一种镍铌铬中间合金及其制备方法

文档序号：128785 发布日期：2021-10-22 浏览：44次 >En<

阅读说明：本技术 一种镍铌铬中间合金及其制备方法 (Nickel-niobium-chromium intermediate alloy and preparation method thereof ) 是由王志军刘强孙鑫何建成刘志彬段善博纪海龙王东华于 2021-07-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种镍铌铬中间合金,按质量百分比计,其成分为：铌36.0％-41.0％,铬16.0％-21.0％,余量为镍,及不可避免的杂质；制备方法为：(1)将铌源、铬源和铝混合,进行铝热反应,得到铌铬合金；(2)将铌铬合金和电解镍混合,进行真空感应熔炼,得到镍铌铬合金液；(3)将镍铌铬合金液进行冷却,即得。本发明通过成分和含量的控制,使镍铌铬中间合金成分均匀,偏析小,气体杂质含量低,在熔炼高温合金时,有助于高温合金成分均匀化,防止成分偏析,减少元素烧损,提升高温合金质量。(The invention discloses a nickel-niobium-chromium intermediate alloy which comprises the following components in percentage by mass: 36.0 to 41.0 percent of niobium, 16.0 to 21.0 percent of chromium, and the balance of nickel and inevitable impurities; the preparation method comprises the following steps: (1) mixing a niobium source, a chromium source and aluminum, and carrying out aluminothermic reaction to obtain a niobium-chromium alloy; (2) mixing the niobium-chromium alloy and electrolytic nickel, and carrying out vacuum induction smelting to obtain a nickel-niobium-chromium alloy solution; (3) and cooling the nickel-niobium-chromium alloy liquid to obtain the nickel-niobium-chromium alloy. The invention controls the components and the content, so that the nickel-niobium-chromium intermediate alloy has uniform components, small segregation and low gas impurity content, and is beneficial to homogenizing the components of the high-temperature alloy, preventing the component segregation, reducing the element burning loss and improving the quality of the high-temperature alloy when the high-temperature alloy is smelted.)

一种镍铌铬中间合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属材料技术领域，更具体的说是涉及一种镍铌铬中间合金及其制备方法。

背景技术

高温合金是指以铁、镍、钴为基，在高温环境下服役，并能承受严酷的机械应力及具有良好表面稳定性的一类合金。高温合金一般具有高的室温和高温强度、良好的抗氧化性和抗热腐蚀性、优异的蠕变与疲劳抗力、良好的组织稳定性和使用的可靠性，因此，高温合金既是航空、航天发动机高温部件的关键材料，又是舰船、能源、石油化工等工业领域不可缺少的重要材料。

镍基高温合金是以镍为基体(含量一般大于50％)，在650-1000℃范围内具有较高的强度和良好的抗氧化、抗燃气腐蚀能力的高温合金，它是在Cr₂₀Ni₈₀合金基础上发展起来的，为了满足1000℃左右高温热强性和气体介质中的抗氧化、抗腐蚀的要求，加入了大量的强化元素，如W、Mo、Nb、Cr等。在整个高温合金领域中，镍基高温合金占有特殊的重要地位。与铁基和钴基高温合金相比，镍基高温合金具有更高的高温强度和组织稳定性，广泛应用于制作航空喷气发动机和工业燃气轮机的热端部件。

电解镍的熔点是1453.0℃，密度是8.90g/cm³，金属铌的熔点是2468℃，密度为8.57g/cm³，金属铬的熔点是1857℃，密度为7.19g/cm³。在生产高温合金时，若将金属以单质的形式直接加入则容易因熔点差、密度差而引起元素的烧损及难熔元素的成分偏析。同时，金属镍的价格昂贵，不适合批量生产，同时熔炼温度高，制备工艺复杂，导致工业生产过程中对设备的要求高，进而增加生产成本。

因此，如何开发一种镍铌铬中间合金以提高镍基高温合金的综合性能是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种镍铌铬中间合金及其制备方法，以解决现有技术中的上述问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种镍铌铬中间合金，按质量百分比计，其成分为：铌36.0％-41.0％，铬16.0％-21.0％，余量为镍，及不可避免的杂质；

优选为：铌37.0％-40.0％，铬17.0％-20.0％，余量为镍，及不可避免的杂质；

更优选为：铌38.5％，铬18.5％，余量为镍，及不可避免的杂质。

本发明镍铌铬中间合金的有益效果在于：加入铌用以提升高温合金的塑性和韧性；加入铬使高温合金具有高的强度和好的塑性，并可热处理强化；加入镍用以中和镍基体与铌铬之间的熔点差和密度差，利于最终镍基高温合金的熔炼。

本发明通过成分和含量的控制，将上述组分制成中间合金，中和了各元素之间的熔点差和密度差，同时，中间合金的密度以及熔点更接近镍基体的密度和熔点，避免了高温合金熔炼过程中因熔点差造成的元素烧损、因密度差导致的成分不均匀等问题，使镍铌铬中间合金成分均匀，偏析小，气体杂质含量低，在熔炼高温合金时，有助于高温合金成分均匀化，防止成分偏析，减少元素烧损，提升高温合金质量。

一种镍铌铬中间合金的制备方法，具体包括以下步骤：

(1)将铌源、铬源和铝混合，进行铝热反应，得到铌铬合金；

(2)将铌铬合金和电解镍混合，进行真空感应熔炼，得到镍铌铬合金液；

(3)将镍铌铬合金液进行冷却，即得镍铌铬中间合金。

本发明制备方法的有益效果在于：第一步冶炼出的铌铬合金的熔点约为1650℃，再在第二步加入电解镍，使得到的镍铌铬中间合金的熔点接近金属镍的熔点，中和了镍、铌、铬三种金属的熔点差和密度差，以镍铌铬中间合金熔炼高温合金时，元素烧损率低，所炼高温合金成分均匀，无偏析。

进一步，上述步骤(1)中，将铌源、铬源和铝混合前，分别将铌源、铬源和铝进行干燥；步骤(2)中，将铌铬合金和电解镍混合前，分别将铌铬合金和电解镍进行干燥；更进一步，干燥的温度均为118-122℃，优选为120℃，时间均≥12h。本发明对混合的过程没有特别的要求，采用本领域熟知的过程能够保证各原料混合均匀即可。在本发明的具体实施例中，混合优选在V型混料机中进行，对混合的其他条件没有特殊要求。在本发明中，混合能够使各组分充分接触，便于后续铝热反应的进行。

采用上述进一步的有益效果在于，干燥处理能够除去物料吸潮的水分，保证物料干燥，从而在熔炼过程中减少析出杂质气体，比如氢、氮、氧等；时间≥12h是为了保证物料的完全烘干，时间过短则不能完全烘干，时间过长又会浪费资源。

进一步，上述步骤(1)中，铌源为五氧化二铌，纯度优选≥99.80％；铬源为三氧化二铬，纯度优选≥99.30％；铝的纯度优选≥99.80％；且铌源、铬源和铝均优选为粉体。更进一步，五氧化二铌、三氧化二铬和铝的质量比为(1.82-2.08)：(0.82-1.09)：(0.99-1.01)。

采用上述进一步的有益效果在于，本发明通过控制铌源、铬源和铝的质量比，从而控制铌铬合金中铌和铬的质量比。

进一步，上述步骤(1)中，铝热反应的温度为1850-1950℃，优选为1880-1920℃；时间为35-45s，优选为46-49s。本发明对铝热反应的反应装置没有特殊的限定，采用本领域熟知的铝热反应装置即可，优选由石墨、镁砖或刚玉制备而成，更优选由刚玉制备而成，从而避免引入其他元素，并可循环使用。本发明对引发铝热反应的点火方式没有特殊的限定，采用本领域熟知的方式即可。完成铝热反应后，本发明优选将所得铌铬合金液进行冷却，冷却的方式优选为随炉冷却，冷却的时间优选为12h。冷却后，本发明还优选对冷却所得铌铬合金锭依次进行精整破碎和挑选，对精整破碎的方法没有特殊的限定，采用本领域熟知的方法将冷却所得铌铬合金锭精整破碎至5-50mm的块体即可；挑选优选包括磁选和人工挑选，通过挑选，将磁性杂质、含氧化膜、氮化膜合金以及其它杂质挑出，而挑选合格的部分则作为铌铬合金。

采用上述进一步的有益效果在于，铝热反应过程中，铝作为还原剂，将铌源(五氧化二铌)和铬源(三氧化二铬)分别还原为金属单质铌和金属单质铬，铝被氧化为氧化铝，并释放大量的热能使金属单质铌和金属单质铬熔化形成铌铬合金液；铝被氧化形成的氧化铝浮于铌铬合金液表面，冷却后与铌铬合金自然分离并去除。

进一步，上述步骤(2)中，铌铬合金和电解镍的质量比为(1.32-1.33)：(0.99-1.01)，优选为1.326：1；更进一步，电解镍的形状优选为块状，纯度优选≥99.00％。本发明对混合的过程没有特殊的限定，选用本领域技术人员熟知的过程能够将原料混合均匀即可。

进一步，上述步骤(2)中，真空感应熔炼包括依次进行的熔化和精炼；更进一步，真空感应熔炼的真空度≤10Pa；精炼的功率为100kW，温度为1850-1900℃，优选为1850℃，时间为5-10min，优选为6-8min。真空感应熔炼优选在中频真空感应炉中进行，真空感应熔炼用坩埚优选为刚玉坩埚，即：将铌铬合金和电解镍置于刚玉坩埚中，再将刚玉坩埚放置于中频真空感应炉中进行真空感应熔炼。在本发明中，为控制合金中杂质元素含量，刚玉坩埚的纯度优选≥99.00％；刚玉坩埚打结用炉衬优选采用上述铝热反应的炉渣(氧化铝)制备而成，从而充分利用反应原料，节省成本；本发明对所述刚玉坩埚打结用炉衬的制备方法没有特别的要求，采用本领域熟知的方法即可。本发明优选通过缓慢提升真空感应熔炼的加热功率使铌铬合金和电解镍熔化，待全部熔化后进行精炼。本发明优选根据合金熔化程度调整熔炼功率，在本发明中，真空感应熔炼的过程优选为调节起始功率为20kW，10min后将功率调至30kW，20min后将功率调至80kW直至合金熔化完全，最后将功率调至100kW进行精炼，降低功率至80kW开始浇注。

采用上述进一步的有益效果在于，中频真空感应熔炼炉热效率高、熔炼快，真空操作所以不易引入杂质，对环境污染小。精炼能够使镍铌铬中间合金熔化更充分、更均匀，且起到提纯除杂质的作用，通过控制温度，可使精炼温度略高于合金熔点，以达到精炼目的。通过控制真空度，能够降低最终制备的中间合金中O、N气相杂质的含量。

进一步，上述步骤(3)中，完成精炼后，本发明优选将真空感应熔炼所得镍铌铬合金液浇注于水冷铜坩埚内进行冷却，得到镍铌铬中间合金。冷却优选在真空条件下进行，冷却的时间优选≥12h。本发明对水冷铜坩埚没有特殊的限定，采用本领域熟知的水冷铜坩埚即可。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明采用两步法制备镍铌铬中间合金，即铝热反应和真空感应熔炼两个步骤：先采用铝热法制备出铌铬合金，然后进行真空感应熔炼，真空感应熔炼时以铌铬合金为基体，加入电解镍调节合金成分，使目标合金的成分更加稳定。本发明提供的制备方法能够提高镍铌铬中间合金成分的均匀稳定性，减少元素烧损，气体杂质含量低，更好的满足高温合金生产要求。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

镍铌铬中间合金的制备方法，具体包括以下步骤：

(1)先分别将五氧化二铌、三氧化二铬和铝粉在118℃温度下干燥12h，然后称取五氧化二铌90.33kg、三氧化二铬53.84kg和铝粉49.69kg装入V型混料机内充分混合均匀，再将混合均匀的炉料装入烧结好的刚玉坩埚内点火反应，铝热反应的温度为1950℃，时间为45s，冷却12h后，拆除坩埚，取出合金锭，去除合金锭表面渣层和氧化膜后，破碎精整至5-50mm，经磁选和人工挑选后，得到铌铬合金；

(2)先分别将铌铬合金和电解镍在120℃温度下干燥12h，然后称取铌铬合金57.00kg和电解镍43.00kg混合均匀，装入打结、烘干好的刚玉坩埚内，将中频真空感应熔炼炉抽真空至10Pa以下排除炉内气体，设定起始功率20kW，10min后功率调至30kW，20min后功率调至80kW直至合金熔化完全；最后功率调至100kW，在100kW功率、1900℃条件下精炼5min，再次将中频真空感应熔炼炉抽真空至10Pa以下，去除熔体中氧元素，得到镍铌铬合金液；