目前等溫鍛、超塑性模鍛、熱擠壓用的模具材料大多采用鎳基鑄造高溫合金和Ni3Al金屬間化合物基鑄造高溫合金,也有采用鉬基合金TZM。鎳基高溫合金模具材料的使用溫度在1100℃以下,如IN100、MAR-M200、жC6-K等;模具鑲塊、模具墊塊和固定用銷(xiāo)釘采用жC6K,其他采用XH77TЮP、жC6K,жC6У。Л114(ЭИ857)、жC6-K的使用溫度為800℃~1050℃,950℃長(zhǎng)期使用時(shí)需要滲鋁保護(hù),INCO713C的使用溫度為1000℃、IN100為1000℃、MAR-M-200為920℃、UDIMET700為980℃;Ni3Al金屬間化合物(BKHA-4У,BKHA-1B)模具材料的最高長(zhǎng)期使用溫度為1250℃,并允許失控超溫至1300℃。
最高使用溫度在700℃~1000℃的模具材料最多,主要有鎳基和Ni3Al基高溫合金。在歐美、俄羅斯以及中國(guó)等國(guó)家都有廣泛的應(yīng)用。鎳基高溫合金的開(kāi)發(fā)使用狀況如下:美國(guó)的等溫模鍛用鎳基合金模具材料均在1000℃以下使用,在982℃時(shí),X-40、UDIMET700、INCO713C、IN100和MAR-M-200的最高屈服強(qiáng)度分別為150MPa、210 MPa、320 MPa、490 MPa和520 MPa。以上合金中MAR-M-200合金的高溫性能最佳,不僅在982℃高溫下具有最高的屈服強(qiáng)度,而且還能在1050℃高溫下達(dá)到完全抗氧化級(jí)別。UDIMET700合金在980℃以具有良好的抗氧化性能,但在1090℃使用時(shí),表面層上的合金元素略有燒損。IN100合金的抗熱疲勞性能為UDIMET700的2倍和UDIMET500的3.5倍。美國(guó)采用IN100合金已成功澆鑄出640kg的模塊,并成功用于980℃等溫鍛造Ti-6Al-6V-2Sn鈦合金輪類鍛件。
美國(guó)研制的IC-221M為一種Ni3Al基的高溫材料,可代替INCO713C合金,用作1000℃以下使用的熱鍛模具材料,其高溫強(qiáng)度要比INCO713C高許多,而且高周疲勞性能也優(yōu)于IN-CO713C。IC-221M還成功地代替了Cr-Mo-V模具鋼應(yīng)用于剎車(chē)架的鍛造,其使用壽命是Cr-Mo-V模具鋼的7倍以上,使每個(gè)鍛件的鍛造成本降低了4倍。我國(guó)鋼鐵研究總院研制的MX246(Ni3Al基)合金已經(jīng)得到了大量的工程應(yīng)用,也可用作模具材料,該合金在900℃以上具有較高的瞬時(shí)拉伸性能、持久性能和抗蠕變性能,其鑄態(tài)合金在900℃/150MPa應(yīng)力下的持久壽命在200h以上。
俄羅斯開(kāi)發(fā)了多種鎳基高溫合金模具,主要有ЖC6K、ЖC6У、ИЩB-1、ИЩB-2。ИЩB-1的工作溫度為850℃~900℃,ИЩB-2的工作溫度為900℃~1000℃,ЖC6У、ИЩB-1、ИЩB-2、Л114以及中國(guó)的K403等,這些合金的使用溫度都在1000℃以下,主要用于鈦合金的等溫鍛造。1000℃以上使用的俄羅斯合金主要是ЖC6K、ЖC6У,其中ЖC6У合金在1050℃/105MPa下的持久壽命為100h,1000℃下的屈服強(qiáng)度可達(dá)500MPa。
日本研制的Nimowal是一種鑄造鎳基高溫合金,該合金具有較高的高溫強(qiáng)度,等溫鍛造的極限使用溫度為1070℃,可用于Waspaloy合金和IN100合金的鍛造。Nimowal成分中Mo和W的含量高,含抗氧化性元素較少,高溫抗氧化性不好,對(duì)于大氣下使用的模具材料,這是影響其使用壽命的一個(gè)重要方面,而且還將導(dǎo)致模具精度的下降。
我國(guó)1000℃以下使用的鎳基高溫合金模具材料主要是K403,上海鋼鐵研究所等單位使用該合金制造等溫鍛模具,成功地用于鈦合金壓氣機(jī)盤(pán)小批量生產(chǎn)。1000℃以上使用的僅有仿制合金K21,K21是一種高溫高強(qiáng)度高鎢鎳基高溫合金,理論使用溫度為1050℃,在1050℃的屈服強(qiáng)度為420MPa~478MPa,使用這種合金已經(jīng)成功鍛造出φ220mm的FGH95(相當(dāng)于Rene 95)粉末高溫合金模擬盤(pán)。該材料的主要問(wèn)題是裂紋傾向性大,抗氧化性稍差。北京航空材料研究院研制的Ni3Al金屬間化合物合金IC6的高溫強(qiáng)度優(yōu)于IN100(K417)和K403合金,但其抗氧化性和鑄造工藝性差,必須采用抗氧化涂層,并改進(jìn)其鑄造工藝,IC6合金才能用作高溫合金等溫鍛的模具材料。
從現(xiàn)有資料分析可知,現(xiàn)有的鎳基高溫合金模具材料使用溫度均在1100℃以下。上述的三種合金ЖC6У、Nimowal和K21,ЖC6У合金的綜合性能最好但耐溫不高,Nimowal和K21耐溫稍高,但存在裂紋傾向性大和抗氧化性不好等問(wèn)題,影響模具的使用壽命。
另外,為滿足粉末高溫合金超塑性鍛造溫度達(dá)到1100℃的要求,需要采用鉬基合金(如加鈦、鋯的TZM鉬基合金)制造模具,但是鉬基合金在高溫下的抗氧化性極差,所以只能在真空下進(jìn)行等溫鍛造,使工藝裝備和操作極為復(fù)雜。