难变形高温合金和难变形高温合金件的制备方法

摘要

提供了一种难变形高温合金及其制备方法，该制备方法提高难变形高温合金钢锭质量、改善难变形高温合金热塑性和预防锻造热加工过程开裂。所述难变形高温合金的成分范围按重量百分比计为：0%≤C≤0.1%，16.5%≤Cr≤19.5%，13.5%≤Co≤16.0%，1.0%≤W≤2.0%，2.5%≤Mo≤3.5%，2.0%≤Al≤3.0%，4.5%≤Ti≤5.5%，0%≤Fe≤1.0%，0.01%≤B≤0.03%，0%≤Zr≤0.06%，0%≤S≤0.002%，0%≤Si≤0.15%，0%≤Mn≤0.15%，余量为Ni和其它不可避免的杂质。

说明书

技术领域

本发明涉及合金冶炼领域，具体地说，涉及一种难变形高温合金和一种 难变形高温合金件的制备方法，该制备方法能够提高难变形高温合金件的质 量、改善难变形高温合金件的热塑性和预防锻造热加工过程中的开裂。

背景技术

在制备难变形高温合金件时，具体地说，在难变形高温合金件的锻造热 加工过程中，变形抗力大，变形温度区间窄，热加工塑性差，在热加工变形 过程中容易开裂，需要增加打磨次数和热加工火次才能成材，因而降低了难 变形高温合金件的成材率、增加了能源消耗和劳动成本，甚至造成整支钢锭 或坯料的报废，造成巨大的经济损失。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的之一在于解决上述现有技术 中存在的一个或多个问题。

本发明的目的在于通过优化冶炼、浇注工艺参数和锭型来提高难变形高 温合金纯洁度、改善钢锭质量，从而提高难变形高温合金热塑性，并在锻造 热加工过程中进行保温处理工艺，采用弧形砧（或V型砧）锻造拔长工艺和 模锻镦粗成型工艺预防锻造热加工过程开裂，以降低生产成本和提高成材率， 制备出合格的产品。

根据本发明的一方面，提供了一种难变形高温合金，所述难变形高温合 金的成分按重量百分比计为：0%≤C≤0.1%，16.5%≤Cr≤19.5%， 13.5%≤Co≤16.0%，1.0%≤W≤2.0%，2.5%≤Mo≤3.5%，2.0%≤Al≤3.0%， 4.5%≤Ti≤5.5%，0%≤Fe≤1.0%，0.01%≤B≤0.03%，0%≤Zr≤0.06%，0%≤S≤0.002%， 0%≤Si≤0.15%，0%≤Mn≤0.15%，余量为Ni和其它不可避免的杂质。

所述难变形高温合金的成分按重量百分比计为：C为0.075%，Cr为 18.0%，Co为15.0%，W为1.5%，Mo为3.0%，Al为2.5%，Ti为5%，B 为0.02%，Zr为0.04%，余量为Ni和其它不可避免的杂质。

根据本发明的一方面，提供了一种难变形高温合金件的制备方法所述方 法包括下述步骤：（a）熔炼，熔炼得到如下成分的合金：0%≤C≤0.1%， 16.5%≤Cr≤19.5%，13.5%≤Co≤16.0%，1.0%≤W≤2.0%，2.5%≤Mo≤3.5%， 2.0%≤Al≤3.0%，4.5%≤Ti≤5.5%，0%≤Fe≤1.0%，0.01%≤B≤0.03%， 0%≤Zr≤0.06%，0%≤S≤0.002%，0%≤Si≤0.15%，0%≤Mn≤0.15%，余量为Ni 和其它不可避免的杂质；（b）浇铸，采用上注法浇铸；（c）重熔，熔炼电压 为22V-30V，熔炼电流为2000A-3000A、熔滴速率为3滴/s-6滴/s，并且采用 水冷与充氦气冷却相结合的冷却方式，用氦气压强为100Pa-200Pa工艺生产 出重熔钢锭；（d）热加工锻造：在钢锭加热出炉后锻造前设置保温处理工艺， 所述保温处理工艺为在硅酸铝保温棉上撒上一层玻璃粉末，使钢锭表面粘结 一层硅酸铝保温棉进行保温处理后，采用无拉应力弧形砧对钢锭进行锻造拔 长。

所述制备方法中的熔炼步骤包括分批装料步骤，在所述熔炼的分批装料 步骤中，除易烧损元素原材料C块重量的1/3的C和原材料Al条重量的1/3 的Al、Ti和微合金化元素B、Zr原料外，其它元素原料均一次装炉，随炉装 入生石灰，在脱硫脱氮脱氧精炼完成后，加入易烧损元素原材料C块重量的 1/3的C和原材料Al条重量的1/3的Al、Ti，出钢前5分钟加入B、Zr原料。

所述制备方法中的浇铸步骤过程中的锭型为

所述制备方法中的浇铸步骤过程中使用的锭模用钢水烫过，上部加保温 帽口，浇注口与保温冒口距离小于300mm，保持钢液成股流下。

所述制备方法中的重熔步骤得到的重熔钢锭。

所述制备方法中的热加工锻造步骤包括对进行保温处理后并进行无拉应 力弧形砧锻造拔长的步骤进行多火次重复。

所述制备方法还包括在完成热加工锻造后，将钢锭锻造拔长至2mm，线切割去钢锭头尾并分段，得到的坯料，以 R=20mm车倒角，经所述保温处理工艺后，采用模锻套环墩粗，得到2mm×100±2mm的坯料，制备出机加工后尺寸为的难 变形高温合金小盘件。

附图说明

图1是根据本发明实施例的真空感应熔炼曲线图。

具体实施方式

以下，将参照具体的示例来详细说明本发明的实施例。

本发明的示例性实施例提供了一种难变形高温合金。该难变形高温合金 的成分按重量百分比计为：0%≤C≤0.1%，16.5%≤Cr≤19.5%，13.5%≤Co≤16.0%， 1.0%≤W≤2.0%，2.5%≤Mo≤3.5%，2.0%≤Al≤3.0%，4.5%≤Ti≤5.5%， 0%≤Fe≤1.0%，0.01%≤B≤0.03%，0%≤Zr≤0.06%，0%≤S≤0.002%，0%≤Si≤0.15%， 0%≤Mn≤0.15%，余量为Ni和其它不可避免的杂质。

优选地，本发明的难变形高温合金的成分按重量百分比计为：C为 0.075%，Cr为18.0%，Co为15.0%，W为1.5%，Mo为3.0%，Al为2.5%， Ti为5%，B为0.02%，Zr为0.04%，余量为Ni和其它不可避免的杂质。

本发明的难变形高温合金是一种高A1、Ti含量的难变形的镍基高温合 金，具有良好的拉伸强度、耐高温持久性和耐疲劳性，特别是在900℃以上 具有高强度、抗氧化性和组织稳定性，主要用来制造高推重比、高效率发动 机涡轮盘件，也可用来制造整体燃气涡轮转子，工作温度可达980℃。由于 难变形高温合金的合金化程度高，尤其是其A1和Ti含量总和可以高达7.5%， 形成的γ’相含量达45%左右，这导致难变形高温合金容易成分偏析且热加工 变形困难，易开裂。

本发明还提供了一种难变形高温合金件的制备方法，该制备方法包括熔 炼、浇铸、重熔和热加工锻造。

首先，熔炼得到如下成分的合金：0%≤C≤0.1%，16.5%≤Cr≤19.5%， 13.5%≤Co≤16.0%，1.0%≤W≤2.0%，2.5%≤Mo≤3.5%，2.0%≤Al≤3.0%， 4.5%≤Ti≤5.5%，0%≤Fe≤1.0%，0.01%≤B≤0.03%，0%≤Zr≤0.06%，0%≤S≤0.002%， 0%≤Si≤0.15%，0%≤Mn≤0.15%，余量为Ni和其它不可避免的杂质。

优选地，熔炼过程中采用的电极熔炼炉型可以为3000磅真空感应炉，在 真空感应熔炼时精选优质高纯金属原材料，目的是减少原材料带入的有害元 素含量。

优选地，在向熔炼炉中装料时，除易烧损元素原材料C块重量的1/3的 C和原材料Al条重量的1/3的Al（以下简称1/3C和1/3Al）、Ti和微合金化 元素（B、Zr等）原料外，其它元素原料均一次装炉，随炉装入生石灰，并 按下紧上松的原则装料，防止熔炼过程中架桥。待抽真空度达到≤1Pa时给电 化料，并采用低功率化料。待原材料熔化完全后，进行大功率电磁搅拌， 1520℃-1540℃高温脱硫，延长保温时间，以达到脱氮脱氧的目的。在熔炼后 期，脱硫脱氮脱氧精炼完成后，加入易烧损元素1/3C、1/3Al、Ti，出钢前5 分钟加入微合金化元素（B、Zr等）原料，具体见图1。

具体地说，从图1中示出的真空感应熔炼工艺曲线中可以看出，分批次 加入原料，并且在熔炼过程中低功率台阶式地升温。具体地说，分若干阶段 的功率将温度升高，每升高一次温度保温一段时间，例如，保温20min，这 能够使合金原料在低功率下很好地化料，在不增加成本的情况下提高冶炼质 量。

在所述熔炼的分批装料步骤中，除易烧损元素1/3C、1/3Al、Ti和微合 金化元素B、Zr等原料外，其它元素原料均一次装炉，随炉装入生石灰，随 后温度升高至熔炼温度，待原料全部融化之后在大约300KW的高功率下进行 精炼。

具体地说，如图1中所示，在1520℃-1540℃下完成脱硫脱氮脱氧的精 炼。在熔炼后期，加入易烧损元素1/3C，延长保温时间，随后在150±5KW 的功率条件下保温60分钟，随后进行第一次停电结膜，150±5KW的功率条 件下保温60分钟，目的是脱氧、脱氮，并提高钢夜纯洁度，达到精炼的目的， 第一次停电结膜是因为后续冶炼操作中的Al、Ti加入是一个激烈的放热的过 程，停电结膜目的是让温度降下来，使Al、Ti加入时，降低其激烈程度，防 止喷溅和温度过高，造成后续熔炼操作温度控制困难。第一次停电结膜过去 一段时间后，继续升温，在1520℃-1540℃下加入1/3Al、Ti元素，保温5分 钟，随后经过20分钟的150±5KW的功率条件下保温后，随后进行第二次停 电调温。20分钟的150±5KW的功率条件下保温可以进一步脱去氧、氮等杂 质元素，提高钢液纯净度，第二次停电调温是为后续操作出钢的温度做准备， 进而调整钢液温度为后续带电出钢创造条件。在此之后，充氩气，待氩气达 26665Pa之后，准备出钢，在出钢前5分钟加入B、Zr原料，在1400℃-1430℃ 的温度下带电出钢。

优选地，根据本发明实施例的优化的浇铸工艺所采用的参数可以如下所 示：锭型为上注法浇注；锭模须用钢水烫过，清洁无锈，上部加 保温帽口；浇铸在真空下带电出钢，浇铸口与保温冒口距离小于300mm，保 持钢液成股流下，控制浇铸速度及充填质量；浇铸后模冷时间需大于1h。

至此，根据本发明的示例性实施例通过优化熔炼、浇铸工艺参数得到低 硫低氮低氧高纯洁度质量良好的电极棒。

电极棒需打磨，视情况有必要时可进行表面车光和切除适量填充端后进 行真空电弧重熔。根据本发明，可以采用型号为VAR660P7Ti的真空电弧重 熔炉。

打磨和车光的方法可以使用本领域技术人员常用的技术手段，只要能够 满足对钢的品质的需求即可。

优选地，在真空电弧重熔过程中控制熔炼电压为22V-30V、熔炼电流为 2000A-3000A、熔滴速率为3滴/s-6滴/s，并且采用水冷与充氦气冷却相结合 的冷却方式进行冷却，其中，氦气压强为100Pa-200Pa，经过重熔后生产出原 始组织晶粒细小和低成分偏析的质量良好的真空电弧重熔钢锭。

随后，钢锭经拔皮后尺寸为左右，进行1150℃×40h均匀化热 处理使钢锭成分进一步均匀，减小微观偏析。

在接下来的热加工锻造过程中，可以采用2000吨快锻锻造设备在钢锭加 热出炉后锻造前，在硅酸铝保温棉上撒上一层熔点为1000℃左右的玻璃粉末， 使钢锭表面粘结一层硅酸铝保温棉进行保温处理，以减缓钢锭的散热速度， 使钢锭能较长时间的停留在适合热加工锻造变形的温度区间内，保温增加每 火次变形量，并采用无拉应力弧形砧（或V型砧）对钢锭进行锻造拔长，预 防表面开裂。多火次，重复进行保温处理后并无拉应力弧形砧（或V型砧） 锻造拔长至左右。然后线切割去钢锭头尾和分段（±2mm）、车倒角（R=20mm）、保温处理（同上）后，采用模锻套环墩粗（±2mm×100±2mm），改善难变形高温合金热塑性和预防热加工过程开裂，制 备出合格的产品，机加工后尺寸

根据本发明实施例的制备方法通过在锻造热加工过程中进行保温处理工 艺，采用弧形砧（或V型砧）锻造拔长工艺和模锻镦粗成型工艺预防锻造热 加工过程中的开裂，降低了生产成本并提高了成材率，制备出合格的产品。

根据本发明实施例的制备方法通过优化熔炼、浇铸工艺参数和热加工锻 造过程中的工艺参数来提高难变形高温合金纯洁度、改善钢锭质量，从而提 高难变形高温合金热塑性。

尽管已经参照本发明的实施例具体描述了本发明的示例性实施例，但是 本领域的技术人员应该知道，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以 对实施例做出各种形式的改变。