一种高流动性的高温合金及其制备方法与流程

本发明属于高温合金技术领域，具体涉及一种高流动性的高温合金及其制备方法。

背景技术：

现在社会正以空前的速度飞快地发展，在发展过程中强烈地依赖于材料、信息和能源产业。随着航空工业和汽车工业的高速发展，高温合金作为航空发动机叶轮、涡轮盘、导向环、扩压器、机匣以及其他结构件的主要材料，其面临着空前的挑战。

目前，大型复杂铸件替代拼装件的造价和性能上的优势使得其应用日益广泛。但是对于大型复杂薄壁铸件，成形是一个关键性问题。在成形过程中，容易形成热裂、欠浇、冷隔、缩孔等铸造缺陷。为了消除这些缺陷，过多提高浇注温度和模壳温度来提高合金的流动性是不现实的。而流动性是铸造合金重要的铸造性能之一，影响金属流动性的因素主要包括：金属的凝固区间、密度、比热、导热系数、结晶潜热、粘度、表面张力等。

我国高温合金铸造研究起步较晚，相对于欧美等发达国家落后较多，许多关键部件始终依赖进口，造成我国发动机行业迟迟未能取得突破性进展。对此，期望开发出一种液态具有良好流动性的高温合金来解决上述问题。

技术实现要素：

为了克服上述缺陷，本发明提供了一种高流动性的高温合金，同时提供了一种高流动性的高温合金的制备方法。

为了实现上述发明目的，本发明的技术方案为：

一种高流动性的高温合金，其特征在于：以质量百分比计，其原料及配比如下：

其中，cr、fe、ti、c、co、b、mo、mn、zr和ni的纯度均≥99.99％；cu3al的纯度＞95.0％。

其中，cr、fe、ti、c、co、b、mo、mn、zr和ni的粒径均为7.5～9.5μm；cu3al的粒径为10～50nm。

一种高流动性的高温合金的制备方法，具体步骤如下：

s1.配料：取高纯粉末cr、fe、ti、c、co、b、mo、mn、zr和ni，按上述比例配料秤重，再称取0.05～0.12％的高纯纳米cu3al粉末待用；

s2.球磨混合压片：将s1称重好的高纯粉末放入球磨机中球磨至少24h得到混合粉料，随后将混合粉末至于压力机中，在压力为50～100mpa的高压和温度为1400～1600℃下压制成型得到金属片；

s3.真空熔炼：将s2所获得的金属片置于真空电弧熔炼炉中进行熔炼，其熔炼条件为：a.5×10^-2～1×10^-3mpa的低真空状态；b.熔炼温度为1600～1700℃；c.熔炼过程采用磁搅拌；d.熔炼时间为0.2～0.4小时；

s4.熔炼后进行浇铸前加入高纯纳米cu3al粉末，随后浇铸成型；

s5.性能热处理：将s4所获得的铸件置于热处理炉中进行固溶-高温时效-低温时效3步性能热处理，其性能热处理具体工艺为：a.固溶热处理：在1250～1350℃保温2～4h，随后空冷至室温；b.高温时效热处理：1050～1200℃保温8～14h，随后空冷至室温；c.低温时效热处理：750～850℃保温15～20h，随后空冷至室温。

s4浇铸时，铸件内部弥散分布fe3al相；s5性能热处理后，fe3al相完全固溶进基体组织中。

s4浇铸时，铸件内部弥散分布fe3al相和cu3al相，cu3al占原子比3.57～7.68％，fe3al占原子比3.66～7.21％。

本发明所制造的一种高流动性的高温合金具有高流动性和优异的高温力学性能特点。本发明提供的一种高流动性的高温合金在浇铸时微观组织中弥散分布fe3al相，该相起到调节成分、提高合金的高温流动性的作用，性能热处理后，fe3al相完全固溶进基体组织提高合金高温力学性能的特征，促使高温合金能够实现兼具高流动性和优异的高温力学性能的特点。

本发明提供的一种高流动性的高温合金与现有材料相比，具备优高流动性和优异的高温力学性能的优点。

(1)：高流动性：高温合金的高流动性是铸造复杂铸件或超薄铸件所必备的物理特征之一。本发明通过特定的制备工艺在高温合金浇铸过程中由液态铁和cu3al进行反应使得材料微观组织中获得了弥散分布的超细fe3al，一方面增加液态合金中cu含量，一方面降低液态合金中fe含量，起到调节液态合金高温低黏度高流动性的特征。fe3al相在高温合金微观组织中弥散分布能够有效的改善熔融状态下高温合金的黏度过高和流动性较差的缺陷，大大提升善熔融状态下高温合金的流动性。

浇铸过程中熔融状态下金属液富含大量的铁，本发明在浇铸前加入cu3al粉末后发生反应cu3al+fe＝fe3al+cu，一方面给本来没有cu的液态合金中引入3.57～7.68mol的铜，能够大幅降低液态合金黏度，增加流动性；另一方面fe3al是高温化合物，它的形成又会将液态合金中的fe含量降低3.66～7.21mol，进一步降低降低液态合金黏度，增加流动性，能够有效的改善熔融状态下高温合金的黏度过高和流动性较差的缺陷，大大提升善熔融状态下高温合金的流动性。

(2)：优异的高温力学性能：高温力学性能是高温合金的一个重要的性能，决定着其应用条件。本发明通过特定的制备工艺通过性能热处理使浇铸时形成的fe3al相完全固溶进基体组织，使浇铸后的型材具备优异的高温综合力学性能。

(3)：制备方法：本发明采用高纯粉末球磨后压片、再真空熔炼的方式制备高温合金。在此过程中，高能球磨一方面能起到均匀混合高纯粉末的目的。另一方面可以增加合金粉末缺陷，提高合金粉末能量。

(4)：性能热处理方法：本发明采用固溶-高温时效-低温时效3步性能热处理，其性能热处理具体工艺为：a.固溶热处理：在1250～1350℃保温2～4h，随后空冷至室温；b.高温时效热处理：1050～1200℃保温8～14h，随后空冷至室温；c.低温时效热处理：750～850℃保温15～20h，随后空冷至室温。该工艺采用固溶-高温时效-低温时效三步性能热处理的方式大大提高了高温合金的流动性和高温力学性能。

综上所述，本发明提出了一种高流动性的高温合金及其制备方法，该合金相对于现有材料相比具备优高流动性和优异的高温力学性能的优点。

附图说明

图1为本发明的高温合金的组织图。

具体实施方式

下面通过附图以及实施例对本发明作进一步地说明。

实施例1：

根据所需要的抗热裂高温合金的要求，制备的高流动性的高温合金包括以下质量百分比(wt.％)的各组分：

其中，cr、fe、ti、c、co、b、mo、mn、zr和ni的纯度均≥99.99％；cu3al的纯度＞95.0％。

其中，cr、fe、ti、c、co、b、mo、mn、zr和ni的粒径均约为7.5μm；cu3al的粒径约为10nm。

一种高流动性的高温合金的制备方法，具体步骤如下：

s1.配料：取高纯粉末，按上述比例配料秤重，高纯粉末粒径为7.5μm左右；再称取0.05％的高纯纳米cu3al粉末待用，高纯纳米cu3al粉末粒径为10nm左右；

s2.球磨混合压片：将s1称重好的粉末放入球磨机中球磨24h得到混合粉料，随后将混合粉末至于压力机中，在压力为50mpa的高压和温度为1400℃下压制成型得到金属片；

s3.真空熔炼：将s2所获得的金属片置于真空电弧熔炼炉中进行熔炼，其熔炼条件为：a.5×10^-2mpa的低真空状态；b.熔炼温度为1600℃；c.熔炼过程采用磁搅拌；d.熔炼时间为0.4小时；

s4.熔炼后进行浇铸前加入高纯纳米cu3al粉末，随后浇铸成型；

s5.性能热处理：将s4所获得的铸件置于热处理炉中进行固溶-高温时效-低温时效3步性能热处理，其性能热处理具体工艺为：a.固溶热处理：在1250℃保温2h，随后空冷至室温；b.高温时效热处理：1050℃保温8h，随后空冷至室温；c.低温时效热处理：750℃保温15h，随后空冷至室温。

s4浇铸时，铸件内部弥散分布fe3al相；s5性能热处理后，fe3al相完全固溶进基体组织中。

s4浇铸时，铸件内部弥散分布fe3al相和cu3al相，cu3al占原子比3.57～7.68％，fe3al占原子比3.66～7.21％。

将上述方法制备的合金用线切割切取试样并进行检测高温力学性能和流动性测试。

实施例2：

根据所需要的抗热裂高温合金的要求，制备的高流动性的高温合金包括以下质量百分比(wt.％)的各组分：

其中，cr、fe、ti、c、co、b、mo、mn、zr和ni的纯度均≥99.99％；cu3al的纯度＞95.0％。

其中，cr、fe、ti、c、co、b、mo、mn、zr和ni的粒径均约为8.0μm；cu3al的粒径约为30nm。

一种高流动性的高温合金的制备方法，具体步骤如下：

s1.配料：取高纯粉末，按上述比例配料秤重，其中金属纯度≥99.99％，高纯粉末粒径为8.0μm左右；再称取0.09％的高纯纳米cu3al粉末待用，高纯纳米cu3al粉末粒径为30nm左右；

s2.球磨混合压片：将s1称重好的高纯粉末放入球磨机中球磨24h得到混合粉料，随后将混合粉末至于压力机中，在压力为80mpa的高压和温度为1500℃下压制成型得到金属片；

s3.真空熔炼：将s2所获得的金属片置于真空电弧熔炼炉中进行熔炼，其熔炼条件为：a.8×10^-2mpa的低真空状态；b.熔炼温度为1650℃；c.熔炼过程采用磁搅拌；d.熔炼时间为0.3小时；

s4.熔炼后进行浇铸前加入高纯纳米cu3al粉末，随后浇铸成型；

s5.性能热处理：将s4所获得的铸件置于热处理炉中进行固溶-高温时效-低温时效3步性能热处理，其性能热处理具体工艺为：a.固溶热处理：在1300℃保温3h，随后空冷至室温；b.高温时效热处理：1100℃保温10h，随后空冷至室温；c.低温时效热处理：800℃保温18h，随后空冷至室温。

s4浇铸时，铸件内部弥散分布fe3al相；s5性能热处理后，fe3al相完全固溶进基体组织中。

s4浇铸时，铸件内部弥散分布fe3al相和cu3al相，cu3al占原子比3.57～7.68％，fe3al占原子比3.66～7.21％。

将上述方法制备的合金用线切割切取试样并进行检测高温力学性能和流动性测试。

实施例3：

根据所需要的抗热裂高温合金的要求，制备的高流动性的高温合金包括以下质量百分比(wt.％)的各组分：

其中，cr、fe、ti、c、co、b、mo、mn、zr和ni的纯度均≥99.99％；cu3al的纯度＞95.0％。

其中，cr、fe、ti、c、co、b、mo、mn、zr和ni的粒径均约为9.5μm；cu3al的粒径约为50nm。

一种高流动性的高温合金的制备方法，具体步骤如下：

s1.配料：取高纯粉末，按上述比例配料秤重，其中金属纯度≥99.99％，高纯粉末粒径为9.5μm左右；再称取0.12％的高纯纳米cu3al粉末待用，高纯纳米cu3al粉末粒径为50nm左右；

s2.球磨混合压片：将s1称重好的高纯粉末放入球磨机中球磨24h得到混合粉料，随后将混合粉末至于压力机中，在压力为100mpa的高压和温度为1600℃下压制成型得到金属片；

s3.真空熔炼：将s2所获得的金属片置于真空电弧熔炼炉中进行熔炼，其熔炼条件为：a.1×10^-3mpa的低真空状态；b.熔炼温度为1700℃；c.熔炼过程采用磁搅拌；d.熔炼时间为0.4小时；

s4.熔炼后进行浇铸前加入高纯纳米cu3al粉末，随后浇铸成型；

s5.性能热处理：将s4所获得的铸件置于热处理炉中进行固溶-高温时效-低温时效3步性能热处理，其性能热处理具体工艺为：a.固溶热处理：在1350℃保温4h，随后空冷至室温；b.高温时效热处理：1200℃保温14h，随后空冷至室温；c.低温时效热处理：850℃保温20h，随后空冷至室温。

s4浇铸时，铸件内部弥散分布fe3al相；s5性能热处理后，fe3al相完全固溶进基体组织中。

s4浇铸时，铸件内部弥散分布fe3al相和cu3al相，cu3al占原子比3.57～7.68％，fe3al占原子比3.66～7.21％。

将上述方法制备的合金用线切割切取试样并进行检测高温力学性能和流动性测试。

上述实施例1-3的检测结果见表1。

表1高流动性的高温合金的高温力学性能和流动性对比

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同形式的替换，这些改进和等同替换得到的技术方案也应属于本发明的保护范围。