ti：17份；ni：34份；v：32份。所述al、ti、ni、v皆选用纯度为99.5wt.％以上的工业级纯原料。
[0040]
本实施例高温条件下硬度高、比屈服强度高的铸造合金的制备方法如下：熔配合金时，将al置于最下面，ti和v放置于中间，ni放置于最上面，关闭炉盖，锁紧锁扣，抽真空至10pa以下，开分子泵抽真空至3
×
10-3
pa以下，充氩气至(3～5)
×
102pa，开加热电源开关，缓慢手动调节“功率调节”旋钮(顺时针旋转，5kw/10min速率上调)，待原料熔炼完毕后，缓慢手动调节“功率调节”旋钮(逆时针旋转，5kw/3min速率下调)，直至完全关闭，反复熔炼2次，确保成分的均匀性。
[0041]
本实施例高温条件下硬度高、比屈服强度高的铸造合金的由由均匀的、超细的共晶两相构成，共晶两相分别具有l21和bcc结构。本实施例铸造合金的室温、600℃、800℃的屈服强度分别高达1.42gpa、1.18gpa和770mpa。比屈服强度分别高达～230mpa
·
(g
·
cm-3
)-1
、～190mpa
·
(g
·
cm-3
)-1
、～125mpa
·
(g
·
cm-3
)-1
。
[0042]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。