專利名稱：一種鎳基合金及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種在高溫下具有較高強度、耐磨性和抗氧化性能的鎳基合金及其制造方法。
背景技術：
本發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、低滯后的新型先進刷式密封。目前應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多次節流膨脹產生阻尼效果，減少蒸汽沿軸向泄漏，但由于齒問是環形腔室，環向流動大大減少了渦流降速的效果，另外因汽封齒數設置受軸向長度的限制，且為避免動靜碰磨損傷汽封間隙設置較大，因而迷宮密封泄漏量較大。蜂窩密封是一種密封效果優良的可磨耗的密封結構，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、而且質地軟，與轉子表面磨擦時，對轉子無損害，不足之處是易結垢。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金屬絲。刷絲的自由端與軸接觸，另一端與圓環固定在一起。刷式密封技術已在許多先進的工業用燃氣輪機、航空發動機和汽輪機中得到應用。在工業燃氣輪機方面，采用刷式替代迷宮密封，可顯著降低泄漏損失，而費用比改造其他硬件要少得多。在發動機中，只將一處或幾處關鍵部位的迷宮密封用刷式密封代替，就可以提高發動機推力1_3%，降低耗油率3-5%。刷式密封技術的關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鍵因素。刷式密封材料在高溫高速下同轉子涂層配合時，應具有高溫下較高的強度、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。因此，刷絲合金的高溫抗氧化性能是選擇合金的重要標準。
目前國內外較常見的刷絲材料是鈷基高溫合金或鎳基高溫合金，主要牌號有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定的Cr2O3膜，這層膜并不能產生阻礙進一步擴散的作用，因此其抗氧化性較差。同時當溫度在400°C以上時，由于合金組織結構的變化，摩擦系數會大幅度的增加，因此，HS25刷絲合金僅適用于低溫低表面速度的條件。Inconel718合金是沉淀強化N1-Cr基高溫合金，使用溫度可達704°C，但在704°C以上，沉淀強化相溶解，合金強度急劇下降，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條件下測量摩擦系數實驗過程中發現HS214合金絲打火；H242合金刷絲與其它涂層之間的摩擦系數較高，影響了其作為刷絲合金的應用；MA754合金刷絲有過度磨損現象，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，在測量摩擦系數實驗過程中發現，實驗進行到50h后，刷絲也開始打火。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。

發明內容
本發明的目的就是研制出一種高溫強度、耐磨性和抗氧化性能均較好的鎳基材料，通過合金成分設計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。為達到上述目的，本發明所采用的技術方案如下:本發明合金成分采用如下設計思路:以高溫綜合性能較好的Ni基合金為基礎，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韌的Cr2O3和Al2O3氧化膜；同時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定性。添加Cr、Co、Mo等元素發揮固溶強化作用；同時合理添加一定量的Mg元素，Mg作為一種變質劑，能有效地改變碳化物的形態，把條狀碳化物變為顆粒狀，從而改善合金的力學性能，因此，如何確定元素種類及含量是本發明的特征之一。其具體化學成分重量百分比為: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%，Fe ≤5.0%，Mg 0.01 0.1%，余 Ni。本發明合金采用如下生產工藝:采用真空感應爐加電渣重熔冶煉，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金屬壓延技術，加工中的軟化溫度為1000 1200°C。刷式密封用刷絲材料規格一般小于Φ0.2mm。由于該合金變形抗力大，冷拔過程中，變形量過大時極易出現裂紋，所以應嚴格控制冷拔道次，變形量應控制在60%以下，熱處理溫度應控制在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下呈直線型，本發明在成品前采用了消除應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。熱張力退火技術雖然在板帶生產中得以廣泛應用，但在絲材尤其是極細絲生產中應用非常少。本發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明合金絲材的關鍵技術，因此，如何確定合理的張力和退火溫度及速度也是本發明的特征之一。其具體生產工藝為:(I)真空感應加電渣重熔或真空感應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。采用上述方法生產的合金絲材在816°C下的抗拉強度大于727MPa ；750°C時摩擦系數小于0.25 ;在750°C、528小時內的氧化速度小于0.00071g/(m2.h) ο本發明的貢獻在于:通過在鎳基合金中加入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、高溫強度尤其是高溫抗氧化性能等均得到提高。并通過采用熱張力退火工藝保證極細絲的平直型性要求。本發明合金在750°C時具有高強度、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。下面通過實施例具體說明本發明的技術方案。實施例1:
合金具體化學成分(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。在真空感應爐中進行冶煉，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,經熱軋成Φ8ι πι盤條,然后進行冷拔。冷拔時，每道次變形量控制在40%左右，中間回復再結晶退火溫度為1100°C。最終冷拔到Φ0.08mm，再進行熱張力退火，退火溫度為750°C;速度為50m/min ;張力為3N。即制得所需產品。合金絲的彎曲度為3.8mm/m。合金在538°C和816°C時抗拉強度分別為900MPa和730MPa，Φ0.08mm成品室溫時抗拉強度為1572MPa，在750°C條件下通過與含有氟化鋇、氟化鈣的碳化鉻進行摩擦實驗，測得其摩擦系數為0.24。

合金絲材在750°C條件下進行了不同時間的抗氧化性能檢測實驗，試驗時間96h時氧化速率為 0.000272g/ (m2.h)，192h 時為 0.000654g/ (m2.h)，288h 時為 0.000441g/ (m2.h)，432h 時為 0.000294g/(m2.h)，528h 時為 0.000237g/(m2.h)。實施例2:合金具體化學成分(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%，Fe:0.61%，Mg:0.01%, P:< 0.01%, S:0.0019%，余 Ni。在真空感應爐中進行冶煉，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，經熱軋成Φ8ι πι盤條,然后進行冷拔。冷拔時，每道次變形量控制在45%左右，中間回復再結晶退火溫度為1050°C。最終冷拔到Φ0.08mm，再進行熱張力退火，退火溫度為850°C;速度為60m / min ;張力為3N。即制得所需產品。合金絲的彎曲度為3.6mm / m。合金在538°C和816°C時抗拉強度分別為880MPa和725MPa。Φ0.08mm成品室溫時抗拉強度為1490MPa。在750° C條件下通過與含有氟化鋇、氟化鈣的碳化鉻進行摩擦實驗，測得其摩擦系數為0.23。在750°C條件下進行了不同時間的抗氧化性能檢測實驗，試驗時間96h時氧化速率為 0.000263g/(m2.h)，192h 時為 0.000707g / (m2.h)，288h 時為 0.000435g /(m2.h)，432h 時為 0.000302g / (m2.h)，528h 時為 0.000228g/(m2.h)。實施例3:合金具體化學成分(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。在真空感應爐中進行冶煉，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，經熱軋成Φ8ι πι盤條,然后進行冷拔。冷拔時，每道次變形量控制在50%左右，中間回復再結晶退火溫度為1100°C。最終冷拔到Φ0.08mm，再進行熱張力退火，退火溫度為900°C;速度為65m / min ;張力為3N。即制得所需產品。合金絲的彎曲度為3.3mm / m。合金在538°C和816°C時抗拉強度分別為890MPa和715MPa，Φ0.08mm成品室溫時抗拉強度為1495MPa，在750°C條件下通過與含有氟化鋇、氟化鈣的碳化鉻進行摩擦實驗，測得其摩擦系數為0.23。合金絲材在750°C條件下進行了不同時間的抗氧化性能檢測實驗，試驗時間96h時氧化速率為 0.000261g / (m2 *h)，192h 時為 0.000685g/ (m2 *h)，288h 時為 0.000462g /(m2.h)，432h 時為 0.000305g / (m2.h)，528h 時為 0.000248g/ (m2.h)。實施例4:合金具體化學成分(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。在真空感應爐中進行冶煉，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，經熱軋成Φ8ι πι盤條,然后進行冷拔。冷拔時，每道次變形量控制在55%左右，中間回復再結晶退火溫度為1100°C。最終冷拔到Φ0.08mm，再進行熱張力退火，退火溫度為950°C;速度為65m/m·in;張力為3N。即制得所需產品。合金絲的彎曲度為3.6mm / m。合金在538°C和816°C時抗拉強度分別為885MPa和718MPa，Φ0.08mm成品室溫時抗拉強度為1483MPa，在750°C條件下通過與含有氟化鋇、氟化鈣的碳化鉻進行摩擦實驗，測得其摩擦系數為0.25。合金絲材在750°C條件下進行了不同時間的抗氧化性能檢測實驗，試驗時間96h時氧化速率為 0.000285g/ (m2 *h)，192h 時為 0.000634g / (m2 *h)，288h 時為 0.000435g/(m2.h)，432h 時為 0.000284g/(m2.h)，528h 時為 0.000241g/(m2.h) 實施例合金性能檢測結果與國內外常用刷絲材料合金高溫強度及摩擦系數對比如表1、表2所不。表I本發明合金與常用刷絲材料合金高溫強度對比
權利要求
1.一種具有較高強度、耐磨性和抗氧化性能的鎳基合金，其特征在于:化學成分(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%，Fe 彡 5.0%, Mg0.01 0.1%，余 Ni。
2.一種制造權利要求1所述合金的生產方法，采用真空感應爐加電渣重熔冶煉，及常規的金屬壓延技術，并通過采用熱張力退火工藝保證極細絲的平直型性要求，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.—種權利要求1所述的合金，采用權利要求2所述的生產方法，制成的絲材特征在于:在816°C下的抗拉強度大于715MPa ;750°C時摩擦系數小于0.25 ;在750°C、528小時內的氧化速度小于0.00071 g / (m2.h)，極細絲材熱處理后彎曲度小于4mm/m。
全文摘要
本發明提供一種具有較高高溫強度、耐磨性和抗氧化性能的鎳基合金及其生產方法，其化學成分(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％，Fe≤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，通過與之匹配的制造工藝，使合金的冷熱加工性能、高溫強度、摩擦系數、高溫抗氧化性等綜合性能得到提高；并通過采用熱張力退火工藝保證極細絲的平直型性要求。本發明合金在750℃時具有高強度、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C22F1/00GK103160710SQ20121045867
公開日2013年6月19日 申請日期2012年11月15日 優先權日2012年11月15日
發明者章清泉, 胡博煒, 李振瑞, 吳會云, 李明揚, 曹宇, 牛永吉 申請人:北京北冶功能材料有限公司