[发明专利]一种增加锆元素含量的K4169高温合金

说明书

技术领域

本发明涉及高温合金铸造领域，具体是增加并控制微量元素锆提高K4169高温合金的流动性。

背景技术

随着精密铸造技术的不断发展，航天、航空、电力及核能领域使用的关键热端部件的结构朝着整体、薄壁空心方向发展，而且正逐步向结构承载方向发展，这些都要求构件具有更好的尺寸稳定性、更优异的疲劳性能和使用寿命。无疑，这些新需求对铸件的成型与组织控制方面提出了更高的要求。但是，为了大型复杂薄壁铸件的成形，避免出现欠浇，高温合金的浇注温度通常非常高，这导致晶粒粗大、疏松严重、断面柱晶比例大、合金熔体与模壳反应加重等问题，成为航空工业急需解决的重要问题。

因此，提高高温合金熔体的流动性是改善大型复杂薄壁铸件成形质量的有效方法之一。流动性是指金属本身的流动能力，它与金属的成分、温度、杂质含量，及其物理性质有关。它作为凝固特性的一个重要参数，理论上直接关系到金属的充型能力，即充满铸型的型腔获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力，实践中它直接影响大型薄壁铸件充型的成败。目前，现有技术中经常采用高的浇注温度、高的模壳温度提高合金的流动性，但是高的浇注温度和高的模壳温度会使合金凝固后的晶粒组织变大，从而降低合金的力学性能。向合金中添加稀土元素可以提高合金的流动性，但高温合金对成分要求很严格，其组织和力学性能对成分变化十分敏感，那些在其它合金中被广泛使用的有效的稀土元素对高温合金很难起到作用。

经过对现有技术的文献检索发现：关于流动性的实验研究大都集中于铝、镁合金的砂型和金属型。文献“W.Qudong,L.Yizhen等人在Materials Science and Engineering A271(1999)发表的“Study on the fluidity of AZ91+x RE magnesium alloy”公开了稀土元素对AZ91镁合金流动性的影响。该文献的只是研究了镁合金的流动性，并没有对高温合金的流动性提出工艺方法。

中国专利号为ZL200610025394在AZ91D合金基础上添加Ca/Sr/混合稀土等元素改性，提高合金的流动性，但是稀土元素价格昂贵，大幅度提高了合金的制造成本,并且该专利只适用于镁合金。

文献“郭建亭在2008年科学出版社出版的高温合金材料学上册中提到碳元素可以提高高温合金的流动性，但在铸造高温合金中碳的百分含量为0.05左右，如果再提高碳的含量就会降低合金的机械性能。现有的高温合金中，很多都含有微量的锆。在K4169高温合金中，锆元素的质量百分比为0.028左右。

发明内容

为克服现有技术中存在的流动性差的不足，本发明提出了一种增加锆元素含量的K4169高温合金。

所述K4169高温合金中C为0.056％，Ni为52.54％，Cr为19.15％，Mo为3.11％，Al为0.61％，Ti为0.94％，B为0.0026％，Zr为0.035～0.056％，Nb为5.03％，Ta为0.05％，Si为0.043％，Mn为0.0035％，S为0.0018％，P为0.0015％，杂质≤0.01％，余量为Fe；所述百分比均为质量百分比。

本发明通过增加锆元素的含量提高K4169高温合金的流动性。合金的流动性是通过螺旋型流动性测试模型进行测定的，以测定浇注的液态高温合金在模型中流动后凝固的长度表征合金的流动性。如图1所示为本发明不同含量的锆对K4169高温合金流动性测试的实物图。可以看出，当锆的质量百分比在0.035～0.049范围时，K4169高温合金的流动性提高了12％以上(详见表5)。由于合金流动性的提高，其显微疏松也明显减少。锆的质量百分比为0.042的显微疏松(图3)比K4169合金(图2)减少了81％。

合金的凝固区间是与流动性直接关联的凝固参数，γ相是K4169高温合金的基体相，占有很大的体积分数，故选定γ相初始熔化温度为固相线，而不选择与补缩相关的凝固后期的共晶温度，因此合金的液相线与γ相的初始熔化温度之间的温度间隔对合金的流动性有很大的影响。增加微量的元素锆对合金的液相线温度影响不大，对γ相的初始熔化温度呈先增加后减小的趋势(图4)。当锆的质量百分比从0.028增加到0.049时，液相线与γ相的初始熔化温度之间的温度间隔先减小后增大，当锆的质量百分比为0.042时，凝固温度间隔为31℃。增加锆的含量可以减小该温度间隔，使合金的流动性提高。