一种涡轮增压器用高温合金K418C的制备方法与流程

一种涡轮增压器用高温合金k418c的制备方法
技术领域
1.本发明是一种涡轮增压器用高温合金k418c的制备方法，属于冶金技术领域。


背景技术：

2.车用涡轮增压器是发动机实现功率密度提升和增强高原环境适应性的关键部件，其技术原理是利用发动机排出的废气驱动涡轮，再由涡轮带动离心式压力机实现增压。涡轮增压器在高温高压高速下服役，工作温度可达900℃，高压比可达3.3mpa，最高转速可达300000r/min，因此对铸造原材料高温合金的理化性能具有极高的要求。k418c高温合金900℃以下具备优异的的蠕变强度、热疲劳和抗氧化性能，是国内外车制造高端民用车用涡轮增压器的优选材料，其母合金质量和可靠性直接影响着发动机的寿命和可靠性。
3.传统生产k418c高温合金方式为真空感应熔炼+普通锭模钢管浇铸。由于采用锭模钢管浇铸，合金熔液在浇铸凝固过程中补缩困难，容易形成较大的二次缩孔，且铸成的合金锭表面粗糙。合金锭二次缩孔区域需要切割，粗糙表面需要扒皮，往往造成较大的合金损耗，严重影响材料的收得率。此外，母合金锭上的显微疏松也会给生产这种高精度细规格车用涡轮增加器带来风险。


技术实现要素：

4.本发明正是针对上述技术问题而设计提供了一种涡轮增压器用高温合金k418c的制备方法，其目的是生产二次缩孔小、表面质量好的铸造产品，采用精密熔铸铸造方法，避免传统锭模钢管浇铸方法带来的质量缺陷，为涡轮增压器行业提供高质量母合金。
5.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
6.该种涡轮增压器用高温合金k418c的制备方法的步骤如下：
7.步骤一、壳型准备
8.设计带有独特浇铸系统的模壳，模壳在使用前烘烤预热，烘烤温度为500～800℃，烘烤时间为2～8小时；
9.步骤二、配料计算
10.所述的k418c高温合金的化学成分及重量百分比为：c 0.08～0.20％，cr12.0～14.0％，mo 3.80～5.20％，al 5.50～6.50％，ti 0.50～1.0％，b 0.005～0.015％，zr 0.05～0.15％，nb 1.80～2.80％，fe≤1.80，余量为ni；按该配比称取原料；
11.步骤三、真空熔炼
12.设定引熔工艺路线，将部分小块料放入真空感应炉的坩埚中做引熔料，进行小功率送电熔炼，待熔池形成后，逐渐加入剩余大块原料，待原料加完后，再进行满功率送电熔炼，该熔炼过程中控制真空度≤10pa；
13.熔炼完成后，升温至1500～1600℃对合金熔液进行精炼，精炼时间为20～40min，该精炼过程中控制真空度≤1.0pa；
14.精炼结束后对合金进行电磁搅拌处理，搅拌时间为5～15min；
15.步骤四、模壳浇注
16.电磁搅拌结束后停电降温至1400～1500℃浇注，得到纯净优质的k418c合金。
17.实施时，在步骤三的熔炼化料过程中，应密切注意坩埚中合金熔化和仪表指示情况，防止“架桥”导致合金局部过热，如果产生较大喷溅，应适当降低功率。
18.实施时，在步骤三的精炼过程中，应避免高温沸腾现象，并应倾动坩埚，勤烫坩埚。
19.实施时，在步骤三的精炼过程结束后，加入al、ti、b-fe、zr原料后，对合金液进行电磁搅拌处理，搅拌时间为5～15min。
20.实施时，在步骤三的熔炼化料过程中，所述小功率送电熔炼的功率为200kw。
21.实施时，在步骤三的熔炼化料过程中，所述满功率送电熔炼的功率为500kw。
22.实施时，步骤四的合金熔液浇注过程中采用两级过滤网过滤，一级过滤网孔隙率为10ppi，二级过滤网孔隙率为20ppi。
23.实施时，步骤四所获得的k418c高温合金为棒材，直径为50mm。
24.本发明技术方案的工艺路线是真空感应熔炼+熔模精密铸造，生产的k418c合金具有精度高、直径重量控制精准、表面质量好、二次缩孔小的优点，并且在浇注后钢水中夹杂能够充分上浮到浇注系统中，制备的合金锭更加纯净，同时具备后工序简便、切割损耗量小、生产周期较短、成本低等优点。
附图说明
25.图1为本发明技术方案采用的壳型的结构示意图
26.图2为图1的侧视图
具体实施方式
27.以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述：
28.实施例1
29.采用本发明所述的涡轮增压器用高温合金k418c的制备方法的步骤如下：
30.步骤一、壳型准备
31.本实施例生产k418c高温合金小棒直径为50mm，据此独立设计带浇铸系统的模壳，将模壳整齐码放、固定在沙箱中，并用压缩空气进行吸尘处理，之后将组好的模壳放入烘烤炉中预热，烘烤温度为500℃，烘烤时间为4小时，如图1、2所示；
32.步骤二、配料计算
33.熔炼设备为vim1500型真空感应炉(容量：1500kg)，一炉合金总重量为1475kg，
34.k418c高温合金的化学成分及重量百分比为：c 0.08～0.20％，cr12.0～14.0％，mo 3.80～5.20％，al 5.50～6.50％，ti 0.50～1.0％，b 0.005～0.015％，zr 0.05～0.15％，nb 1.80～2.80％，fe≤1.80，余量为ni；在进行成分控制时各元素含量走近下限工艺，据此确定需要配入的各原材料的重量，确定需要配入的各原材料的重量，使得总物料的化学成分满足成分要求；
35.按航标hb/z131-2004选取原材料，原材料要求如下：
36.碳：高纯石墨中的碳光谱电极
37.铬：金属铬质量分数不小于99％
38.钼：钼条选用牌号mo-1
39.铝：铝锭的质量分数不小于99.99％
40.钛：钛选用牌号mht-100
41.硼：硼选用硼铁合金
42.锆：金属锆质量分数不小于99.9％
43.铌：铌选用牌号nb-1
44.钨：钨条选用牌号w-1
45.镍：镍板的质量分数不小于99.96％
46.步骤三、真空熔炼
47.开炉前准备：检查坩埚是否出现裂纹、掉沙，检查加料桶是否干净、完好，检查过滤网是否清洁，准备相关工具、热点偶等；
48.加料合炉：用吊车将加料桶吊到炉台上，将加料桶用小车推入加料室，升到位后，关闭加料室门，对加料室抽真空，待真空平衡后打开加料阀，旋转加料按钮使料桶向下移动，接近钢液面时停止，当料桶绑绳烧断后，炉料加入到坩埚内。旋转加料按钮，使空料桶向上移动，限位灯熄灭后，关闭加料阀，加料室放气后，取出空料桶，准备下一桶加料；
49.送电熔化：设定引熔工艺路线，将部分小块料放入真空感应炉的坩埚中做引熔料，采用200kw功率送电熔炼；待熔池形成后，逐渐加入剩余大块原料，剩余原料的加入分多次进行；待原料全部加完后，再采用500kw功率送电熔炼。合金熔炼过程中控制真空度≤10pa。化料时，应密切注意坩埚中合金熔化和仪表指示情况，防止“架桥”导致合金局部过热，如果产生较大喷溅，可适当降低功率。
50.合金精炼：合金化清完成后，合金全部熔化且温度升高至1580
±
10℃后，对合金熔液进行精炼，精炼时间为30min，合金精炼过程中控制真空度≤1.0pa。精炼期间应确保精炼温度、精炼真空压强和精炼时间符合工艺要求，避免高温沸腾现象。精炼过程中，应倾动坩埚，勤烫坩埚。精炼结束后，对合金熔液进行电磁搅拌处理，搅拌时间为10min；
51.合金化：精炼完成后进行合金化。加料室抽真空后打开加料阀，加入al、ti，注意加料时应慢速放入，避免剧烈喷溅，加完al、ti后，送电搅拌10min。之后按相同操作加入b-fe、zr等合金，加料完成后，送电搅拌10min；
52.步骤四、模壳浇铸
53.真空感应炉熔炼完成后，停电降温至1490
±
10℃准备浇铸，倾斜坩埚将钢水浇至中间包，钢水经过滤网过滤后，再流入模壳壳型中。采用两级过滤网过滤，一级过滤网孔隙率为10ppi，二级过滤网孔隙率为20ppi。浇铸过程中，注意防止剧烈喷溅，应保持中间包内钢水有一定高度，不能断流。浇铸完最后一组壳型后，破真空出炉，放置专用冷却区进行冷却，做好相关记录。模壳冷却完成后进行脱壳清理，切割、打磨得到成品k418c高温合金小棒；
54.步骤五、理化性能检测
55.检测化学成分：对k418c小棒取样进行化学成分检测，结果为c(0.083)，cr(12.2)，mo(3.85)，al(5.66)，ti(0.58)，b(0.006)，zr(0.06)，nb(1.88)，fe(≤1.80)，余量为ni；浮渣面积为0.35％，满足小于2％的要求。
56.室温拉伸性能：抗拉强度892mpa，屈服强度为761mpa，断面收缩率为7.0％。高温持
久性能：持续时间为32h40min，断面收缩率为12.44％，延伸率为25.70％。
57.实施例2
58.采用本发明所述的涡轮增压器用高温合金k418c的制备方法的步骤如下：
59.步骤一、壳型准备
60.本实施例生产k418c高温合金小棒直径为50mm，据此独立设计带浇铸系统的模壳，将模壳整齐码放、固定在沙箱中，并用压缩空气进行吸尘处理，之后将组好的模壳放入烘烤炉中预热，烘烤温度为500℃，烘烤时间为4小时，如图1、2所示；
61.步骤二、配料计算
62.熔炼设备为vim1500型真空感应炉(容量：1500kg)，一炉合金总重量为1475kg，
63.k418c高温合金的化学成分及重量百分比为：c 0.08～0.20％，cr12.0～14.0％，mo 3.80～5.20％，al 5.50～6.50％，ti 0.50～1.0％，b 0.005～0.015％，zr 0.05～0.15％，nb 1.80～2.80％，fe≤1.80，余量为ni；在进行成分控制时各元素含量走中限工艺，据此确定需要配入的各原材料的重量，确定需要配入的各原材料的重量，使得总物料的化学成分满足成分要求；
64.按航标hb/z131-2004选取原材料，原材料要求如下：
65.碳：高纯石墨中的碳光谱电极
66.铬：金属铬质量分数不小于99％
67.钼：钼条选用牌号mo-1
68.铝：铝锭的质量分数不小于99.99％
69.钛：钛选用牌号mht-100
70.硼：硼选用硼铁合金
71.锆：金属锆质量分数不小于99.9％
72.铌：铌选用牌号nb-1
73.钨：钨条选用牌号w-1
74.镍：镍板的质量分数不小于99.96％
75.步骤三、真空熔炼
76.开炉前准备：检查坩埚是否出现裂纹、掉沙，检查加料桶是否干净、完好，检查过滤网是否清洁，准备相关工具、热点偶等；
77.加料合炉：用吊车将加料桶吊到炉台上，将加料桶用小车推入加料室，升到位后，关闭加料室门，对加料室抽真空，待真空平衡后打开加料阀，旋转加料按钮使料桶向下移动，接近钢液面时停止，当料桶绑绳烧断后，炉料加入到坩埚内。旋转加料按钮，使空料桶向上移动，限位灯熄灭后，关闭加料阀，加料室放气后，取出空料桶，准备下一桶加料；
78.送电熔化：设定引熔工艺路线，将部分小块料放入真空感应炉的坩埚中做引熔料，采用200kw功率送电熔炼；待熔池形成后，逐渐加入剩余大块原料，剩余原料的加入分多次进行；待原料全部加完后，再采用500kw功率送电熔炼。合金熔炼过程中控制真空度≤10pa。化料时，应密切注意坩埚中合金熔化和仪表指示情况，防止“架桥”导致合金局部过热，如果产生较大喷溅，可适当降低功率。
79.合金精炼：合金化清完成后，合金全部熔化且温度升高至1580
±
10℃后，对合金熔液进行精炼，精炼时间为30min，合金精炼过程中控制真空度≤1.0pa。精炼期间应确保精炼
温度、精炼真空压强和精炼时间符合工艺要求，避免高温沸腾现象。精炼过程中，应倾动坩埚，勤烫坩埚。精炼结束后，对合金熔液进行电磁搅拌处理，搅拌时间为10min；
80.合金化：精炼完成后进行合金化。加料室抽真空后打开加料阀，加入al、ti，注意加料时应慢速放入，避免剧烈喷溅，加完al、ti后，送电搅拌10min。之后按相同操作加入b-fe、zr等合金，加料完成后，送电搅拌10min；
81.步骤四、模壳浇铸
82.真空感应炉熔炼完成后，停电降温至1490
±
10℃准备浇铸，倾斜坩埚将钢水浇至中间包，钢水经过滤网过滤后，再流入模壳壳型中。采用两级过滤网过滤，一级过滤网孔隙率为10ppi，二级过滤网孔隙率为20ppi。浇铸过程中，注意防止剧烈喷溅，应保持中间包内钢水有一定高度，不能断流。浇铸完最后一组壳型后，破真空出炉，放置专用冷却区进行冷却，做好相关记录。模壳冷却完成后进行脱壳清理，切割、打磨得到成品k418c高温合金小棒；
83.步骤五、理化性能检测
84.检测化学成分：对k418c小棒取样进行化学成分检测，结果为c(0.145)，cr(13.1)，mo(4.05)，al(6.08)，ti(0.74)，b(0.010)，zr(0.011)，nb(2.23)，fe(≤1.80)，余量为ni；浮渣面积为0.29％，满足小于2％的要求。
85.室温拉伸性能：抗拉强度927mpa，屈服强度为753mpa，断面收缩率为10.0％。高温持久性能：持续时间为32h25min，断面收缩率为14.56％，延伸率为24.40％。
86.实施例3
87.采用本发明所述的涡轮增压器用高温合金k418c的制备方法的步骤如下：
88.步骤一、壳型准备
89.本实施例生产k418c高温合金小棒直径为50mm，据此独立设计带浇铸系统的模壳，将模壳整齐码放、固定在沙箱中，并用压缩空气进行吸尘处理，之后将组好的模壳放入烘烤炉中预热，烘烤温度为500℃，烘烤时间为4小时，如图1、2所示；
90.步骤二、配料计算
91.熔炼设备为vim1500型真空感应炉(容量：1500kg)，一炉合金总重量为1475kg，
92.k418c高温合金的化学成分及重量百分比为：c 0.08～0.20％，cr12.0～14.0％，mo 3.80～5.20％，al 5.50～6.50％，ti 0.50～1.0％，b 0.005～0.015％，zr 0.05～0.15％，nb 1.80～2.80％，fe≤1.80，余量为ni；在进行成分控制时各元素含量走上限工艺，据此确定需要配入的各原材料的重量，确定需要配入的各原材料的重量，使得总物料的化学成分满足成分要求；
93.按航标hb/z131-2004选取原材料，原材料要求如下：
94.碳：高纯石墨中的碳光谱电极
95.铬：金属铬质量分数不小于99％
96.钼：钼条选用牌号mo-1
97.铝：铝锭的质量分数不小于99.99％
98.钛：钛选用牌号mht-100
99.硼：硼选用硼铁合金
100.锆：金属锆质量分数不小于99.9％
101.铌：铌选用牌号nb-1
102.钨：钨条选用牌号w-1
103.镍：镍板的质量分数不小于99.96％
104.步骤三、真空熔炼
105.开炉前准备：检查坩埚是否出现裂纹、掉沙，检查加料桶是否干净、完好，检查过滤网是否清洁，准备相关工具、热点偶等；
106.加料合炉：用吊车将加料桶吊到炉台上，将加料桶用小车推入加料室，升到位后，关闭加料室门，对加料室抽真空，待真空平衡后打开加料阀，旋转加料按钮使料桶向下移动，接近钢液面时停止，当料桶绑绳烧断后，炉料加入到坩埚内。旋转加料按钮，使空料桶向上移动，限位灯熄灭后，关闭加料阀，加料室放气后，取出空料桶，准备下一桶加料；
107.送电熔化：设定引熔工艺路线，将部分小块料放入真空感应炉的坩埚中做引熔料，采用200kw功率送电熔炼；待熔池形成后，逐渐加入剩余大块原料，剩余原料的加入分多次进行；待原料全部加完后，再采用500kw功率送电熔炼。合金熔炼过程中控制真空度≤10pa。化料时，应密切注意坩埚中合金熔化和仪表指示情况，防止“架桥”导致合金局部过热，如果产生较大喷溅，可适当降低功率。
108.合金精炼：合金化清完成后，合金全部熔化且温度升高至1580
±
10℃后，对合金熔液进行精炼，精炼时间为30min，合金精炼过程中控制真空度≤1.0pa。精炼期间应确保精炼温度、精炼真空压强和精炼时间符合工艺要求，避免高温沸腾现象。精炼过程中，应倾动坩埚，勤烫坩埚。精炼结束后，对合金熔液进行电磁搅拌处理，搅拌时间为10min；
109.合金化：精炼完成后进行合金化。加料室抽真空后打开加料阀，加入al、ti，注意加料时应慢速放入，避免剧烈喷溅，加完al、ti后，送电搅拌10min。之后按相同操作加入b-fe、zr等合金，加料完成后，送电搅拌10min；
110.步骤四、模壳浇铸
111.真空感应炉熔炼完成后，停电降温至1490
±
10℃准备浇铸，倾斜坩埚将钢水浇至中间包，钢水经过滤网过滤后，再流入模壳壳型中。采用两级过滤网过滤，一级过滤网孔隙率为10ppi，二级过滤网孔隙率为20ppi。浇铸过程中，注意防止剧烈喷溅，应保持中间包内钢水有一定高度，不能断流。浇铸完最后一组壳型后，破真空出炉，放置专用冷却区进行冷却，做好相关记录。模壳冷却完成后进行脱壳清理，切割、打磨得到成品k418c高温合金小棒；
112.步骤五、理化性能检测
113.检测化学成分：对k418c小棒取样进行化学成分检测，结果为c(0.195)，cr(13.9)，mo(5.18)，al(6.44)，ti(0.99)，b(0.014)，zr(0.014)，nb(2.78)，fe(≤1.80)，余量为ni；浮渣面积为0.21％，满足小于2％的要求。
114.室温拉伸性能：抗拉强度945mpa，屈服强度为7243mpa，断面收缩率为11.5％。高温持久性能：持续时间为32h10min，断面收缩率为15.88％，延伸率为34.51％。
115.实施例1～3中k418c合金化学成分、浮渣面积、室温拉伸性能和高温持久性能分别如表1、表2、表3和表4所示。
116.表1实例1～3中k418c化学成分(wt.％)
[0117][0118][0119]
表2实例1～3中k418c浮渣试验
[0120]
编号实例1实例2实例3面积(％)0.350.290.21
[0121]
表3实例1～3中k418c室温拉伸性能
[0122]
编号温度(℃)抗拉强度mpa)屈服强度(mpa)断面收缩率(％)实例1238927617.0实例22392775310.0实例32394572411.5
[0123]
表4实例1～3中k418c高温持久性能
[0124]
编号温度(℃)持续时间(h)断面收缩率(mpa)延伸率(％)实例198032:4012.4425.70实例298033:2514.5624.40实例398034:1015.8834.51

技术特征：
1.一种涡轮增压器用高温合金k418c的制备方法，其特征在于：该方法的步骤如下：步骤一、壳型准备设计带有独特浇铸系统的模壳，模壳在使用前烘烤预热，烘烤温度为500～800℃，烘烤时间为2～8小时；步骤二、配料计算所述的k418c高温合金的化学成分及重量百分比为：c 0.08～0.20％，cr12.0～14.0％，mo 3.80～5.20％，al 5.50～6.50％，ti 0.50～1.0％，b 0.005～0.015％，zr 0.05～0.15％，nb 1.80～2.80％，fe≤1.80，余量为ni；按该配比称取原料；步骤三、真空熔炼设定引熔工艺路线，将部分小块料放入真空感应炉的坩埚中做引熔料，进行小功率送电熔炼，待熔池形成后，逐渐加入剩余大块原料，待原料加完后，再进行满功率送电熔炼，该熔炼过程中控制真空度≤10pa；熔炼完成后，升温至1500～1600℃对合金熔液进行精炼，精炼时间为20～40min，该精炼过程中控制真空度≤1.0pa；精炼结束后对合金进行电磁搅拌处理，搅拌时间为5～15min；步骤四、模壳浇注电磁搅拌结束后停电降温至1400～1500℃浇注，得到纯净优质的k418c合金。2.根据权利要求1所述的涡轮增压器用高温合金k418c的制备方法，其特征在于：在步骤三的熔炼化料过程中，应密切注意坩埚中合金熔化和仪表指示情况，防止“架桥”导致合金局部过热，如果产生较大喷溅，应适当降低功率。3.根据权利要求1所述的涡轮增压器用高温合金k418c的制备方法，其特征在于：在步骤三的精炼过程中，应避免高温沸腾现象，并应倾动坩埚，勤烫坩埚。4.根据权利要求1所述的涡轮增压器用高温合金k418c的制备方法，其特征在于：在步骤三的精炼过程结束后，加入al、ti、b-fe、zr原料后，对合金液进行电磁搅拌处理，搅拌时间为5～15min。5.根据权利要求1所述的涡轮增压器用高温合金k418c的制备方法，其特征在于：在步骤三的熔炼化料过程中，所述小功率送电熔炼的功率为200kw。6.根据权利要求1所述的涡轮增压器用高温合金k418c的制备方法，其特征在于：在步骤三的熔炼化料过程中，所述满功率送电熔炼的功率为500kw。7.根据权利要求1所述的涡轮增压器用高温合金k418c的制备方法，其特征在于：步骤四的合金熔液浇注过程中采用两级过滤网过滤，一级过滤网孔隙率为10ppi，二级过滤网孔隙率为20ppi。8.根据权利要求1所述的涡轮增压器用高温合金k418c的制备方法，其特征在于：步骤四所获得的k418c高温合金为棒材，直径为50mm。

技术总结
本发明是一种涡轮增压器用高温合金K418C的制备方法，该方法采用真空感应熔炼+熔模精密铸造的方式制备优质母合金，用于制造高精度细规格的车用涡轮增压器。熔模精密铸造工艺拥有独特设计的浇铸系统，生产的K418C合金具有精度高、直径重量控制精准、表面质量好、二次缩孔小的优点，并且在浇铸时钢水中夹杂能够充分上浮到浇铸系统中，制备的合金锭更加纯净，同时具备后工序简便、切割损耗量小、生产周期较短、成本低等优点。成本低等优点。成本低等优点。


技术研发人员：张华霞 冯微 马秀萍 李超 赵会彬
受保护的技术使用者：中国航发北京航空材料研究院
技术研发日：2021.11.26
技术公布日：2022/3/8