一种中间合金及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于冶金领域，涉及一种中间合金及其制备方法和应用。所述合金包括Fe、Al、Mo、Nb、Cr、Ti，本发明专利技术通过合理的设计合金成分及含量可以更好地控制合金元素在最终产品中的比例，改善合金化。本发明专利技术通过采用两步法进行冶炼，可获得化学成分更准确且纯净度高的合金锭。采用本发明专利技术提供的方法可以获得低成本、低密度、低熔点、成分均匀、杂质元素含量低，且能有效提高制备的高温合金的材质性能的中间合金，解决了高温合金IN718在冶炼中产生的偏析及夹杂等问题。

【技术实现步骤摘要】
一种中间合金及其制备方法和应用
本专利技术属于冶金领域，涉及一种铁铝铬钼铌钛(FeAlCrMoNbTi)中间合金及其制备方法和应用。
技术介绍
高温合金(Superalloys)是指以铁、镍、钴为基，能在600℃以上的高温环境下抗氧化或耐腐蚀，并能在一定应力作用下长期工作的一类金属材料。20世纪50年代初期，国际镍公司研制成功Inconel718(简称IN718)合金，我国于1968年开始研制并形成相近牌号GH4169合金，该合金在-253℃～650℃温度范围内具有良好的综合性能，650℃以下的屈服强度居变形高温合金的首位，并具有疲劳、抗辐射、抗氧化、耐腐蚀性能以及良好的加工性能、焊接性能和长期组织稳定性。现代航空发动机的很多零部件，例如涡轮盘、叶片、机匣、轴、定子、封严、支撑件、管路、坚固件等，都采用IN718制成。IN718常用的冶炼工艺是真空感应熔炼+真空自耗重熔或电渣重熔(双联)。目前正在进行真空感应熔炼+电渣重熔+真空自耗重熔三联冶炼工艺研究。多数采用金属镍(Ni)、金属铌(Nb)、金属钼(Mo)和金属铬(Cr)等纯金属作为原材料。其中，高熔点高密度Nb、Mo在冶炼过程中易导致偏析和夹杂等缺陷。例如，黑斑缺陷的产生是由于不同金属的密度差异而产生的Nb、钛(Ti)、碳(C)的富集。该缺陷内包含大量Laves等有害相，其高脆性和大量强化元素Nb的消耗，导致材料强度、延展性、疲劳寿命、抗裂纹性能下降，难以满足其在航空航天领域的使用要求。而且熔炼过程中直接投入纯金属作为原料还会大幅增加成本，而如果投入金属氧化物虽然可以一定程度降低成本，但会导致合金纯度不够，造成材料缺陷。现有技术中高温合金的冶炼过程为：先分别将Ni、Cr、Nb和Mo置于坩埚中进行真空感应熔炼，到达一定温度再将铁钛(FeTi)中间合金加入至坩埚内进行熔炼。该方法配料过程原料种类繁多，不易操作。目前的中间合金多采用一步法(铝热还原反应)来制备，由于该方法为炉外法，制备的合金杂质含量偏高，不能满足作为高温合金熔炼原料的要求。因此，本领域需要开发一种中间合金，要求具有低成本、低密度、低熔点、成分均匀、杂质含量低等特点作为IN718冶炼原材料的替代品。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种用于制备高温合金的铁铝铬钼铌钛(FeAlCrMoNbTi)多元合金及其制备方法和用途，通过该制备方法可以获得低成本、低密度、低熔点、成分均匀、杂质元素含量低，且能有效提高制备的高温合金的材质性能的中间合金，解决在高温合金冶炼中产生的偏析及夹杂等问题。本专利技术的技术方案是：本专利技术提供的一种铁铝铬钼铌钛(FeAlCrMoNbTi)中间合金，按质量百分比计，合金成分如下：Fe24-28％，Al0-1.8％，Cr48-52％，Mo7-9％，Nb12-14％，Ti＝0％。较佳的合金组成为：Fe26％，Al1.5％，Cr50％，Mo8％，Nb13％，Ti＝0％。当Ti＝0％时，该合金为铁铝铬钼铌中间合金。所述中间合金组成还可以为Fe24-28％，Al0-1.8％，Cr47-51％，Mo7-9％，Nb12-14％，0％<Ti≤2.5％。较佳的合金组成为：Fe26％，Al1.5％，Cr49％，Mo8％，Nb13％，Ti2％。本专利技术提供了一种多元中间合金，其用途为高温合金熔炼的原料，通过使用该原料可以生产出符合规范的高温合金终产品。本专利技术首要专利技术点是合金的组成成分，中间合金的组成中Mo和Cr在高温合金中的作用是固溶于Fe、Ni等基体，形成连续分布的面心立方奥氏体相(γ相)，使晶格产生畸变，引起强化，提高再结晶温度，达到提高合金的高温合金强度的目的；元素Mo的第二个作用是与碳结合形成MoC强化相；元素Al，Ti和Nb的作用是进入基体并形成主要强化相(γ’相:Ni3AlTi)和辅助强化相(γ”相:Ni3Nb)，这两相总是在γ基体上共格析出，沉淀相的质点与位错交互作用达到沉淀强化的效果。本专利技术第二个专利技术点是各合金元素的含量，一方面对于高温合金来说，Mo含量过高可能会析出σ相等有害相，其高脆性导致合金延展性和疲劳寿命严重下降；Nb元素有严重的偏析倾向，其含量过高也会影响合金的使用寿命和性能；而Al和Ti含量的总和过高，则会有晶界碳化物的存在，降低合金的工艺塑性，给热加工带来不利的影响。另一方面，本专利技术旨在将中间合金直接作为原料制备IN718高温合金，各合金元素的含量都是经过设计的，在熔炼过程中可以不用再引入其他单质，所以本专利技术中间合金可以满足高温合金的规范，简化高温合金熔炼工艺，降低熔炼成本。本专利技术还提供了该中间合金的制备方法，包括如下步骤：(1)按照配比准备配料；主要配料为：铁粉(Fe)、铁的氧化物、铁盐等含铁元素的物质、金属铬(Cr)或铬的氧化物、铬盐等含铬元素的物质、钼的氧化物或钼盐等含钼元素的物质、铌的氧化物或铌盐等含铌元素的物质、金属铝(Al)、金属镁(Mg)等含镁元素的物质、海绵钛(Tisponge)、钛的氧化物等含钛元素的物质。(2)将混匀的物料加入反应坩埚，并点火；得到一级合金；(3)将一级合金进行真空熔炼；熔炼温度为1680～1700℃，真空度小于10帕，炉料熔化后在1700℃的高温下短时沸腾精炼5～15分钟，并在真空条件下进行合金浇铸于水冷铜坩埚内；(4)待合金冷却后取出合金。所述步骤(1)中，本专利技术主要采用三氧化二铁(Fe2O3)、三氧化二铬(Cr2O3)、重铬酸钾(K2Cr2O7)、氧化钼(MoOx)、五氧化二铌(Nb2O5)、金属铝(Al)、金属镁(Mg)、二氧化钛(TiO2)或海绵钛(Tisponge)作为中间合金的原料。由于合金中金属铬(Cr)含量高达50％，而Cr2O3和Al反应所产生的热量不足以使其他氧化物被完全还原成金属而使金属渣很好地分离，需要加入K2Cr2O7作为辅助增热剂来提高整体反应的热量，与此同时向合金中提供Cr。由于中间合金中Al含量较低，Al的投入量会对氧化物的反应收率产生较大影响，这时加入少量的Mg代替铝Al作为还原剂可提高金属氧化物的收率。原料于反应坩埚中点火还原制得FeAlCrMoNbTi合金和炉渣。本专利技术可采用任一种材质来制备反应坩埚，优选采用三氧化二铝(Al2O3)制作成反应坩埚，用铝热还原反应制备FeAlCrMoNbTi合金。Al2O3含有高温合金中的元素Al，以其作为原料制备反应坩埚不引入其他元素，可循环、无污染，相比于其他坩埚更有优势。所述步骤(2)中反应不需要加热，点火所用的点火剂为金属镁粉(Mg)、金属铝粉(Al)和过氧化钙粉末(CaO2)。使用时该混合物容易被镁粉和金属粉末的燃烧引燃，作为副反应，产生的热量引发主反应。为了充分利用反应产生的炉渣(Al2O3)，真空熔炼炉的炉衬用炉渣(Al2O3)制成，可以有效减少杂质的引入，有利于进一步减少合金中杂质的含量。既节约了成本又起到了原料循环使用的作用。通过铝热还原法制备的FeAlCrMoNbTi合金外观无颜色、无气孔、质地均匀，但其杂质元素含量还无法达到高温合金冶炼添加的要求，这时需要采用真空感应熔炼对其进行精炼，通过真空脱氧(O)、脱氮(N)、脱硫(S)及杂质元素挥发，冶炼出化学成分准确且纯净度高的合金锭。真空感应熔炼采用铝热还原反应制备的合金作本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铁铝铬钼铌钛中间合金，其特征在于，按质量百分比计，合金成分如下：Fe 24‑28％，Al 0‑1.8％，Cr 48‑52％，Mo 7‑9％，Nb 12‑14％，Ti＝0％。

【技术特征摘要】
1.一种铁铝铬钼铌钛中间合金，其特征在于，按质量百分比计，合金成分如下：Fe24-28％，Al0-1.8％，Cr48-52％，Mo7-9％，Nb12-14％，Ti＝0％。2.根据权利要求1所述的中间合金，其特征在于，按质量百分比计，合金成分如下：Fe26％，Al1.5％，Cr50％，Mo8％，Nb13％，Ti＝0％。3.一种铁铝铬钼铌钛中间合金，其特征在于，按质量百分比计，合金成分如下：Fe24-28％，Al0-1.8％，Cr47-51％，Mo7-9％，Nb12-14％，0％<Ti≤2.5％。4.根据权利要求3所述的中间合金，其特征在于，按质量百分比计，合金成分如下：Fe26％，Al1.5％，Cr49％，Mo8％，Nb13％，Ti2％。5.如权利要求1-4任一种所述的中间合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)按照配比准备配料；(2)将混匀的物料加入反应坩埚，并点火；得到一级合金；(3)将一级合金进行真空熔炼；熔炼温度为1680～1700℃，真空度小于10帕，炉料熔化后在1700℃的高温下短时沸腾精炼5～15分钟，并在真空条件下进行合金浇铸于水冷铜坩埚内；(4)待合金冷却后取出合金。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)...

【专利技术属性】
技术研发人员：奥斯卡·罗伊德尔，李庆莲，杜剑雄，姚武世，刘志国，
申请(专利权)人：大连融德特种材料有限公司，
类型：发明
国别省市：辽宁,21