大尺寸单晶组织高温合金坯体材料的制造方法

摘要

大尺寸单晶组织高温合金坯体材料的制造方法，包括如下步骤：1)高温合金粉末制备；2)高温合金粉末热处理；3)芯管制作；4)高温合金坯料的高速喷锻成形；5)同步再结晶。本发明采用气雾化技术制备高温合金粉末，通过埋碳热处理制度获得无氧、无偏析组织均匀。选择高温合金芯管控制元素组成并通过压缩氮气冷却对成形过程中的温度进行控制实时控制，采用温喷射沉积技术在芯管的外表面上进行高温合金的成形，同步采用电磁加热技术对成形带进行复合再结晶，保证高温合金晶粒的生长，且不生成有害相，最后通过热处理形成单晶组织的耐高温合金盘坯料。本发明制备的坯料组织致密、晶粒尺寸大，材料抗蠕变性能好，坯料尺寸大。

说明书

技术领域

本发明涉及高温合金材料的制造技术，尤其涉及大尺寸单晶组织高温 合金坯体的制造方法。

背景技术

高温合金材料是现代航空发动机、火箭发动机、燃汽轮机所必需的重 要金属材料。它能在高温(一般指600-900℃)、氧化气氛和燃汽腐蚀条 件下，承受较大应力并长期使用。高温合金也是高温合金中最常用的一种， 目前用量较多的是燃汽轮机涡轮盘用高温合金和飞机用涡轮盘用高温合 金。

高温合金是燃汽轮机的关键材料，应用相当广泛。随着社会科学技术 的发展，燃汽轮机的容量越来越大，高温合金涡轮盘的尺寸、单件重量也 趋于大型化，目前10-20万千瓦级的重型燃汽轮机的设计研制已被列入最 近和今后几年发展的重点，相应的高温合金涡轮盘直径尺寸也从原来的 700～1200mm扩大到2000mm左右。

目前传统的高温合金涡轮盘的锻造生产工艺是自由锻和模锻，采用圆 柱体坯粒，直接或多炎次墩粗至所需要的尺寸。其共同的特点是：合金坯 料上方的锤头、下方的工作砧同时与合金坯料的两端整体接触，而压机所 承受的载荷非常大，且高温合金锻件的变形温度范围较窄，仅850～1100℃， 合金塑性变形的热加工时间只有5～10min。高温合金涡轮盘的尺寸越大， 锻造生产所需要的压机吨位也越大。生产实践表明：采用自由锻或模锻工 艺生产直径700mm高温合金涡轮盘时，锻压机的能力是1.2万吨，直径是 1250mm则需要3万吨。目前国内最大的压机能力，直径2000mm的大型 高温合金涡轮盘，压机能力要达到5万吨以上，只能在国外生产，严重制 约中国燃汽轮机的发展，更使核心技术受制于人。

中国专利CN200510024208.8采用绝热保温的方法，降低冷却速度进 行锻造，生产稳定性和效率均受到制约。中国专利CN101143380公开了 一种带中心孔的高温合金模锻件的加工方法，其特征在于：在模锻前先将 高温合金模锻饼坯车出中心孔，去除组织较差的心部金属，然后再进行模 锻加工。中国CN101153360公于一种大规格高温合金圆饼的制备方法， 包括下列步骤：用真空感应炉冶炼电极棒，在合金冶炼时加入微量元素 Mg；将电极棒表面磨光并且将电极棒头部的冒口切除干净；利用真空自 耗炉重熔出自耗锭；冷却脱锭后，对其进行均匀化扩散退火处理；车床将 自耗锭表面车光；将自耗锭尾部切去约20～30mm，从自钢锭尾部处定尺 下料，下料后坯料的高径比为2.5～2.7；对坯料进行包套；坯料加热；镦 饼。中国专利CN101121984公开了一种钛镍铝基高温合金材料， CN1310066公开了一种真空行波电磁细化高温合金精密铸造方法， CN1278199由独立铸成的高温合金的叶片段制成的大型燃气涡轮叶片，其 相邻叶片段之间的接缝位于叶片的低应力区。将叶片段互相对准并以规定 的精度相配合在一起，然后采用瞬间液相连接法将叶片段连接起来，再进 行一种可在连接区形成所需显微组织的可控热处理。本发明方法通过将尺 寸较小的高质量的铸造高温合金叶片段相连接而制成大型的高质量的涡 轮叶片。

美国专利US5097586关注于喷射成形高温合金的制造方法，其熔融金 属喷射工艺控制难度较高，成本也相对较高。

综上所述，制约高温合金材料的制造，尤其是大尺寸高温合金的制备 尤其困难，已构成了高温合金器件大型化的技术瓶径。

发明内容

鉴于现有状况，本发明的目的在于提供一种大尺寸单晶组织高温合金 坯体材料的制造方法，可以获得单晶组织，坯料组织致密、尺寸大。制造 工艺技术稳定，适应性强。

为达到上述的目的，本发明的技术方案是：

大尺寸单晶组织高温合金坯体材料的制造方法，包括如下步骤：

1)高温合金粉末制备

采用真空熔炼，氩气或氦气雾化法制备，粉末为球形，粒径为 10μm～45μm，高温合金熔液的过热度范围为150℃～250℃；

2)高温合金粉末热处理

高温合金粉末制备后，将高温合金粉末混合碳粉，碳粉粒度为 800～120目，碳粉比例为0.05～0.5wt％；混合均匀后放入真空气氛炉 中进行热处理，真空度要求达到10^-3Pa以下，真空度达到后炉温升 至800℃～850℃，保温2.5～3小时，再以10～30℃/min的速度降低 到室温，取出后再真空贮藏备用；

3)芯管制作

芯管采用高温合金材料，芯管外径≥50mm，壁厚≥12.5mm；

4)高温合金坯料的高速喷锻成形

芯管绕其轴心进行转动，采用高压气体携带高温合金粉末对芯 管进行喷锻成形，芯管上形成高温合金坯，芯管转动速度与高温合 金坯的实时外径关系为：r＝15.8/d_t，式中，r为转速，单位为转/分； d_t为高温合金坯的实时外径，单位为米；芯管内通入氮气，氮气压 力为0.6～0.8MPa，氮气温度为150～400℃；

喷锻成形在气密室中进行，高压气体为惰性气体，气体中的氧 气分压低于1.0×10^-2Pa，气体的温度为0.5-0.7T_m，T_m为高温合金材 料的熔点；

高温合金粉末的速度为：

$\upsilon =\sqrt{\frac{4.5(T_m-T_s)·{\sigma }_s}{\rho ·R·(T_m-T_r)}},$

式中，ν为高温合金粉末的速度，单位为m/s；T_m为高温合金 的熔点，单位为K；T_r为室温，单位为K；T_s为高温合金粉末的温 度，单位为K；σ_s为高温合金的室温强度，单位为Pa；ρ为高温合 金的密度，单位为g/cm³；R为高温合金粉末的平均半径，单位为 米；

随着高温合金坯的转动，在高温合金坯外表面沉积形成一个高 温合金喷锻成形环带；

5)同步再结晶

在高温合金喷锻成形环带外，采用高频电磁技术对高温合金喷 锻成形环带进行同步再结晶，高频电磁线圈轴与高温合金坯轴采用 偏心布局。

进一步，所述的粉末粒径为25μm～35μm。

又，步骤2)中，控制高温合金粉末氧含量小于20ppm。

气密室保持0.01MPa以上的正压，氧气分压低于1.0×10^-1Pa。

高温合金粉末输送率s为：75±10g/min；喷锻点束斑直径特征为 10±1mm。

高频电磁线圈在坯料喷锻点束斑正对面与坯料距离始终控制在 0.5-1.0mm之间。

高频电磁再结晶的频率为：f＝30d_t/s，式中，f为频率，单位为kHz； d_t为圆坯体材料实时外径，单位为mm；s为高温合金粉末输送率，单位为 g/min。

高频电磁线圈的宽度为喷锻点束斑直径的2倍；高温合金喷锻成形环 带的最低温度为0.8-0.85T_m，T_m为高温合金材料的熔点；最高温度为 0.85T_m。

喷锻成形点束斑沿坯料轴线的移动速度为：υ_p＝6*r，式中，υ_P为喷 锻成形点束斑移动速度，单位为mm/min；r为转速，单位为转/分。

高频电磁线圈沿坯料轴心线的移动速度与喷锻成形点束斑相同，始终 处于喷锻成形环带上。

同步再结晶的温度：坯料喷锻成形环带在直径方向的温度梯度为：坯 料喷锻成形环带从表面到坯体辊心温度逐渐降低，在表面层10mm内，温 度降低梯度大于30℃/mm。

高温合金坯料成形后立刻送入到退火炉中，退火温度为0.73-0.77T_m， T_m为高温合金的熔点；坯料在保温炉中的保温时间t＝0.5(d_s-d₀)，式中t 为保温时间，单位为min，d_s为坯料最后外径，单位为mm，d₀为芯管外 径，单位为mm；保温后，从退火炉中取出吹空气强制冷却到0.5T_m，然 后空冷致室温。

本发明的有益效果

本发明采用气雾化技术制备高温合金粉末，通过埋碳热处理制度获得 无氧、无偏析组织均匀。选择高温合金芯管控制元素组成并通过压缩氮气 冷却对成形过程中的温度进行控制实时控制，采用温喷射沉积技术在芯管 的外表面上进行高温合金的成形，同步采用电磁加热技术对成形带进行复 合再结晶，保证高温合金晶粒的生长，且不生成有害相，最后通过热处理 形成单晶组织的耐高温合金盘坯料。本发明制备的坯料组织致密、晶粒尺 寸大，材料抗蠕变性能好，坯料尺寸大。

附图说明

图1为本发明一实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。

实施例1

参见图1，本发明的大尺寸单晶组织高温合金坯体材料制造方法，包 括如下步骤：

1)高温合金粉末制备

采用真空熔炼，氩气或氦气雾化法制备，粉末为球形，粒径为 10μm～35μm，高温合金熔液的过热度范围为250℃；

2)高温合金粉末热处理

高温合金粉末制备后，将高温合金粉末混合碳粉，碳粉粒度为 800～120目，碳粉比例为0.5wt％；混合均匀后放入真空气氛炉中进 行热处理，真空度要求达到10^-3Pa以下，真空度达到后炉温升至800 ℃，保温2.5小时，再以30℃/min的速度降低到室温，取出后再真 空贮藏备用；

3)芯管制作

芯管采用高温合金材料，芯管外径50mm，壁厚12.5mm；

4)高温合金坯料的高速喷锻成形

芯管1绕其轴心进行转动，采用高压气体携带高温合金粉末对 芯管进行喷锻成形，芯管上形成高温合金坯2，芯管转动速度与高 温合金坯的实时外径关系为：r＝15.8/d_t，式中，r为转速，单位为 转/分；d_t为高温合金坯的实时外径，单位为米；芯管内通入氮气， 氮气压力为0.6～0.8MPa，氮气温度为150～400℃；

喷锻成形在气密室中进行，高压气体为惰性气体，气体中的氧 气分压低于1.0×10^-2Pa，气体温度为0.5-0.7T_m，T_m为高温合金材料 的熔点；

高温合金粉末的速度为：

$\upsilon =\sqrt{\frac{4.5(T_m-T_s)·{\sigma }_s}{\rho ·R·(T_m-T_r)}},$

式中，ν为高温合金粉末的速度，单位为m/s；T_m为高温合金 的熔点，单位为K；T_r为室温，单位为K；T_s为高温合金粉末的温 度，单位为K；σ_s为高温合金的室温强度，单位为Pa；ρ为高温合 金的密度，单位为g/cm³；R为高温合金粉末的平均半径，单位为 米；

随着高温合金坯的转动，在高温合金坯外表面沉积形成一个高 温合金喷锻成形环带3；

5)同步再结晶

在高温合金喷锻成形环带外，采用高频电磁技术对高温合金喷 锻成形环带进行同步再结晶，高频电磁线圈4轴与高温合金坯轴采 用偏心布局。

进一步，所述的粉末粒径为25μm～35μm。

又，步骤2)中，控制高温合金粉末氧含量小于20ppm。

气密室保持0.01MPa以上的正压，氧气分压低于1.0×10^-1Pa。

高温合金粉末输送率s为：75±10g/min；喷锻点束斑直径特征为 10±1mm。

高频电磁线圈在坯料喷锻点束斑正对面与坯料距离始终控制在 0.5-1.0mm之间。

高频电磁再结晶的频率为：f＝30dx/s，式中，f为频率，单位为kHz； d_t为圆坯体材料实时外径，单位为mm；s为高温合金粉末输送率，单位为 g/min。

高频电磁线圈的宽度为喷锻点束斑直径的2倍；高温合金喷锻成形环 带的最低温度为0.8-0.85T_m，T_m为高温合金材料的熔点；最高温度为 0.85T_m。

喷锻成形点束斑沿坯料轴线的移动速度为：υ_p＝6*r，式中，υ_P为喷 锻成形点束斑移动速度，单位为mm/min；r为转速，单位为转/分。

高频电磁线圈沿坯料轴心线的移动速度与喷锻成形点束斑相同，始终 处于喷锻成形环带上。

同步再结晶的温度：坯料喷锻成形环带在直径方向的温度梯度为：坯 料喷锻成形环带从表面到坯体辊心温度逐渐降低，在表面层10mm内，温 度降低梯度大于30℃/mm。

高温合金坯料成形后立刻送入到退火炉中，退火温度为0.73-0.77T_m， T_m为高温合金的熔点；坯料在保温炉中的保温时间t＝0.5(d_s-d₀)，式中t 为保温时间，单位为min，d_s为坯料最后外径，单位为mm，d₀为芯管外 径，单位为mm；保温后，从退火炉中取出吹空气强制冷却到0.5T_m，然 后空冷致室温。

根据大型高温合金坯的要求，设计其化学成分，采用真空熔炼法熔炼 制备高温合金，并雾化制粉。实施例化学成分见表1所示。

表1                 单位：重量百分比

  Cr   余量   25.3   21   14.6   13   7.8   6.58   2.4   Co   -   余量   2.4   11.2   21   5.2   5.15   11.3   W   16   6.96   1.2   5.58   4.3   7.8   7.8   5.7   Mo   2.32   0.25   2.2   2.17   2.82   2   1.15   0.15   C   0.3   0.35   0.1   0.08   0.03   0.06   0.12   0.08   Al   1.8   0.73   4.5   7.1   3.6   4.9   5.65   5.51   Ti   1.5   0.17   0.2   1.25   5.5   1.3   0.51   -   Ta   -   0.26   -   4.12   1.66   5.8   5.65   7.8   Zr   -   0.18   -   -   0.15   -   -   -   Re   -   -   0.1   2.3   5.5   -   -   3.5   B   -   0.06   -   0.01   0.03   -   -   -   Mn   2.2   -   -   -   -   -   -   -   Fe   21.5   -   余量   -   -   -   -   -   Si   -   -   1.5   -   -   0.11   -   -   Nb   -   -   -   -   1.55   -   -   1.4   Hf   -   -   -   -   1   0.12   -   0.15   Ni   -   11.2   42   余量   余量   余量   余量   余量

在实验室条件下模拟大尺寸高温合金坯的制备，选择了管线钢焊制了 大直径的钢管，两端密封，留有通气孔，同时外部镀镍。高温合金坯料的 制备参数及最终的晶粒尺寸见表2。

表2单晶坯体材料制备参数及最终晶粒尺寸

从表2可见，采用本发明的方法制备的高温合金的晶粒尺寸均大于 150μm，达到了设计的要求。