[发明专利]一种镍基合金及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在高温下具有较高强度、耐磨性和抗氧化性能的镍基合金及其制造方法。

背景技术

本发明所涉及的材料是用于制造用于高温(750℃)、高速(100米/秒)、高压、低滞后的新型先进刷式密封。

目前应用的主要密封装置包括迷宫密封、蜂窝密封和刷式密封。迷宫密封原理是通过多次节流膨胀产生阻尼效果，减少蒸汽沿轴向泄漏，但由于齿问是环形腔室，环向流动大大减少了涡流降速的效果，另外因汽封齿数设置受轴向长度的限制，且为避免动静碰磨损伤汽封间隙设置较大，因而迷宫密封泄漏量较大。蜂窝密封是一种密封效果优良的可磨耗的密封结构，由高温合金蜂窝与背板组成。其密封上的蜂窝带，不仅能耐高温、而且质地软，与转子表面磨擦时，对转子无损害，不足之处是易结垢。

刷式密封是一种柔性密封，其主要部件刷丝是一束捆扎在一起的高密集度、按一定方向排列的圆截面直径细金属丝。刷丝的自由端与轴接触，另一端与圆环固定在一起。

刷式密封技术已在许多先进的工业用燃气轮机、航空发动机和汽轮机中得到应用。在工业燃气轮机方面，采用刷式替代迷宫密封，可显著降低泄漏损失，而费用比改造其他硬件要少得多。在发动机中，只将一处或几处关键部位的迷宫密封用刷式密封代替，就可以提高发动机推力1-3％，降低耗油率3-5％。

刷式密封技术的关键之一是刷丝材料的制作，它的性能是决定刷密封性能的关键因素。刷式密封材料在高温高速下同转子涂层配合时，应具有高温下较高的强度、耐磨性和抗氧化性能。耐磨性的好坏取决于合金的抗氧化性，即氧化膜的形态。因此，刷丝合金的高温抗氧化性能是选择合金的重要标准。

目前国内外较常见的刷丝材料是钴基高温合金或镍基高温合金，主要牌号有HS25、Inconel718、HS242、HS214、MA754、H230合金。HS25合金是一种Co、Cr、Ni、W基高温合金，由于HS25在高温情况下形成不稳定的Cr₂O₃膜，这层膜并不能产生阻碍进一步扩散的作用，因此其抗氧化性较差。同时当温度在400℃以上时，由于合金组织结构的变化，摩擦系数会大幅度的增加，因此，HS25刷丝合金仅适用于低温低表面速度的条件。Inconel718合金是沉淀强化Ni-Cr基高温合金，使用温度可达704℃，但在704℃以上，沉淀强化相溶解，合金强度急剧下降，因此也只能在此温度以下使用；与HS25相似，Inconel718合金也只是形成不稳定的Cr₂O₃膜，因此其抗氧化性能也较差。HS242、HS214和MA754合金都是Ni-Cr基高温合金，在650℃条件下测量摩擦系数实验过程中发现HS214合金丝打火；H242合金刷丝与其它涂层之间的摩擦系数较高，影响了其作为刷丝合金的应用；MA754合金刷丝有过度磨损现象，不适用于制造高温合金刷丝。H230合金是Ni-Cr-W-Co基高温合金，在测量摩擦系数实验过程中发现，实验进行到50h后，刷丝也开始打火。因此，目前常用刷丝合金使用温度一般在700℃以下，满足不了新型刷式密封750℃的使用要求。

发明内容

本发明的目的就是研制出一种高温强度、耐磨性和抗氧化性能均较好的镍基材料，通过合金成分设计和必要的冶金手段制备出一种在750℃使用温度下具有高强度、高耐磨性、高温抗氧化性以及高平直度的刷丝材料，以满足制造新型刷式密封的要求。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

本发明合金成分采用如下设计思路：以高温综合性能较好的Ni基合金为基础，为提高其高温抗氧化性能，添加Al元素，使合金在高温下形成致密坚韧的Cr₂O₃和Al₂O₃氧化膜；同时添加一定量的稀土元素，作为氧活性元素改善合金氧化膜稳定性。添加Cr、Co、Mo等元素发挥固溶强化作用；同时合理添加一定量的Mg元素，Mg作为一种变质剂，能有效地改变碳化物的形态，把条状碳化物变为颗粒状，从而改善合金的力学性能，因此，如何确定元素种类及含量是本发明的特征之一。其具体化学成分重量百分比为：

C≤0.15％，Co 5.0～10.0％，Cr 19.0～25.0％，Mo 2.0～5.0％，Al 2.0～7.0％，RE(稀土)0.01～0.2％，Fe≤5.0％，Mg 0.01～0.1％，余Ni。