本發明涉及一種高性能鈷基高溫合金刷絲材料，具體用于制造抗高溫耐磨性、抗高溫耐蝕性、抗氧化性和高強度的刷絲材料，屬于材料加工技術領域。
背景技術：
刷式密封是一種用于發動機、汽輪機以及蒸汽機等透平機械關鍵部分的空氣密封裝置，主要由刷環和與其對應配套的跑道構成。其中，刷環主要由前板、背板及夾持在兩者之間直徑為0.06~0.3mm左右的致密刷絲焊接組成，是空氣系統篦齒密封最好的替代結構，其中刷絲是刷式密封裝置中最為重要的材料部分，要求刷絲在使用過程中具有很好的耐磨性、耐腐蝕性和很高的強度以及高溫下的性能。
在大功率透平機械中，密封泄漏是空氣動力損失的主要來源。GE和CROSS公司的報告認為，由于密封失效導致的級間能量損失比例可以達到1/3，Chupp等報告密封泄漏導致汽輪機效率損失的比例高達22%左右，美國路易斯研究中心的報告認為先進的密封技術可以減少商用發動機10%的燃油消耗量。刷式密封是近幾十年發展起來的新的密封，它的泄漏量相當于傳統的迷宮密封的1/5~1/10，可以顯著提高透平機械的效率和可靠性，降低燃油量，因此受到國內外廣泛的關注。國內外學者對刷絲材料的研究不斷的深入，研發了多種基體的刷絲材料（例如鐵基、鎳基、鈷基等），應用溫度范圍廣，能夠適應不同溫度條件，廣泛的應用于燃氣輪機、發動機以及航空發動機等，大大提高了效率、降低了損耗。針對刷式密封，高溫合金要滿足以下需求： 1）加工性能，由于刷式密封用高溫合金直徑較小，通常僅為0.06~0.3mm，過高的強度不利于絲材的加工成型，因此設計合金時既要考慮高溫強度，又必須滿足其加工成型性能；2）焊接性能，通常高溫合金刷絲是通過焊接技術制成刷環，因而高溫合金必須具有優異的焊接性能；3）耐高溫腐蝕和摩擦磨損性能，由于高溫合金使用環境通常是高溫、潮濕以及摩擦相耦合的條件，因此高溫合金必須具有優異的耐高溫性能。
鈷基高溫合金GH5605是刷式密封用高溫合金之一，目前存在的主要問題是高溫強度偏低，同時高溫耐腐蝕性能差，因而如何提高高溫合金高溫強度，同時不惡化其成型性能并改善高溫耐腐蝕性能是亟需解決的問題。
綜上所述，合理的合金元素的添加及配比，與之相匹配的加工制備工藝、熱處理工藝尤為重要，需要對合金制造方法進行合金成分的優化以及工藝技術的創新與改進，以提高材料質量及成材率。
技術實現要素：
本發明提正是針對現有技術中存在的技術問題，提供一種高性能鈷基高溫合金刷絲材料，該材料抗高溫耐磨性、抗高溫耐蝕性、抗氧化性，并且具有較高強度，即選用合適的合金成分配比以及相對應的加工制備工藝和熱處理工藝，通過對合金強化元素的適量添加、改進加工制備工藝，極大的強化合金性能、提高組織均勻性、細化晶粒、降低缺陷、改善夾雜，提高了合金的成材率。同時，在不改變合金塑性前提下應盡可能的提高合金的綜合性能。該合金絲通過合理的成分控制及合金元素添加，制備期間通過改進冶煉工藝、降低熔煉缺陷、改善組合熱變形加工技術、精確控制熱處理及拉拔參數、分級固溶、分級時效、控制彌散相的分布大小形態、組織均勻性，從而具有較高的成材率以及較好的抗高溫耐磨性、抗高溫耐蝕性、抗氧化性和較高的強度。作為刷密封的刷絲材料，可以有效改善刷密封的密封效果和提高使用壽命。
為了實現上述目的，本發明的技術方案如下：一種高性能鈷基高溫合金刷絲材料，其特征在于，所述刷絲材料的成分及其質量百分比如下：C 0.02-0.1%，Al 1~1.5%，Ti 0.5~2%，B 0.003~0.01%，W 10~14%，Cr 9~11%，Ni 17~25%，余量是Co以及不可避免的雜質。
作為本發明的一種改進，該刷絲材料的制備方法包括以下步驟：
1）將Ni、Cr、Co、W、Al、Ti、C、B按照比例配料，放入熔煉爐中進行熔煉，高溫精煉30~45min，溫度為1750~1850℃，低溫精煉15~25min，溫度為1600~1750℃，再采用重熔進行進一步的精煉，澆鑄成合金錠；
2）對合金錠退火后進行鍛造、軋制，制備成合金盤條；
3）對合金盤條預處理后進行多道次的拉拔-退火，加工成所需尺寸的合金刷絲；
4）對合金刷絲進行固溶-時效處理。
作為本發明的一種改進，步驟1）中所述的熔煉為真空感應爐熔煉或真空電弧爐熔煉；步驟1）中所述的重熔為電渣重熔、等離子重熔、電子束重熔方法中的一種。
作為本發明的一種改進，所述步驟2）所述的退火為均勻化退火，緩慢加熱到800~950℃，保溫2~5h；步驟2）中所述鍛造工藝為在950~1100℃下，開坯鍛造成合金坯1，經下料、氧化皮砂磨以及缺陷處理，再將合金坯在950~1200℃回火加熱1h~2h后，950~1100℃下鍛造成合金坯2；
作為本發明的一種改進，步驟2）中所述的軋制工藝為在1000~1150℃下保溫0.5~1.5h， 950~1200℃下熱軋成Φ8~20mm的合金盤條。
作為本發明的一種改進，步驟3）中所述的預處理為將合金盤條加熱到900~1000℃保溫1h~2h，油冷進行軟化處理，然后在500~600℃下堿煮5~15min，接著高壓水洗，水洗后酸洗，酸洗池溫度為60~100℃，接著再超聲清洗。
作為本發明的一種改進，所述步驟3）中拉拔工藝前添加潤滑劑，再多道次拉拔加工，得到合金絲；步驟3）中所述退火為在進行6~12 道次的拉拔之后要進行真空退火，退火溫度為800~950℃；步驟3) 中制得的合金刷絲的尺寸為Φ0.08~0.4mm。
作為本發明的一種改進，步驟4）中所述的固溶為加熱至1000~1100℃，保溫0.5~1.5h，繼續加熱至1200~1350℃，保溫1~2h，快速油淬得到固溶態合金。
作為本發明的一種改進，步驟4）中所述的時效為加熱至950~1100℃下，保溫3~8h，空冷，再加熱至750~850℃下，保溫20~30h，空冷。
相對于現有技術，本發明的優點如下：
1）高溫性能好，本合金通過優化合金成分，尤其是加入適量的B強化晶界，提高合金絲材的強度和性能，同時基于電子空穴理論和晶格匹配度分析優化合金成分，避免不利相的析出，高溫性能優良；
2）焊接性能優異，高溫合金焊接性能與Al、Ti含量密切相關，本刷絲合金通過優化Al、Ti含量以及之間的比值，焊接性能優異；
3）耐腐蝕性能好，合金通過優化Al:Ti比，改善鈍化膜的組分，大大提高高溫合金的耐腐蝕性能；
4）成型性能好，本高溫合金采用優化成分并結合后期熱處理工藝有效改善合金的加工成型性能，有利于加工成刷絲；
5）該合金絲有害雜質低，內部缺陷少，有效降低碳化物的析出與偏聚。改進合金熔煉工藝，采用真空高溫精煉去除和降低有害雜質、真空低溫精煉降低氣體含量，提高合金的純凈度及可塑性。增加電渣重熔或等離子重熔或電子束重熔，改傳統的單聯冶金為雙聯冶金，合金中的非金屬夾雜、氣體和硫含硫量顯著減少，合金純度進一步提高，力學性能得到很大的改善；
6）該合金鍛造過程表面裂紋少，塑性好，成材率高。改傳統單一自由鍛造為組合式多次鍛造避免了裂紋產生的隨機性，合理控制鍛造比，鍛造成功率大幅提高，表面裂紋減少，改善碳化物分布，破碎細化組織，提高鍛造件的品質；
7）該合金絲晶粒細小均勻，組織均勻，合金中γ′相體積分數較高，顆粒尺寸合適。采用分級固溶處理，使合金成分均勻化，從而有利于進一步提高合金初融溫度，然后繼續提高固溶溫度和延長固溶時間，使合金成分分布更為均勻。采用分級時效處理，一次時效在較高溫度下進行，主要控制一次γ′析出相的大小，減輕服役過程中合金析出相的粗化，二次時效溫度較低，進一步調整強化相的大小、數量和分布，合金中既有粗大的γ′相又有細小的γ′相彌散析出，使合金具有最佳的綜合性能。
具體實施方式
下面結合說明書發明內容用實施例進一步描述本發明，但所述實施例僅用于本發明而不是限制本發明。
實施例1：
一種高性能鈷基高溫合金刷絲材料，該刷絲合金的成分及其質量百分比為：C 0.08%，Al 1.2%，Ti 1.5%，B 0.005%，W 12%，Cr 10%，Ni 22%，Co為余量，尺寸為Φ0.2mm。
上述高性能鈷基高溫合金刷絲材料的制備方法步驟如下：
1）按重量分數稱取Ni錠、Cr錠、Co錠、Ni80Al20（其中，Ni的質量分數為80%，Al的質量分數為20%）、Ni50Ti50（其中Ni的質量分數為50%，Ti的質量分數為50%）錠放入50kg真空感應爐中進行熔煉，熔煉溫度為1750~1850℃，精煉35min；然后在充入10kPa氬，添加微量C、B攪拌熔化，1550~1650℃下，第二次精煉20分鐘，去除有害雜質、降低氣體含量和非金屬夾雜，在真空下靜置澆鑄成合金電極棒；將電極棒進行表面砂磨或車削去皮處理，進行電渣重熔，降低合金中夾雜物及元素偏析等冶金缺陷。
2）對合金錠進行鍛造、軋制：
首先對電渣重熔合金錠進行均勻化退火，緩慢加熱到1050℃，保溫5h。然后在950~1100℃下，開坯鍛造成合金坯，隨后進行下料、砂磨去氧化皮及缺陷砂磨精整處理，再將合金坯回爐1100℃左右保溫2h，在950~1000℃再次鍛造。在進行軋制，在1100℃溫度下保溫1h， 1050~1150℃下熱軋成Φ12mm的合金盤條；
3）對合金盤條進行拉拔-退火：
將合金盤條加熱到950保溫1h，油冷進行軟化處理，然后在500℃下堿煮10min，接著高壓水洗，水洗后酸洗，酸洗池溫度為60~100℃，接著采用丙酮對合金盤條進行超聲清洗，添加潤滑劑，進行多道次拉拔加工，每經6~12道次拉拔后要進行真空退火，退火溫度為750℃，總共經過50道次的拉拔得到Φ0.2mm 的合金絲；
4）對合金絲進行固溶-時效處理：
將合金絲加熱至1050℃，保溫1h，繼續加熱至1150℃，保溫2h，快速油淬得到固溶態合金。接著將固溶態合金，加熱至1000℃下，保溫5h，空冷，再加熱至850℃，保溫25h，空冷后即得所述的合金刷絲。
實施例2
一種高性能鈷基高溫合金刷絲材料，該刷絲合金的成分及其質量百分比為：C 0.05%，Al 1 %，Ti 1.5%，B 0.008%，W 14%，Cr 10%，Ni 23%，Co為余量，尺寸為Φ0.2mm。
上述高性能鈷基高溫合金刷絲材料的制備方法步驟如下：
1）按比例稱取Ni錠、Cr錠、Co錠、Ni50Ti50（其中，Ni的質量分數為50%，Ti的質量分數為50%）錠放入50kg真空感應爐中進行熔煉，熔煉溫度為1750~1850℃，精煉30min；然后在充入12kPa氬，添加微量C、B攪拌熔化，1550~1650℃下，第二次精煉25min，去除有害雜質、降低氣體含量和非金屬夾雜，在真空下靜置澆鑄成合金棒；將電極棒進行表面砂磨或車削去皮處理，進行電子束重熔，降低合金中夾雜物及元素偏析等冶金缺陷，進一步提高合金性能；
2）對合金錠進行鍛造、軋制：
首先對電渣重熔合金錠進行均勻化退火，緩慢加熱到1100℃，保溫4.5h。然后在950~1000℃下，開坯鍛造成合金坯，隨后進行下料、砂磨去氧化皮及缺陷砂磨精整處理，再將合金坯回爐1050℃左右保溫2.5h，在950~1000℃再次鍛造。在進行軋制，在1050℃溫度下保溫1.5h， 1050~1150℃下熱軋成Φ10mm的合金盤條；
3）對合金盤條進行拉拔-退火：
將合金盤條加熱到980保溫1h，油冷進行軟化處理，然后在500℃下堿煮10min，接著高壓水洗，水洗后酸洗，酸洗池溫度為60~100℃，接著采用丙酮對合金盤條進行超聲清洗，添加潤滑劑，進行多道次拉拔加工，每經6~12道次拉拔后要進行真空退火，退火溫度為780℃，總共經過50道次的拉拔得到Φ0.15mm 的合金絲；
4）對合金絲進行固溶-時效處理：
將合金絲加熱至1080℃，保溫1h，繼續加熱至1160℃，保溫2h，快速油淬得到固溶態合金。接著將固溶態合金，加熱至1020℃，保溫5h，空冷，再加熱至780℃，保溫27h，空冷后即得所述的合金刷絲。
需要說明的是上述實施例僅僅是本發明的較佳實施例，并不是用來限定本發明的保護范圍，在上述基礎上作出的等同替換或者替代均屬于本發明的保護范圍，本發明的保護范圍以權利要求書為準。