一种高抗氧化性镍基合金块体材料及其制备方法

1.本发明涉及合金材料技术领域，尤其涉及一种高抗氧化性镍基合金块体材料及其制备方法。


背景技术：

2.在航空发动机中，涡轮叶片由于处于温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位而被列为第一关键件。涡轮叶片的性能水平，成为一种型号发动机先进程度的重要标志。
3.某型航空发动机涡轮叶片由高温镍基合金gh3044铸成，工作温度在850℃左右，经过一定的飞行周期后，由于gh3044合金在高温下抗氧化性能不佳，叶片会在工作中产生磨损或者裂纹，表面有部分剥落，导致其性能大大下降，以至于逐渐失去使用性能，必须要对其进行修复才能恢复正常使用。所以设计出一种适合于此类航空发动机叶片的高抗氧化性合金材料是至关重要的。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于，针对现有技术的上述不足，提出一种高抗氧化性镍基合金块体材料及其制备方法。
5.本发明的一种高抗氧化性镍基合金块体材料，所述高抗氧化性镍基合金块体材料的各元素的质量百分比含量为：铬22.0％～23.0％,钨13.0％～16.0％，铁≤4.0％，钼≤1.5％，硼0.5％，硅1％，铝0.5％～1％，钛0.3％～0.7％，锰≤0.5％，碳≤0.1％，其它杂质含量≤0.13％，镍余量。
6.进一步的，各元素的质量百分比含量为：铬22.0％，钨15.0％，铁4.0％，钼1.5％，硅1％，铝0.5％，钛0.6％，锰0.5％，硼0.5％，碳0.1％，杂质含量0.13％，镍余量。
7.进一步的，各元素的质量百分比含量为：铬22.0％，钨15.0％，铁4.0％，钼1.5％，硅1％，铝1％，钛0.6％，锰0.5％，硼0.5％，碳0.1％，杂质含量0.13％，镍余量。
8.进一步的，各元素的质量百分比含量为：铬23.0％，钨15.0％，铁4.0％，钼1.5％，硅1％，铝0.5％，钛0.6％，锰0.5％，硼0.5％，碳0.1％，杂质含量0.13％，镍余量。
9.进一步的，各元素的质量百分比含量为：铬23.0％,钨15.0％，铁2.0％，钼1％，硅1％，铝0.5％，钛0.6％，锰0.5％，硼0.5％，碳0.1％，杂质含量0.13％，镍余量。
10.一种如上述的高抗氧化性镍基合金块体材料的制备方法，包括如下步骤：
11.s1：按各元素的质量百分比含量要求将纯镍、纯铁、纯石墨、纯铬、纯钨、纯钼、镍硼中间合金装入坩埚，抽真空至8～12pa开始加热，全部熔化后，保持温度在1500～1650℃进行精炼，精炼时间为20分钟；
12.s2：精炼结束后，充入0.06～0.08mpa氩气，加入一定量的纯钛、纯锰、纯铝、纯硅，准备第二次原料熔化；
13.s3：待二次原料完全熔化后，调整温度浇铸，浇铸温度1500～1600℃；
14.s4：将熔融均匀后的金属液倒入模具冷却成型得高抗氧化性镍基合金块体材料。
15.本专利主要通过对gh3044合金中元素的调控以及制备过程中工艺参数(压力、精炼温度等)的调控，设计了一种新型的高抗氧化性镍基合金块体材料，对比gh3044合金，旨在具有良好的脱氧能力，高温抗氧化性能更佳，以及保证其强度不低于gh3044合金材料强度的85％，硬度不低于gh3044合金材料硬度的90％。
16.采用上述元素含量配比，与现有的合金材料(gh3044合金)相比，本次发明的高抗氧化性镍基合金块体材料有以下优点：加入了0.5％的硼元素，硅元素的含量从0.8％增加至1％，硼元素和硅元素能够一起与锰元素形成低熔点共晶化合物，使硼、硅元素能够配合起到良好的脱氧能力；铝元素的含量从0.5增加至1％，铬元素的含量从24％下降至22％、23％，由于原gh3044粉末氧化后的物质主要以nio、cr2o3、al2o3等为主，而cr2o3氧化膜为非保护性氧化膜，所以适当下降铬元素含量，使gh3044氧化后产生的非保护性氧化膜cr2o3减少，al2o3这类保护性氧化膜的数量增加，从而提高抗氧化性，增强了表面抗剥落能力。在保证其强度不低于gh3044合金材料强度的85％和硬度不低于gh3044合金材料硬度的90％前提下，能够增强其合金的高温抗氧化性能。
附图说明
17.图1为本发明实施例1中合金块体材料氧化前后xrd物相分析衍射图谱；
18.图2为本发明实施例1中合金块体材料氧化后表面形貌图；
19.图3为本发明实施例2中合金块体材料氧化前后xrd物相分析衍射图谱；
20.图4为本发明实施例2中合金块体材料氧化后表面形貌图；
21.图5为本发明实施例3中合金块体材料氧化前后xrd物相分析衍射图谱；
22.图6为本发明实施例3中合金块体材料氧化后表面形貌图；
23.图7为本发明对比例1中合金块体材料氧化前后xrd物相分析衍射图谱；
24.图8为本发明对比例1中合金块体材料氧化后表面形貌图；
25.图9为本发明对比例2中合金块体材料氧化前后xrd物相分析衍射图谱；
26.图10为本发明对比例2中合金块体材料氧化后表面形貌图。
具体实施方式
27.以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
28.实施例1
29.按以下元素用质量分数配比研制一种新型高温镍基合金块体材料，镍余量，铬22.0％,钨15.0％，铁4.0％，钼1.5％，硅1％，铝0.5％，钛0.6％，锰0.5％，硼0.5％，碳0.1％，杂质含量0.13％(磷0.01％，硫0.01％，铜0.07％，氧0.02％，氮0.02％)，各原料百分比之和为100％。
30.按目标成分进行原材料的准备。将纯镍、纯铁、纯石墨、纯铬、纯钨、纯钼、镍硼中间合金装入坩埚，纯钛、纯锰、纯铝、纯硅装入二次加料仓中。抽真空至10pa开始加热。坩埚内原材料全部熔化后，保持温度在1550℃进行精炼，精炼时间为20分钟。精炼结束后，充入0.08mpa氩气，加入纯钛、纯锰、纯铝、纯硅，准备第二次原料熔化。待二次原料完全熔化后，调整温度浇铸，浇铸温度1570℃，将熔融均匀后的金属液倒入模具冷却成型。
31.图1为实施例1中合金块体材料氧化前后xrd物相分析衍射图谱，可得到氧化后主要产物为cr
1.3
fe
0.7
o3，且主峰较强；图2为实施例1中合金块体材料氧化后表面形貌图，发现表面并无明显剥落。在室温下经过拉伸实验可得到抗拉强度为708mpa；室温硬度为289hv；在900摄氏度高温下氧化并保温100小时，通过称重可得到氧化100小时后氧化增重达到23.17g/mm3，与对比例1相比，抗氧化性提高了16.26％。
32.实施例2
33.按以下元素用质量分数配比研制一种新型高温镍基合金块体材料，镍余量，铬22.0％,钨15.0％，铁4.0％，钼1.5％，硅1％，铝1％，钛0.6％，锰0.5％，硼0.5％，碳0.1％，杂质含量0.13％(磷0.01％，硫0.01％，铜0.07％，氧0.02％，氮0.02％)，各原料百分比之和为100％。
34.按目标成分进行原材料的准备。将纯镍、纯铁、纯石墨、纯铬、纯钨、纯钼、镍硼中间合金装入坩埚，纯钛、纯锰、纯铝、纯硅装入二次加料仓中。抽真空至10pa开始加热。坩埚内原材料全部熔化后，保持温度在1550℃进行精炼，精炼时间为20分钟。精炼结束后，充入0.08mpa氩气，加入纯钛、纯锰、纯铝、纯硅，准备第二次原料熔化。待二次原料完全熔化后，调整温度浇铸，浇铸温度1570℃，将熔融均匀后的金属液倒入模具冷却成型。
35.图3为实施例2中合金块体材料氧化前后xrd物相分析衍射图谱，可得到氧化后主要产物为cr
1.3
fe
0.7
o3，且主峰较强；图4为实施例2中合金块体材料氧化后表面形貌图，发现表面并无明显剥落。在室温下经过拉伸实验可得到抗拉强度为789mpa；室温下硬度为351hv；在900摄氏度高温下氧化并保温100小时，通过称重可得到氧化100小时后增重质量达到24.33g/mm3，与对比例1相比，抗氧化性提高了12.07％。
36.实施例3
37.按以下元素用质量分数配比研制一种新型高温镍基合金块体材料，镍余量，铬23.0％,钨15.0％，铁4.0％，钼1.5％，硅1％，铝0.5％，钛0.6％，锰0.5％，硼0.5％，碳0.1％，杂质含量0.13％(磷0.01％，硫0.01％，铜0.07％，氧0.02％，氮0.02％)，各原料百分比之和为100％。
38.按目标成分进行原材料的准备。将纯镍、纯铁、纯石墨、纯铬、纯钨、纯钼、镍硼中间合金装入坩埚，纯钛、纯锰、纯铝、纯硅装入二次加料仓中。抽真空至10pa开始加热。坩埚内原材料全部熔化后，保持温度在1550℃进行精炼，精炼时间为20分钟。精炼结束后，充入0.08mpa氩气，加入纯钛、纯锰、纯铝、纯硅，准备第二次原料熔化。待二次原料完全熔化后，调整温度浇铸，浇铸温度1570℃，将熔融均匀后的金属液倒入模具冷却成型。
39.图5为实施例3中合金块体材料氧化前后xrd物相分析衍射图谱，可得到氧化后主要产物为cr
1.3
fe
0.7
o3，且主峰较强；图6为实施例3中合金块体材料氧化后表面形貌图，发现表面并无明显剥落。在室温下经过拉伸实验可得到抗拉强度为715mpa；室温下硬度为299hv；在900摄氏度高温下氧化并保温100小时，通过称重可得到氧化100小时后增重质量达到25.83g/mm3，与对比例1相比，抗氧化性提高了6.65％。
40.实施例4
41.按以下元素用质量分数配比研制一种新型高温镍基合金块体材料，镍余量，铬23.0％,钨15.0％，铁2.0％，钼1％，硅1％，铝0.5％，钛0.6％，锰0.5％，硼0.5％，碳0.1％，杂质含量0.13％(磷0.01％，硫0.01％，铜0.07％，氧0.02％，氮0.02％)，各原料百分比之和
为100％。
42.按目标成分进行原材料的准备。将纯镍、纯铁、纯石墨、纯铬、纯钨、纯钼、镍硼中间合金装入坩埚，纯钛、纯锰、纯铝、纯硅装入二次加料仓中。抽真空至10pa开始加热。坩埚内原材料全部熔化后，保持温度在1550℃进行精炼，精炼时间为20分钟。精炼结束后，充入0.08mpa氩气，加入纯钛、纯锰、纯铝、纯硅，准备第二次原料熔化。待二次原料完全熔化后，调整温度浇铸，浇铸温度1570℃，将熔融均匀后的金属液倒入模具冷却成型。
43.在室温下经过拉伸实验可得到抗拉强度为700mpa；室温下硬度为280hv；在900摄氏度高温下氧化并保温100小时，通过称重可得到氧化100小时后增重质量达到25.32g/mm3，与对比例1相比，抗氧化性提高了8.5％。
44.对比例1
45.按以下元素用质量分数配比研制一种高温镍基合金块体材料作为对比样(gh3044合金)，镍余量，铬24.0％,钨15.0％，铁4.0％，钼1.5％，硅0.8％，铝0.5％，钛0.6％，锰0.5％，碳0.1％，杂质含量0.13％(磷0.01％，硫0.01％，铜0.07％，氧0.02％，氮0.02％)，各原料百分比之和为100％。
46.图7为对比例1中合金块体材料氧化前后xrd物相分析衍射图谱，可得到氧化后主要产物为cr2o3，但主峰强度不高；图8为对比例1中合金块体材料氧化后表面形貌图，发现表面有些许剥落。在室温下经过拉伸试验可得抗拉强度为507mpa；室温下硬度为194hv；在900摄氏度高温下氧化并保温100小时，通过称重可得到氧化100小时后氧化增重为27.67g/mm3。
47.对比例2
48.按以下元素用质量分数配比研制一种高温镍基合金块体材料作为对比样，镍余量，铬22.0％，钨15.0％，铁4.0％，钼1.5％，硅1％，铝0.5％，钛0.6％，锰0.5％，硼1.5％，碳0.1％，杂质含量0.13％(磷0.01％，硫0.01％，铜0.07％，氧0.02％，氮0.02％)，各原料百分比之和为100％。
49.图9为对比例2中合金块体材料氧化前后xrd物相分析衍射图谱，可得到氧化后主要产物为(ni,fe)、cr
1.3
fe
0.7
o3，且cr
1.3
fe
0.7
o3物相强度不高；氧化后表面呈灰绿色，图10为对比例2中合金块体材料氧化后表面形貌图。在室温下经过拉伸试验可得抗拉强度为536mpa，可看到强度相比硼元素含量为0.5％时有所下降；室温下硬度为462hv；在900摄氏度高温下氧化并保温100小时，通过称重可得到氧化100小时后氧化增重为33g/mm3。
50.以上未涉及之处，适用于现有技术。
51.虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围，本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例来做出各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的方向或者超越所附权利要求书所定义的范围。本领域的技术人员应该理解，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。