一種增加鋯元素含量的k4169高溫合金的制作方法
【專利摘要】一種增加鋯元素含量的K4169高溫合金，通過增加鋯元素的含量提高K4169高溫合金的流動性。其中C為0.056％，Ni為52.54％，Cr為19.15％，Mo為3.11％，Al為0.61％，Ti為0.94％，B為0.0026％，Zr為0.035～0.056％，Nb為5.03％，Ta為0.05％，Si為0.043％，Mn為0.0035％，S為0.0018％，P為0.0015％，雜質≤0.01％，余量為Fe；所述百分比均為質量百分比。
【專利說明】—種增加錯元素含量的K4169高溫合金
【技術領域】
[0001]本發明涉及高溫合金鑄造領域，具體是增加并控制微量元素鋯提高K4169高溫合金的流動性。
【背景技術】
[0002]隨著精密鑄造技術的不斷發展，航天、航空、電力及核能領域使用的關鍵熱端部件的結構朝著整體、薄壁空心方向發展，而且正逐步向結構承載方向發展，這些都要求構件具有更好的尺寸穩定性、更優異的疲勞性能和使用壽命。無疑，這些新需求對鑄件的成型與組織控制方面提出了更高的要求。但是，為了大型復雜薄壁鑄件的成形，避免出現欠澆，高溫合金的澆注溫度通常非常高，這導致晶粒粗大、疏松嚴重、斷面柱晶比例大、合金熔體與模殼反應加重等問題，成為航空工業急需解決的重要問題。
[0003]因此，提高高溫合金熔體的流動性是改善大型復雜薄壁鑄件成形質量的有效方法之一。流動性是指金屬本身的流動能力，它與金屬的成分、溫度、雜質含量，及其物理性質有關。它作為凝固特性的一個重要參數，理論上直接關系到金屬的充型能力，即充滿鑄型的型腔獲得形狀完整、輪廓清晰的鑄件的能力，實踐中它直接影響大型薄壁鑄件充型的成敗。目前，現有技術中經常采用高的澆注溫度、高的模殼溫度提高合金的流動性，但是高的澆注溫度和高的模殼溫度會使合金凝固后的晶粒組織變大，從而降低合金的力學性能。向合金中添加稀土元素可以提高合金的流動性，但高溫合金對成分要求很嚴格，其組織和力學性能對成分變化十分敏感，那些在其它合金中被廣泛使用的有效的稀土元素對高溫合金很難起到作用。
[0004]經過對現有技術的文獻檢索發現:關于流動性的實驗研究大都集中于鋁、鎂合金的砂型和金屬型。文獻“W.Qudong, L.Yizhen 等人在 Materials Science and EngineeringA271 (1999)發表的 “Study on the fluidity of AZ91+X RE magnesium alloy” 公開了稀土元素對AZ91鎂合金流動性的影響。該文獻的只是研究了鎂合金的流動性，并沒有對高溫合金的流動性提出工藝方法。
[0005]中國專利號為ZL200610025394在AZ91D合金基礎上添加Ca/Sr/混合稀土等元素改性，提高合金的流動性，但是稀土元素價格昂貴，大幅度提高了合金的制造成本，并且該專利只適用于鎂合金。
[0006]文獻“郭建亭在2008年科學出版社出版的高溫合金材料學上冊中提到碳元素可以提高高溫合金的流動性，但在鑄造高溫合金中碳的百分含量為0.05左右，如果再提高碳的含量就會降低合金的機械性能。現有的高溫合金中，很多都含有微量的鋯。在K4169高溫合金中，鋯元素的質量百分比為0.028左右。
【發明內容】
[0007]為克服現有技術中存在的流動性差的不足，本發明提出了一種增加鋯元素含量的K4169高溫合金。[0008]所述K4169高溫合金中 C 為 0.056%,Ni 為 52.54%，Cr 為 19.15%,Mo 為 3.11 %，Al 為 0.61 %，Ti 為 0.94 %，B 為 0.0026 %，Zr 為 0.035 ~0.056 %，Nb 為 5.03 %，Ta 為
0.05%,Si 為 0.043%,Mn 為 0.0035%，S 為 0.0018%，P 為 0.0015%，雜質≤ 0.01%，余量
為Fe ;所述百分比均為質量百分比。
[0009]本發明通過增加鋯元素的含量提高K4169高溫合金的流動性。合金的流動性是通過螺旋型流動性測試模型進行測定的，以測定澆注的液態高溫合金在模型中流動后凝固的長度表征合金的流動性。如圖1所示為本發明不同含量的鋯對K4169高溫合金流動性測試的實物圖。可以看出，當鋯的質量百分比在0.035~0.049范圍時，K4169高溫合金的流動性提高了 12%以上(詳見表5)。由于合金流動性的提高，其顯微疏松也明顯減少。鋯的質量百分比為0.042的顯微疏松(圖3)比K4169合金(圖2)減少了 81%。
[0010]合金的凝固區間是與流動性直接關聯的凝固參數，Y相是K4169高溫合金的基體相，占有很大的體積分數，故選定Y相初始熔化溫度為固相線，而不選擇與補縮相關的凝固后期的共晶溫度，因此合金的液相線與Y相的初始熔化溫度之間的溫度間隔對合金的流動性有很大的影響。增加微量的元素鋯對合金的液相線溫度影響不大，對Y相的初始熔化溫度呈先增加后減小的趨勢(圖4)。當鋯的質量百分比從0.028增加到0.049時，液相線與Y相的初始熔化溫度之間的溫度間隔先減小后增大，當鋯的質量百分比為0.042時，凝固溫度間隔為31°C。增加鋯的含量可以減小該溫度間隔，使合金的流動性提高。
[0011]鋯在高溫合金中偏析到晶界，是合金最后凝固的區域。當增加微量的鋯可以形成少量的低熔點相，使合金在同一溫度下的剩余液相體積分數增大，從而使合金的流動性提高。當合金液的溫度從1350°c降低到1290°c時，各成分合金的剩余液相分數在不斷地減少，同時合金的剩余液 相分數隨著鋯含量的增加而增加(圖5)。K4169高溫合金為寬結晶溫度間隔凝固合金，當凝固后的固相體積分數為25~50%時，液態合金就停止流動了。所以在相同溫度下，剩余液相越多合金的流動性越好。
[0012]由于K4169高溫合金的組織和力學性能對成分變化十分敏感，如果通過改變調整主要元素來提高合金的流動性會使合金的力學性能降低。鋯作為有益的微量元素對高溫合金的力學性能有非常重要的作用。元素鋯偏聚到晶界，可減少晶界缺陷，提高晶界結合力，降低晶界擴散速率，從而提高合金的力學性能。同時，鋯還可以作為凈化劑，與C和S結合形成一次硫化物或硫碳化物，使合金中的有害元素S含量降低。此外，加入合金中的鋯大部分進入到Y'中，使Y'相的數量增加，并使相的溶解溫度提高，這對于合金的高溫強度的提高十分有利。因此，本發明通過增加微量的鋯在不降低合金力學性能的前提下，使K4169高溫合金的流動性提高12%以上。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1是不同含量的鋯對K4169合金流動性影響的實物圖；其中，圖1a是K4169合金試樣；圖1b是鋯的質量百分比為0.035時K4169合金試樣；圖1c是鋯的質量百分比為
0.042時K4169合金試樣；圖1d是鋯的質量百分比為0.049時K4169合金試樣；圖1e是鋯的質量百分比為0.056時K4169合金試樣。
[0014]圖2是K4169合金的顯微疏松圖。
[0015]圖3是鋯的質量百分比為0.042對K4169合金顯微疏松的影響。[0016]圖4是不同含量的鋯對K4169合金的DSC曲線的影響；其中，曲線I是鋯的質量百分比為0.056時DSC曲線圖；曲線2是現有的K4169合金的DSC曲線圖；曲線3是鋯的質量百分比為0.049時DSC曲線圖；曲線4是鋯的質量百分比為0.035時DSC曲線圖；曲線5是鋯的質量百分比為0.042時DSC曲線圖。
[0017]圖5是不同含量的鋯對K4169合金在不同溫度下的剩余液相分數的影響；其中，曲線6是鋯的質量百分比為0.056時剩余液相分數圖；曲線7是鋯的質量百分比為0.049時剩余液相分數圖；曲線8是鋯的質量百分比為0.042時剩余液相分數圖；曲線9是鋯的質量百分比為0.035時剩余液相分數圖；曲線10是現有的K4169合金的剩余液相分數圖。
【具體實施方式】
[0018]實施例1
[0019]本實例是一種能夠提高K4169高溫合金流動性的配方，其組分如表1所示:
[0020]表1
[0021]
【權利要求】
1.一種增加鋯元素含量的K4169高溫合金，其特征在于，所述K4169高溫合金中C為 0.056%, Ni 為 52.54 %，Cr 為 19.15 %，Mo 為 3.11 %，Al 為 0.61 %，Ti 為 0.94 %，B為 0.0026 %，Zr 為 0.035 ~0.056 %, Nb 為 5.03 %，Ta 為 0.05 %，Si 為 0.043 %，Mn 為.0.0035%, S為0.0018%, P為0.0015%，雜質≤0.01%，余量為Fe ;所述百分比均為質量百分比 。
【文檔編號】C22C19/05GK103924125SQ201410163845
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月21日 優先權日:2014年4月21日
【發明者】黃太文, 介子奇, 張軍, 劉林, 周偉, 張琰斌, 傅恒志 申請人:西北工業大學