专利名称：一种镍铬稀土粉末冶金高温合金及其应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种镍铬稀土粉末冶金高温合金及其作为涡轮增压器喷嘴 环、微型燃气轮机喷嘴环或发动机气门座圈等零部件材料的应用。
背景技术：
发动机配置涡轮增压器能大幅提高功率、减少排气污染、改善经济性能， 是目前发动机最主要的技术发展方向之一，近年来，全世界涡轮增压器的需 求量大幅度递增，前景广阔。
1990年代后期，随着日益严格的汽车排放标准以及节能要求，美国、 日本、欧洲等先进国家和地区开始在发动机上应用几何截面可变的涡轮增压 技术。这种可变几何截面涡轮增压器属于当前车辆发动机领域先进的第三代 涡轮增压器，它可减小汽车的排放污染，使汽车排放符合目前新的国家标准 的要求，国内一些增压器企业已在积极研发。喷嘴环是可变几何截面涡轮增 压器的核心部件，由于喷嘴环是在高温(600~1100°C)、燃气冲击、振动和 高频变速运动状态下工作，同时叶片、安装盘等零件直接与高温燃气接触， 加之，叶片转轴与安装盘、驱动盘与曲柄(拨叉)构成摩擦副，这就对喷嘴 环的材料提出了极其严格的要求。喷嘴环叶片、安装盘等零件材料的高温性 能，如高温抗蠕变能力、高温强度、耐摩擦性、耐腐蚀性等，决定了喷嘴环 组件工作的可靠性，喷嘴环叶片、安装盘等零件的制造精度、叶片形状、相 互运动间隙等则对喷嘴环的性能有直接影响。
可变几何截面的涡轮增压器主要故障有喷嘴环卡死、喷嘴环运转不灵 活、失去调节或控制燃气作用等情况，其根本原因是喷嘴环叶片、安装盘、 驱动盘等零件变形、氧化、摩擦磨损以及疲劳断裂等所致。
涡轮增压器喷嘴环除了对几何形状，尺寸公差方面的要求外，对其材料 有较高的要求，这种材料必须具有良好的高温稳定性即抗蠕变能力，以保 证喷嘴环叶片、安装盘等足够的高温强度；良好的耐摩擦性能以减少喷嘴环 各配件零件的摩擦磨损、保证各摩擦副的运动间隙，从而保证喷嘴环运转灵活；良好的抗氧化、耐腐蚀性以抵抗高温氧化与燃气中硫、 一氧化碳等的腐 蚀，防止氧化物脱落进入摩擦副导致喷嘴环卡滞、卡死而不能运转。
目前，制作涡轮增压器喷嘴环的较好的材料多为镍基铸造高温合金、耐 热合金铸铁或高温粉末冶金。相对而言，我国在高温合金方面技术基础较好， 但是高温合金成本高。目前，合金铸铁主要有铬钼合金铸铁和铬钼低碳钢两 种，前者摩擦性较好，后者韧性较好，两者不能同时兼顾，且制造工艺复杂。 对于粉末冶金高温合金，其主要有国外的HK30粉末冶金高温合金，采用金 属粉末注射成型工艺，制造成本较低，且制造精度高，已被国外广泛使用， 具有广阔的前景，但是，其抗拉强度较低，通常在650Mpa以下；而且，由 于国外镍资源丰富，现有粉末冶金高温合金的化学成分中镍含量所占成分较 高，而对各性能的改进和提高也是靠提高镍含量来完成，当材料硬度提高到 HV150，使用温度提高到90(TC左右时，其镍含量通常需突破30% (重量)； 而我国镍资源稀少，镍材料成本较高，通常作为战略资源运用于军事领域。 因此迫切需要找到一种能降低成本且满足可变几何(截面)涡轮增压器使用 要求的材料。
发明内容
为了解决上述存在的问题，本发明的目的在于结合我国稀土资源丰富的 特点，提供一种在高温下具有较高抗蠕变能力、抗氧化性能、耐腐蚀性能、 耐摩擦性能的镍铬稀土粉末冶金高温合金。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是 一种镍铬稀土粉末冶金
高温合金，其中各组份的重量百分含量为镍19%~22%、铬24%~27%、铌 0.8~1.6%、硅0.8~1.7%、钛0.5~1.0%、碳0.25 0.4%、稀土元素0.05-0.1%、 锰0~1.5%、硫0 0.05%、磷0~0.05%、钼0~0.05%，铁为余量。 所说的稀土元素优选为镧、铈或/和钪元素。
本发明另一 目的是提供上述镍铬稀土粉末冶金高温合金作为制造涡轮 增压器喷嘴环、微型燃气轮机喷嘴环或发动机气门座圈等零部件材料的应 用。
本合金具有良好的高温稳定性即抗蠕变能力，可保证喷嘴环叶片、安装 盘等足够的高温强度；具有良好的耐摩擦性能，可以减少喷嘴环各配件零件 的摩擦磨损、保证各摩擦副的运动间隙，从而保证喷嘴环运转灵活；具有良 好的抗氧化、耐腐蚀性，可以抵抗高温氧化与燃气中硫、 一氧化碳等的腐蚀，彻底堵绝因氧化物脱落进入摩擦副而导致的喷嘴环卡滞、卡死而不能运转的 不良现象。
本镍铬稀土粉末冶金高温合金应用于制造增压器喷嘴环，其良好的高温 稳定性即抗蠕变能力可以保证喷嘴环叶片、安装盘等足够的高温强度，保证
密封环足够的弹力；良好的耐摩擦性能可以保证密封环的使用寿命；良好的 耐磨擦性能以减少喷嘴环各配合零件的摩擦磨损、保证各摩擦副的运动间 隙，从而保证喷嘴环运转灵活、可靠工作；良好的抗氧化、耐腐蚀性以抵抗 高温氧化与燃气中硫、 一氧化碳等的腐蚀，防止氧化物脱落进入摩擦副导致 喷嘴环卡滞、卡死而不能运转。
此外，微型燃气轮机喷嘴环、发动机气门座圈、涡轮增压器衬套等高温 零部件均在高温(600 1100°C)环境下工作，需承受很高的冲击、高振动、 高摩擦、燃气腐蚀等，这种环境与上述喷嘴环的工作环境相似，因此本发明
合金材料完全可以满足这些零件的性能要求。
微合金化技术是提高钢铁、合金材料综合性能的有效手段，在钢铁的基 础化学成分中添加微量强碳化物形成元素Ti， Nb， V等，本发明在现有镍 铬粉末冶金高温合金的基础上，通过优化和调整各化学成分的比例，适当增 加钛元素和我国较为丰富且相对于镍元素更为便宜的稀土等，以此提高和改 善本材料的综合技术性能。
稀土元素的加入能够有效地纯洁合金，消除有害元素(即杂质)的危害。 别是加入铈、镧等稀土元素可以净化晶界，改善氧化膜与基本的粘附性，还 可改善合金的热加工性，在冶炼中起脱氧、脱硫、净化合金溶液扫作用，并 对提高合金的抗氧化性、耐腐蚀性有重要作用。稀土元素钪常用于制造合金 (合金的添加剂)，以改善合金的强度、硬度和耐热和性能。在铁水中加入 少量的钪，可显著改善铸铁的性能；
由于稀土元素往往偏聚合金晶界，添加量过多将引起合金晶界偏聚、从 而导致脆性，因此，稀土添加量控制在0.1%以下(含0.1%)较为合适。
另外，钛在钢铁中作为添加元素，可以改变钢铁的性能，使钢在同样回 火温度下，具有更高的强度和硬度，或同样硬度要求下，回火到更高的温度; Ti， Nb， V作为微合金化元素，对钢有细晶强化，相变强化，沉淀强化的作 用，使机械性能得到提高，但钛的加入量以0.5%~1.0%为宜。此外，Ti， Nb， V， Cr， Mo， W等元素还可以提高材料的高温持久强 度及抗蠕变性能，防止裂纹的产生，还能防止钢铁的氢腐蚀。
本发明合金的组份及添加量是根据理论计算和经过反复的实践试验得 到的，与现有镍铬合金钢相比，本发明的镍铬稀土粉末冶金高温合金材料具 有下列有益效果
1、 稀土元素的加入可以提高合金的耐腐蚀性和高温性能，改善了镍铬 粉末冶金合金高温性能较差的缺点；可在95(TC下稳定工作，拓宽了喷嘴环 的使用范围，提高了增压器的使用寿命。
2、 钛元素的加入和对其它成分的调整提高了合金的机械性能、抗氧化、、 抗蠕变耐腐蚀性能，本发明的镍铬稀土粉末冶金高温合金材料硬度范围为 HV150~220。
3、 本发明材料由于添加了稀土和钛等微量元素，经实践证明提高了材 料成型加工时熔液的流动性等指标，使具有了更好的制造工艺性能。
4、 本合金材料用途广泛，不仅可以用于增压器喷嘴环，还可以用于微 型燃气轮机喷嘴环、发动机气门座圈及配气机构高温零部件和涡轮增压器衬 套等零部件。
5、 本发明上述材料的配比方案，充分结合我国国情，有效节省镍元素 资源，利用我国较为丰富的稀土和其它资源，同时降低了制造成本。
具体实施例方式
以下结合实施例对本发明的技术方案作进一步说明。 实施例1
镍铬稀土粉末冶金高温合金，其组成重量百分含量为镍19%、铬27%、 铌1.0%、硅1.0%、钛1.0%、碳0.4%、稀土 (镧La) 0.1%、锰1.2%、钼 0.02%，铁余量。
实施例2
镍铬稀土粉末冶金高温合金，其组成重量含量为镍22%、铬24%、铌 1.5%、硅1.5%、钛0.6%、碳0.25%、稀土 (铈Ce) 0.05%、硫0.01%、磷 0.02%,余量为铁。
实施例3
一种镍铬稀土粉末冶金高温合金，按比计，其重量百分含量为镍20%、铬26%、铌1.0%、硅1,7%、钛0.8%、碳0.3%、稀土 (钪Sc) 0.08%、锰1.0% 的、硫0.05%、磷0.01%、钼0.01%，余量为铁。 实施例4
一种镍铬稀土粉末冶金高温合金，其各组份重量百分含量为镍21%、 铬25%、铌1.2%、 1.2%硅、钛0.7%、碳0.35%、稀土 (镧和铈)0.06%、 锰0.05%、磷0.05%、钼0.05%，余量为铁。
以上各例镍铬稀土粉末冶金高温合金均采用目前的成熟技术，如粉末冶 金成型或粉末冶金注射成型等方法制备而成。
上述各例镍铬粉末冶金高温合金材料制成涡轮增压器喷嘴环叶片可以 明显提高增压器的可靠性，提高耐腐蚀、耐摩擦和机械性能，大大改善涡轮 增压器喷嘴环的工作性能。由该材料制成的微型燃气轮机喷嘴环叶片、发动 机气门座圈、涡轮增压器衬套等零部件，在高温高腐蚀工作环境下仍能达到 很好的运转效果，不会受燃气的腐蚀或在使用过程中摩擦磨损，性能及使用 寿命大大提高。
本合金制造成本低，对于涡轮增压器喷嘴环等零部件来说可实现批量生 产，且从经济和资源角度考虑完全适用于我国。
权利要求
1、一种镍铬稀土粉末冶金高温合金，其重量组成为镍19％～22％、铬24％～27％、铌0.8％～1.6％、硅0.8％～1.7％、钛0.5％～1.0％、碳0.25％～0.4％、稀土元素0.05％～0.1％、锰0～1.5％、硫0～0.05％、磷0～0.05％、0％～0.05％钼，铁为余量。
2、 根据权利要求1所述的镍铬稀土粉末冶金高温合金，其特征在于所 述稀土为镧、铈或/和钪元素。
3、 权利要求1的镍铬稀土粉末冶金高温合金，其特征是在涡轮增压器 中作为喷嘴环材料的应用。
4、 根据权利要求1所述的镍铬稀土粉末冶金高温合金，在增压器密封 环中的应用。
5、 根据权利要求1所述的镍铬稀土粉末冶金高温合金，在涡轮增压器 衬套、微型燃气轮机喷嘴环、发动机气门座圈及配气机构高温零部件中的应 用。
全文摘要
本发明涉及一种镍铬稀土粉末冶金高温合金，其重量组成为镍19％～22％、铬24％～27％、铌0.8％～1.6％、硅0.8％～1.7％、钛0.5％～1.0％、碳0.25％～0.4％、稀土元素0.05％～0.1％、锰0～1.5％、硫0～0.05％、磷0～0.05％、钼0％～0.05％，余量为铁。本合金具有较高的温度强度和高温稳定性、良好的耐摩擦性能和耐腐蚀性能，可作为制备涡轮增压器喷嘴环、微型燃气轮机喷嘴环或发动机气门座圈的材料。
文档编号C22C38/50GK101435053SQ20081024361
公开日2009年5月20日 申请日期2008年12月10日 优先权日2008年12月10日
发明者刘立平, 若 黄 申请人:常州诚欧动力科技有限公司