一種MCrAlY離子鍍陰極材料及其鑄件的制備方法
【專利摘要】本發明涉及MCrAlY離子鍍陰極材料制備領域，具體涉及一種葉片維修和表面防護用MCrAlY離子鍍陰極材料及其鑄件的制備方法，適用于MCrAlY材料和離子鍍陰極鑄件的制備。本發明在MCrAlY離子鍍陰極材料的制備中采用一種新型的分段式凝固冷卻控制技術，控制MCrAlY離子鍍陰極材料鑄件冷卻過程中不同階段的冷卻速度。在初期，采用較快冷卻速度，使合金鑄件中形成細晶及抑制縮松；在中期，對鑄件采用較為緩慢的冷卻速度，減小合金中內應力；在凝固后期，可使鑄件自然冷卻至室溫。本發明解決了MCrAlY合金鑄造中的脆斷和冷裂這一難題，將本發明制備的合金鑄件與進口陰極件的組織結構對比，兩者組織狀態極為相近。
【專利說明】—種MCrAIY離子鍍陰極材料及其鑄件的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及MCrAH離子鍍陰極材料制備領域，具體涉及一種葉片維修和表面防護用MCrAH離子鍍陰極材料及其鑄件的制備方法，適用于MCrAH材料和離子鍍陰極鑄件的制備。
【背景技術】
[0002]MCrAlY材料屬于一種特殊的鎳基高溫合金，用其制備的防護涂層致密，結合強度好，耐熱腐蝕和氣蝕，使用溫度高，抗氧化性能優良，是目前最先進的防護應用技術，主要應用于航空發動機葉片、燃氣機葉片等熱端部件的耐熱涂層及其熱障涂層的粘結過渡層，同時應用于冶金軋輥、熱浸鍍浸沒輥、熱處理爐輥等熱工設備表面的耐熱涂層以及高溫爐風口、防熱罩表面熱障涂層的粘結過渡層等。
[0003]渦輪葉片和導向葉片等熱端部件是發動機的關鍵部件，其制備和維修涉及葉片表面防護用MCrAH離子鍍陰極材料。由于國外在相關技術的封鎖，而國內又沒有相應的替代技術，掌握葉片制造的全部技術，包括MCrAH離子鍍陰極材料和制備技術，實現MCrAH離子鍍陰極材料和制備技術國產化具有重大的戰略意義和顯著的經濟效益。
[0004]MCrAH宏觀結構為等軸晶組織，微觀組織中主要由β-NiAl、α-Cr、Y ' -Ni3Al或Y固溶體組成。由于該合金以金屬間化合物為主，所以顯示極高的脆性，同時在凝固過程中枝晶發達、合金中活性元素含量高(Crl8~22%、A111~13.5%,Y0.3~0.6%)。此外，合金應用過程中，對氣體含量有嚴格要求((0+H+N) ^ 0.02wt%)，但合金中將C作為雜質元素而限制其含量0.05wt%)，不利于合金在真空條件下脫除氣體，這都對合金冶煉和鑄造技術提出了更高要求。
[0005]MCrAlY合金在冶煉和制備離子鍍陰極過程中存在幾個問題:一是大量Al的加入引起熔體急劇升溫，二是Y的揮發嚴重，使冶煉過程不易控制。同時，Al、Y含量較高，具有較強的化學活性，易與陶瓷型殼材料發生反應，在鑄件表面形成缺陷。而最主要的，則是MCrAH材料的鑄件往往會產生穿透性斷裂的問題，這是材料本質脆性所導致的鑄件斷裂。可見，脆性材料的鑄造斷裂是制備合格的離子鍍陰極的一個關鍵技術難題，這也是該種材料在國內一直難以廣泛應用的原因。
[0006]所以，急需開發我國具有自主知識產權的MCrAH材料及其離子鍍陰極制備技術，滿足國內航空技術發展及其它領域的特殊需求。
【發明內容】
[0007]本發明的目的在于提供一種MCrAH離子鍍陰極材料及其鑄件的制備方法，解決現有MCrAH材料脆性較大，容易導致MCrAH材料鑄件產生穿透性斷裂的問題。
[0008]本發明的技術方案是:
[0009]一種MCrAH離子鍍陰極材料及其鑄件的制備方法，包括如下步驟:
[0010](I)合金熔煉:按照MCrAH離子鍍陰極材料的化學成分和配比配料，采用真空感應爐熔煉并鑄造成母合金錠；熔煉過程中，精煉溫度1400~1600°C精煉時間I~IOminJp內真空度控制為0.01~5Pa ；
[0011](2)澆鑄過程:經步驟(1)處理后的母合金錠進行重熔澆鑄，采用真空感應爐熔化母合金錠，并澆注到鑄型中，澆鑄溫度1400~1550°C，獲得合金鑄件；
[0012](3)凝固及冷卻過程:合金鑄件凝固控制工藝為，初始冷卻速度為5~50°C /秒；在合金固相線溫度以下，鑄件轉入緩慢冷卻，開始冷卻速度控制為0.01~1°C /秒；當合金鑄件冷卻至200~500°C，可增加冷卻速度為2~10°C /秒，直至室溫，獲得MCrAH離子鍍陰極材料鑄件。
[0013]所述的MCrAH離子鍍陰極材料及其鑄件的制備方法，步驟(1)熔煉過程中，加入微量碳粉進行脫氣處理，碳粉加入量為I~5kg/噸鋼水。
[0014]所述的MCrAH離子鍍陰極材料及其鑄件的制備方法，步驟(2)澆鑄過程中，澆鑄合金鑄件采用SiO2-Al2O3系陶瓷型殼。
[0015]所述的MCrAH離子鍍陰極材料及其鑄件的制備方法，步驟(2)澆鑄前，澆鑄的模殼在500~800°C預熱I~IOh。
[0016]所述的MCrAlY離子鍍陰極材料及其鑄件的制備方法，步驟(3)凝固及冷卻過程中，初始冷卻速度優選為20~50°C /秒；在合金固相線溫度以下，鑄件轉入緩慢冷卻，開始冷卻速度控制優選為0.01~0.050C /秒；當合金鑄件冷卻至200~500°C，增加冷卻速度優選為5~10°C /秒，直至室溫。
[0017]所述的MCrAH離子鍍陰極材料及其鑄件的制備方法，按重量百分含量計，MCrAlY離子鍍陰極材料的化學成分為，Cr:10~35% ；A1:5~20% 'Y:0.1~5% ；M:Ni或Co余量。
[0018]本發明設計原理如下:
[0019]本發明在MCrAH離子鍍陰極材料的制備中采用一種新型的分段式凝固冷卻控制技術，控制MCrAlY離子鍍陰極材料鑄件冷卻過程中不同階段的冷卻速度。在初期，采用較快冷卻速度，使合金鑄件中形成細晶及抑制縮松；在中期，對鑄件采用較為緩慢的冷卻速度，減小合金中內應力；在凝固后期，可使鑄件自然冷卻至室溫。
[0020]MCrAlY合金在鑄態存在殘余鑄造應力和非平衡組織結構，有不穩定傾向，結合合金相組成分析認為，合金凝固冷卻過程中發生如下相變過程:
[0021]L (液相)一NiAl固溶體+ Ni固溶體一NiAl固溶體+ Cr沉淀相+ Ni固溶體
[0022]因此，本發明可以通過熱處理調整組織，改善機械加工性能。本發明可以通過緩冷過程，合金硬度下降，對于機械加工是一個有利條件。同時，硬度的下降將引起材料脆性下降，有利于減小斷裂傾向。
[0023]與常規技術相比，本發明具有如下有益效果:
[0024]1、工藝簡單。本發明在傳統高溫合金凝固工藝的基礎上，通過對鑄件冷卻過程的控制，達到改善鑄造性能和合金性能的目的。
[0025]2、合金組織改善。采用本發明工藝可以使合金中Cr沉淀相進一步沉淀析出和粗化，枝晶間析出螺蟲狀新相、' 一 Ni3Al相,總體結果是固溶強化減弱。
[0026]3、合金加 工性能提高。采用本發明工藝可以使合金硬度明顯下降，加工成形性良好。
[0027]4、鑄造性能好。采用本發明工藝可以使鑄件不發生冷裂，內部疏松減少，無裂紋。【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]圖1是本發明的凝固工藝曲線圖。
[0029]圖2是進口陰極件和采用本發明工藝研制陰極件的合金組織結構對比。其中:(a)圖為進口陰極件組織結構；(b)圖為研制陰極件組織結構。
[0030]圖3是不同工藝合金內部疏松對比。其中:(a)圖為凝固控制工藝鑄件中疏松；(b)圖為普通工藝鑄件中的疏松。
[0031]圖4 (a)-圖4 (b)是采用本發明工藝陰極件和進口陰極件合金抗氧化性能對比試驗曲線。其中:圖4 Ca)為1000°C的氧化動力學曲線；圖4 (b)為1100°C的氧化動力學曲線。圖中，R-l、R-2分別代表進口陰極，IMR-1、IMR-2分別代表實施例1和實施例2。【具體實施方式】
[0032]本發明MCrAH離子鍍陰極材料及其鑄件的制備方法，包括如下步驟:
[0033](I)合金熔煉:按照MCrAH離子鍍陰極材料的化學成分和配比配料，采用真空感應爐熔煉并鑄造成母合金錠。熔煉過程中，精煉溫度1400~1600°C精煉時間I~lOmin，并加入微量碳粉進行脫氣處理，碳粉加入量為I~5kg/噸鋼水，爐內真空度控制為0.01~5Pa ；
[0034](2)澆鑄過程:經步驟(1)處理后的母合金錠進行重熔澆鑄，采用真空感應爐熔化母合金錠，并澆注到鑄型中，澆鑄溫度1400~1550°C，獲得近成型合金鑄件；
[0035](3)凝固及冷卻過程:合金鑄件凝固控制工藝為，初始冷卻速度為5~50°C /秒；在合金固相線溫度以下，鑄件轉入緩慢冷卻，開始冷卻速度控制為0.01~1°C /秒；當合金鑄件冷卻至200~500°C，可增加冷卻速度為2~10°C /秒，直至室溫，獲得MCrAH離子鍍陰極材料鑄件，冷卻工藝曲線如圖1。
[0036]步驟(2)澆鑄過程中，澆鑄近成型合金鑄件可采用SiO2-Al2O3系陶瓷型殼。
[0037]步驟(2)澆鑄前，澆鑄的模殼在500~800°C預熱I~10h。
[0038]按重量百分含量計，本發明MCrAH離子鍍陰極材料的化學成分為，Cr:10~35% ；Al:5 ~20% ；Y:0.1 ~5% ；M (Ni 或 Co):余量。
[0039]下面結合附圖及實施例詳述本發明
[0040]實施例1
[0041](I)合金采用IOKg真空感應爐熔煉，并鑄造成母合金錠。精煉溫度為1600°C，精煉時間為8min，并加入微量碳粉進行脫氣處理，碳粉加入量為3kg/噸鋼水，真空度是0.1Pa,澆注溫度為1400°C。
[0042](2)采用真空感應爐熔化母合金錠，并澆注到鑄型中，澆鑄合金鑄件采用SiO2-Al2O3系陶瓷型殼，澆鑄溫度1400°C，獲得近成型合金鑄件；澆鑄前，澆鑄的模殼在500°C 預熱 I Oh。
[0043](3)合金鑄件在凝固過程中采用凝固控制工藝:初始冷卻速度為30°C /秒；在合金固相線溫度以下，鑄件轉入緩慢冷卻，開始冷卻速度控制為0.02~0.050C /秒；當合金鑄件冷卻至400°C以下，使鑄件自然冷卻至室溫(冷卻速度為4°C /秒)，直至室溫，合金凝固工藝曲線參考圖1。從而，獲得MCrAH離子鍍陰極材料鑄件，本實施例合金成分見表1。[0044]表1.MCrAlY 合金成分(wt%)
[0045]
【權利要求】
1.一種MCrAH離子鍍陰極材料及其鑄件的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)合金熔煉:按照MCrAH離子鍍陰極材料的化學成分和配比配料，采用真空感應爐熔煉并鑄造成母合金錠；熔煉過程中，精煉溫度1400~1600°C精煉時間I~lOmin，爐內真空度控制為0.01~5Pa ； (2)澆鑄過程:經步驟(1)處理后的母合金錠進行重熔澆鑄，采用真空感應爐熔化母合金錠，并澆注到鑄型中，澆鑄溫度1400~1550°C，獲得合金鑄件； (3)凝固及冷卻過程:合金鑄件凝固控制工藝為，初始冷卻速度為5~50°C/秒；在合金固相線溫度以下，鑄件轉入緩慢冷卻，開始冷卻速度控制為0.01~1°C /秒；當合金鑄件冷卻至200~500°C，可增加冷卻速度為2~10°C /秒，直至室溫，獲得MCrAH離子鍍陰極材料鑄件。
2.按照權利要求1所述的MCrAH離子鍍陰極材料及其鑄件的制備方法，其特征在于，步驟(1)熔煉過程中，加入微量碳粉進行脫氣處理，碳粉加入量為I~5kg/噸鋼水。
3.按照權利要求1所述的MCrAH離子鍍陰極材料及其鑄件的制備方法，其特征在于，步驟(2)澆鑄過程中，澆鑄合金鑄件采用SiO2-Al2O3系陶瓷型殼。
4.按照權利要求1所述的MCrAH離子鍍陰極材料及其鑄件的制備方法，其特征在于，步驟(2)澆鑄前，澆鑄的模殼在500~800°C預熱I~10h。
5.按照權利要求1所述的MCrAH離子鍍陰極材料及其鑄件的制備方法，其特征在于，步驟(3)凝固及冷卻過程中，初始冷卻速度優選為20~50°C /秒；在合金固相線溫度以下，鑄件轉入緩慢冷卻，開始冷卻速度控制優選為0.01~0.05°C /秒；當合金鑄件冷卻至200~500°C，增加冷卻速度優選為5~10°C /秒，直至室溫。
6.按照權利要求1所述的``MCrAH離子鍍陰極材料及其鑄件的制備方法，其特征在于，按重量百分含量計，MCrAlY離子鍍陰極材料的化學成分為，Cr:10~35% ；A1:5~20% ；Y:`0.1 ~5% ；M:Ni 或 Co 余量。
【文檔編號】C23C14/14GK103556117SQ201310582570
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年11月19日 優先權日:2013年11月19日
【發明者】鄭啟, 韋華, 張洪宇, 王志輝, 金濤, 孫曉峰, 胡壯麒 申請人:中國科學院金屬研究所