本發明涉及一種耐磨抗蝕鎳基合金絲材及其制備方法，屬于材料加工技術領域。具體用于制造耐高溫磨損、抗高溫腐蝕、抗氧化的高強度刷絲材料。
背景技術：
刷式密封是一種用于發動機、汽輪機以及蒸汽機等透平機械關鍵部分的空氣密封裝置，主要由刷環和與其對應配套的跑道構成。其中，刷環主要由前板、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，是空氣系統篦齒密封最好的替代結構，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、抗氧化等性能。
在大功率透平機械中，密封泄漏是空氣動力損失的主要來源。GE和CROSS公司的報告認為，由于密封失效導致的級間能量損失比例可以達到1/3，Chupp等報告密封泄漏導致汽輪機效率損失的比例高達22％左右，美國路易斯研究中心的報告認為先進的密封技術可以減少商用發動機10％的燃油消耗量。刷式密封是近幾十年發展起來的新的密封，它的泄漏量相當于傳統的迷宮密封的1/5～1/10，可以顯著提高透平機械的效率和可靠性，降低燃油量，因此受到國內外廣泛的關注。國內外學者對刷絲材料的研究不斷的深入，研發了多種基體的刷絲材料(例如鐵基、鎳基、鈷基等)，應用溫度范圍廣，能夠適應不同溫度條件，應用于燃氣輪機、發動機以及航空發動機等，大大提高了效率、降低了損耗。
國內學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理，發現了不同的元素對應的相應強化機制，例如固溶強化、時效強化以及晶界強化等，大大促進了高溫合金的應用與發展。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％，Fe 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度等優點，可以有效提高發動機刷密封的使用壽命和可靠性，該絲材生產工藝可控，可以批量生產；公開號為CN 103388091 A的中國發明專利公開了一種化學成分(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度、良好的抗氧化腐蝕性能和優異的耐磨損性能，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化改進，改善合金的組織、降低缺陷等，并且選擇一定的熱處理工藝，從而預獲得優質性能的合金材料。例如，公開號為CN 104178648 A的中國發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、品質質量及成材率高，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理的尚不明確，原有的單一式加工制備工藝制造生產的產品質量不穩定，微量有害元素含量不能有效控制，容易出現坯料斷裂、表滿毛刺嚴重、劃痕明顯、夾雜物超標、晶粒粗大、時效硬度不足造成產品合格率，材料的質量品質不佳、可靠性降低，導致合金材料使用的過程中容易發生斷裂、磨損失效，嚴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行合金成分的優化以及工藝技術的創新與改進，以提高材料質量及成材率。
技術實現要素：
技術問題：本發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的加工制備工藝和熱處理工藝，通過對合金強化元素的適量添加、改進加工制備工藝，極大的強化合金性能、提高組織均勻性、細化晶粒、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盡可能的提高合金的綜合性能。因此，此發明解決的關鍵技術包括合金元素的選擇與用量，加工制備工藝的優化和熱處理工藝的選擇。
技術方案：為實現上述目的，本發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℃，再采用重熔進行進一步的精煉，澆鑄成合金錠；
2)對合金錠退火后進行鍛造、軋制，制備成合金盤條；
3)對合金盤條預處理后進行多道次的拉拔-退火，加工成所需尺寸的合金絲；
4)對合金絲進行固溶-時效處理。
所述的熔煉為真空感應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；
所述的預處理為將合金盤條加熱到900～1000℃保溫1h～2h，油冷進行軟化處理，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；
所述退火為在進行6～12道次的拉拔之后要進行真空退火，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，繼續加熱至1050～1100℃，保溫0.5～1h，快速水淬得到固溶態合金；
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、抗氧化性和較高強度。采用高達20～25％Co含量，對基體產生固溶強化效果，同時降低基體層錯能，提高了合金的蠕變強度和持久強度；同時高達17～21％Cr含量以保持更好的抗氧化腐蝕性；添加W和Mo，對基體產生固溶強化，提高γ′相穩定以及溶解溫度；控制Al和Ti含量保持在1:3左右，總量控制在4～8％，在充分起到時效強化效果的同時，控制γ′相的數量不超過50％，提高組織穩定性，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晶界強化元素的微量添加，大大提高了合金絲材的強度與性能，部分元素如B和合金中的P對晶界強化的相互正交作用，稀土元素Ce的加入促進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)該合金絲有害雜質低，內部缺陷少，有效降低有害碳化物的析出與偏聚。改進合金熔煉工藝，采用真空高溫精煉去除和降低有害雜質、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，改傳統的單聯冶金為熔煉+重熔雙聯冶金，合金中的非金屬夾雜、氣體和硫含硫量顯著減少，合金純度進一步提高，力學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。改傳統單一自由鍛造為組合式多次鍛造避免了裂紋產生的隨機性，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，破碎細化組織，提高鍛造件的品質。一方面起機械破碎作用，消除初生粗大樹枝狀組織，改善鑄態組織；另一方面則產生形變再結晶過程，新晶粒在原始粗大晶界處重新形核、長大，使晶粒細化。同時高達20～25％Co，明顯的改善了合金的塑性和熱加工性能；
4)該合金絲晶粒細小均勻，組織均勻，合金中γ′相體積分數較高，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，然后繼續提高固溶溫度和適當降低固溶時間，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行，析出碳化物M23C6、硼化物M3B2強化晶界，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，進一步調整強化相的大小、數量和分布，合金中既有粗大的γ′相又有細小的γ′相彌散析出，使合金具有最佳的綜合性能。
具體實施方式
實施例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的質量百分數為20％，Mo的質量分數為70％，Ni的質量分數為10％)錠5kg、Ni80Al20(其中，Ni的質量分數為80％，Al的質量分數為20％)錠4kg、Ni50Ti50(其中。Ni的質量分數為50％，Ti的質量分數為50％)錠3.6kg、Co65Re5Hf30(其中，Co的質量分數為65％，Re的質量分數為5％，Hf的質量分數為30％)錠0.5kg、Ta粉0.75kg放入50kg真空感應爐中進行熔煉，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、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；將電極棒進行表面砂磨或車削去皮處理，進行電渣重熔，降低合金中夾雜物及元素偏析等冶金缺陷。
2)對合金錠進行鍛造、軋制：
首先對電渣重熔合金錠進行均勻化退火，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)對合金盤條進行拉拔-退火：
將合金盤條加熱到950保溫1h，油冷進行軟化處理，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行超聲清洗，添加潤滑劑，進行多道次拉拔加工，每經6～12道次拉拔后要進行真空退火，退火溫度為750℃，總共經過50道次的拉拔得到Φ0.2mm的合金絲；
4)對合金絲進行固溶-時效處理：
將合金絲加熱至1050℃，保溫1h，繼續加熱至1100℃，保溫2h，快速水淬得到固溶態合金。接著將固溶態合金，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的質量百分數為19％，Mo的質量分數為74％，Ni的質量分數為7％)錠5kg、Ni80Al20(其中，Ni的質量分數為80％，Al的質量分數為20％)錠4.25kg、Ni50Ti50(其中，Ni的質量分數為50％，Ti的質量分數為50％)錠3.4kg、Co65Re5Hf30(其中，Co的質量分數為65％，Re的質量分數為5％，Hf的質量分數為30％)錠0.5kg、Ta粉0.75kg放入50kg真空感應爐中進行熔煉，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、降低氣體含量和非金屬夾雜，在真空下靜置澆鑄成合金棒；將電極棒進行表面砂磨或車削去皮處理，進行電子束重熔，降低合金中夾雜物及元素偏析等冶金缺陷，進一步提高合金性能；
2)對合金錠進行鍛造、軋制：
首先對電渣重熔合金錠進行均勻化退火，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)對合金盤條進行拉拔-退火：
將合金盤條加熱到980保溫1h，油冷進行軟化處理，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行超聲清洗，添加潤滑劑，進行多道次拉拔加工，每經6～12道次拉拔后要進行真空退火，退火溫度為780℃，總共經過50道次的拉拔得到Φ0.15mm的合金絲
4)對合金絲進行固溶-時效處理：
將合金絲加熱至1020℃，保溫2h，繼續加熱至1120℃，保溫0.5h，快速水淬得到固溶態合金。接著將固溶態合金，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的質量百分數為18％，Mo的質量分數為80％，Ni的質量分數為2％)錠5kg、Ni80Al20(其中，Ni的質量分數為80％，Al的質量分數為20％)錠4.5kg、Ni50Ti50(其中，Ni的質量分數為50％，Ti的質量分數為50％)錠3.2kg、Co54Re6Hf40(其中，Co的質量分數為54％，Re的質量分數為6％，Hf的質量分數為40％)錠0.5kg、Ta粉0.8kg放入50kg真空電弧爐中進行熔煉，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、降低氣體含量和非金屬夾雜，在真空下靜置澆鑄成合金棒；將電極棒進行表面砂磨或車削去皮處理，進行等離子重熔，降低合金中夾雜物及元素偏析等冶金缺陷，進一步提高合金性能；
2)對合金錠進行鍛造、軋制：
首先對電渣重熔合金錠進行均勻化退火，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)對合金盤條進行拉拔-退火：
將合金盤條加熱到960℃保溫1h，油冷進行軟化處理，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行超聲清洗，添加潤滑劑，進行多道次拉拔加工，每經6～12道次拉拔后要進行真空退火，退火溫度為760℃，總共經過50道次的拉拔得到Φ0.1mm的合金絲
4)對合金絲進行固溶-時效處理：
將合金絲加熱至980℃，保溫2.5h，繼續加熱至1100℃，保溫1h，快速水淬得到固溶態合金。接著將固溶態合金，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。
上述實施方式只是本發明的幾個實例，不是用來限制本發明的實施與權力范圍，凡依據本發明申請專利保護范圍所述的內容作出的等效變化和修飾，均應包括在本發明申請專利范圍內。