[发明专利]氢燃料电池空压机轴承用高温合金及其制备方法

说明书

氢燃料电池空压机轴承用高温合金及其制备方法，高温合金采用有序相L1₂‑γ′和体心四方有序结构γ″‑(Ni₃Nb)强化的无序面心结构的奥氏体，强化相的体积分数在10％～25％之间，高温合金的重量比成分为：C 0.02～0.08％，Fe 9～18％，Cr 12～18％，Al 0.85～1.5％，Ti 1.2～2.25％，Nb 3.5～5％，Mo 2～5％，B≤0.05％，Si＜0.25％,Mn＜0.25％，其余为Ni；使得合金兼具优异高温强度、组织稳定性，良好的可加工性能以及经济性。合金在760℃以下TCP相无明显析出。在760℃的抗拉强度大于1000MPa。尤其适于制备包括氢燃料电池空压机轴承氢燃料电池在内的中高温承力部件。

技术领域

本发明涉及IPC分类C22C38/00铁基合金技术，属于氢燃料电池领域，尤其是氢燃料电池空压机轴承用高温合金及其制备方法。

背景技术

高温合金是指以铁、镍、钴为基，能在600℃以上的高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料，具有优异的高温强度，良好的抗氧化和抗热腐蚀性能，良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能，主要应用于航空航天领域和能源领域。

高温合金为单一奥氏体组织，在各种温度下具有良好的组织稳定性和使用可靠性。高温合金的合金化程度较高，按基体元素来分，高温合金又分为铁基、镍基、钴基等高温合金。铁基高温合金使用温度一般只能达到750～780℃，对于在更高温度下使用的耐热部件，则采用镍基和难熔金属为基的合金。镍基高温合金在整个高温合金领域占有特殊重要的地位，它广泛地用来制造航空喷气发动机、各种工业燃气轮机最热端部件。

中国专利申请201610984853.2提供一种轴承用的耐高温合金钢，包括，提供钢合金组合物，该钢合金组合物元素质量百分比为：碳0.02-0.03％、硅0.3—0.5％、锰0.5—0.8％、铬5-8％、硼0.01-0.02％、钼0.2—0.5％、镍0.02-0.05％、钛0—0.02％、铝0％—0.05％、铜0—0.3％、钴12-13％、铌4.5-5.1％、氮0—0.01％，余量的铁，所述余量的铁伴有任何不可避免的杂质。

高效清洁的氢能源正得到国内外汽车产业前所未有的关注，空压机被视为氢燃料电池汽车车载动力系统的关键性技术之一，其性能好坏可直接影响燃料电池系统的效率、紧凑性和水平衡特性。

一般来讲，包括空压机在内的空气供应子系统总成本约占燃料电池系统成本的20％，能耗约占燃料电池输出功率的20-30％。空压机输出的压力和流量在很大程度上可以直接影响燃料电池发动机中的化学计量比和空气加湿特性，进而影响燃料电池堆的电压输出和燃料电池发动机的功率输出，一台好的空压机应当至少具备无油、高效、小型化、低成本、动态响应能力好等优点。

燃料电池离心式无油空压机采用箔片式动压气体轴承，其100％无油、纯空气、承载力大、耐高温和超长使用寿命，可有效防止喘振，降低能量消耗，无机械接触、0摩擦。氢燃料电池无油空压机采用的是电机与涡轮同轴直联式结构，效率高达92％，具有高速稳定性好、无需齿轮箱和润滑油系统，实现体积小、轻量化，噪音在70分贝以下等功能，它采用空冷和水冷工作状态，提高空压机的效率。空压机还采用无位置传感器矢量控制，结构简单，动态响应速度快，连线简洁。由于空压机的转速高达每分钟10～15万转，温度高达750℃以上，还要抗震效果好，耐磨性能好，使用寿命越长越好。目前，尚无合适的材料用于制备该轴承件。

目前广泛应用的先进铁素体钢和奥氏体钢，例如P91、T92和HR3C等合金，由于缺乏足够的抗氧化性以及较低的高温强度，无法使用在轴承中。另外，一些镍铁基高温合金(GH3600,GH3625合金等)通过固溶强化、沉淀强化以及晶界强化，提高合金的高温强度，例如GH3625合金，通过加入大量固溶强化元素以及沉淀强化元素，使这些合金的强度明显升高，但仍然无法满足轴承的使用要求。