本发明涉及耐磨、耐腐蚀金属材料技术领域，具体的说是一种水力机械中过流部件用耐磨蚀铁基合金及其制备方法。
背景技术：
我国水资源极为丰富，水力水电已成为我国重要且大力发展的可再生能源之一。但是，我国绝大数河流中泥沙含量较大（如位居我国第二大河的黄河，由于其中段流经黄土高原，其下游中泥沙含量较大），空蚀及磨损腐蚀（磨蚀）是水力机械中水轮机叶片、高压阀门、船舶螺旋桨等过流部件面临的主要问题。空蚀及磨蚀能加速过流部件的损坏、失效，降低使用寿命，特别是在高泥沙含量、流速较快的服役环境中，泥沙对过流零部件冲刷磨蚀更甚。据估计，在现役的水电站中，每年因空蚀及磨蚀破坏致使过流部件所属设备停运、检修及更新所带来的能源损失及资金消耗达数亿元之巨。此外，随着工业化水平的提高及国民生产的需要，大容量、高转速发电机的发展，相应过流部件面临的空蚀及磨蚀问题变得更为突出。
目前水力机械中过流部件如水轮机叶片、高压阀门、船舶螺旋桨等用材料主要为普通不锈钢及低合金钢，如cr5cu、cr8cu5mo、0cr13ni5mo、1cr18ni9ti等材料制成。采用普通不锈钢及低合金钢材料制成的过流部件用材料相对早期使用材料，耐空蚀、耐磨蚀性能大幅度提高，但使用寿命仍较低。针对该问题，国内外科研人员绝大多数都是采用物理或化学冶金的制备工艺，通过在钢或合金基体表面形成各类涂层耐磨蚀涂层来提高钢及合金的耐磨蚀性能，常见的为碳化钨涂层（如公开号为zl105695987a的中国专利和公开号为zl108118328a的中国专利）、二氧化硅（如公开号为zl106884158b的中国专利）、聚氨酯弹性涂层（如公开号为zl1576574a的中国专利）等。采用涂层技术虽在一定程度上能够提高钢及合金的抗磨蚀性能，但是涂层与基体大都为机械结合，界面结合强度低，在含沙量较高的水环境、高转速运行的过流部件的涂层在磨蚀作用下容易剥落、失效。耐磨蚀块体材料在水力机械用材方面的研究较少，如公开号为cn110241352a的中国发明专利报道了成分（质量分数，%）为cr26、b5-15、si3、cu3、ni5、mo10、余量为fe的硼化物/铁基非晶复合涂层，耐磨蚀性能优异，但该方法面临着界面问题及硼化物自身的脆性问题。
因此，如何解决水力机械中水轮机叶片、高压阀门、船舶螺旋桨等过流部件的磨蚀问题已成为水力机械发展的关键技术，其中整体耐磨蚀铁基合金材料研制意义重大。
技术实现要素：
为了解决现有技术中的不足，本发明提供一种水力机械中过流部件用耐磨蚀铁基合金及其制备方法，该铁基合金具有优异的耐高含沙量、高速水流的磨蚀性能及抗冲击性能。
为了实现上述目的，本发明采用的具体方案为：
一种水力机械中过流部件用耐磨蚀铁基合金，所述耐磨蚀铁基合金包括如下质量百分比的成分：c1.0~2.0%、cr5.5~12.5%、ni3.0~8.0%、w1.5~6.0%、mo0.5~3.0%、b1.0~3.0%、si1.5~4.0%、mn1.5~4.0%、cu0.5~3.0%、al0.5~3.0%、v0.5~2.0%、re0.1~0.3%、s<0.05%、p<0.05%、余量为fe。
进一步地，所述耐磨蚀铁基合金的组织主要以奥氏体为基体，多元多尺度的m2b硼化物相和弥散分布的颗粒状的碳化物相组成；其中，m2b硼化物相中的m代表元素fe、cr、mo、w中的至少一种，m2b硼化物相呈短棒状、网状、类四方块状、鱼鳞状中的至少一种形状，且m2b硼化物相的形貌受b、cr、mo、w、v、re中至少一种元素的影响；碳化物相主要为cr23c6、w2c、mo2c、vc中的至少一种。
优选地，所述耐磨蚀铁基合金包括如下质量百分比的成分：c1.0~1.5%、cr5.5~12.5%、ni3.0~6.0%、w1.5~6.0%、mo1.5~3.5%、b1.0~3.0%、si1.5~4.0%、mn1.5~4.0%、cu0.5~3.0%、al0.5~3.0%、v0.5~2.0%、re0.1~0.3%、s<0.05%、p<0.05%、fe余量。
优选地，所述耐磨蚀铁基合金包括如下质量百分比的成分：c1.0~2.0%、cr8.5~12.5%、ni5.0~8.0%、w3.5~6.0%、mo0.5~3.0%、b1.5~3.0%、si2.5~4.0%、mn2.5~4.0%、cu1.5~3.0%、al1.0~3.0%、v1.0~2.0%、re0.1~0.3%、s<0.05%、p<0.05%、余量为fe。
一种水力机械中过流部件用耐磨蚀铁基合金的制备方法，包括如下步骤：
（1）将纯铁、铬铁、钼铁、钨铁、硼铁、钒铁、电解锰、结晶硅、高纯铜锭、镍板、铝锭混合，经真空感应熔炼炉加热至1550~1600℃，并适时调整合金熔液的成分至设计值，在1450~1500℃浇注得到合金初锭；
（2）然后将步骤（1）获得的合金初锭作为电极，在具有气体保护装置的电渣重熔设备中重熔制得电渣合金锭；其中保护气体为氩气，采用炉口吹气管吹入；渣系为稀土氧化钙渣系，由cao、caf2、la2o3和ceo组成；渣池深度为40~50mm；工作电压为30~35v，工作电流为150a~300a；
（3）将步骤（2）制得的电渣合金锭加热至900~1100℃，保温5~10h，随炉冷却至500~600℃后出炉空冷至室温，即得到耐磨蚀铁基合金。
基于耐磨蚀铁基合金的服役环境及失效机制，本发明设计的耐磨蚀铁基合金成分及各成分的作用如下：
c：适量c的添加，能固溶到铁基体中，显著提高铁基合金的硬度、强度及耐磨性；此外，能形成大量的碳化物，如cr23c6、w2c、mo2c、vc等，进而显著提高铁基合金的额硬度及耐磨蚀性能。但是，c含量添加过多时，致使铁基合金的韧性及耐蚀性显著降低，使用性差；反之，c含量添加过低，生成过多硬脆的碳化物，使得铁基合金的强度、塑韧性显著降低，因此针对其应用环境，设计的铁基合金的c含量应控制为1.0~2.0%。
b：b是所设计的铁基合金的主要元素，主要是与强硼化物形成元素w、cr、mo、fe形成相应的硼化物。硼化物是所设计铁基合金主要耐磨蚀增强相，b含量添加过多，相应的硼化物数量多，连续性高，但铁基合金的塑韧性差；b含量添加过少，铁基合金中生成的硼化物含量少，铁基合金的耐磨蚀性能差，因此设计的铁基合金的含b量控制在1.0~3.0%。
cr：适量cr的添加，一方面能够形成致密的氧化膜cr2o3，能显著提高铁基合计的耐蚀性；另一方面，cr能固溶到铁基体中，并且能分别与b和c反应形成cr2b和cr23c6，不仅能提高铁基合金的耐磨蚀性能，而且合适量的cr的添加能使网状的fe2b连续性降低，起到断网增韧的目的。但cr含量添加过多，使得铁基合金熔炼困难，铸造性能差，成本提高，因此设计的铁基合金的cr含量控制为5.5~12.5%。
ni：适量ni的添加，一方面是固溶于铁基体中，提高铁基合金基体的稳定性及强度；另一方面，ni能在基体表面形成氧化膜，改善基体的耐蚀性。ni添加量过少，增强效果不显著，但ni含量添加过多，将显著提高合金的成本，因此设计的铁基合金的ni含量控制为3.0~8.0%。
w：适量w的添加，主要是在铁基合金中与b和c结合形成w2b和w2c，合适的w2b量，一方面能提高铁基合金的耐磨蚀性能；另一方面，w2b相较m2b硼化物提前形核并稳定存在铁水中，可作为初晶奥氏体的形核质点，细化奥氏体，并且能有效促使硼化物细化、缩颈、断网。但w含量添加过多时，w2b相增多且粗化，并且会形成大量的w2c，不利于铁基合金的强度及韧性的提高，因此设计的铁基合金的w含量控制为1.5~6.0%。
mo：适量mo的添加，一方面能固溶到铁基体中，提高基体的强度；另一方面，mo能分别与b和c在基体中形成一定量的mo2b和mo2c，不仅能改善铁基合金的硬度及耐磨性，而且能改善硼化物的形貌，提高铁基合金的韧性。但mo含量添加过多时，mo2b和mo2c相增多且粗化，铁基合金的韧性降低。因此设计的铁基合金的mo含量控制为0.5~3.0%。
cu：适量cu的添加，主要是固溶到铁基体中，提高铁基合金的强度、韧性及抗大气腐蚀性能，并且能改善铁基合金的铸造性能。但cu含量添加过多时，容易热脆，铁基合金的塑韧性降低。因此cu含量添加为0.5~3.0%。
v：适量v的添加，一方面是固溶于铁基体中，提高铁基合金基体的稳定性及强度；另一方面，v能和c反应形成vc，弥散分布在基体中，从而显著改善基体的耐磨蚀性。v添加量过少，增强效果不显著，但v含量添加过多，使得vc相增多且粗化，不利于铁基合金的韧性的提高，而且将显著提高合金的成本，因此设计的铁基合金的v含量控制为0.5~2.0%。
re：适量稀土的添加，一方面能对钢液深度脱氧脱硫，使钢液洁净；另一方面，稀土的添加能起到维合金化的作用改善网状碳化物或硼化物的组织形貌，减弱合金元素的偏析、细化组织，进而提高钢的韧性。但过多稀土的加入，将会在晶界富集析出，另外，形成大量的氧化物夹渣，影响钢的强韧性。所以，设计的铁基合金的稀土的添加量控制在0.1~0.3%，加入形式采用电渣重熔时的稀土氧化钙渣系的电渣。
有益效果：
1、本发明制备的过流部件用耐磨蚀铁基合金材料，通过调控b、cr、mo、w、al、si、mn、cu、v、re的含量及加工工艺，获得具有多元、多尺度短棒状、网状、类四方块状、鱼鳞状的m2b硼化物相及弥散分布的颗粒状的碳化物相协同增强的铁基合金，具有优异的耐高含沙量、高速水流的磨蚀性能；同时，又有一定的cr、ni、w、mo、al、si、mn、cu、v固溶到基体中，提高了基体稳定性及抗冲击性能。
2、本发明制备的铁基合金不仅具有良好的抗冲击性能，而且具有优异的耐磨蚀性能，其在含沙量为5.0kg/m3、水速为40m/s、测试48h的磨盘试验中，其耐磨蚀性能较0cr13ni5mo提高了3~8倍。
3、本发明制备的耐磨蚀铁基合金为块体整体材料，避免了采用涂层保护材料在高速流、高含沙量水流磨蚀过程中的涂层剥落问题。采用本发明制备的铁基合金能大大提高水力机械中过流部件的使用寿命，具有很好的经济效益，适合工业化生产。
下面结合实施例附图和具体实施例对本发明做进一步具体详细的说明。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是实施例1制备的铁基合金的显微组织形貌特征图。
图2是实施例2制备的铁基合金的显微组织形貌特征图。
图3是实施例3制备的铁基合金的显微组织形貌特征图。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明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的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
一种水力机械中过流部件用耐磨蚀铁基合金，所述耐磨蚀铁基合金包括如下质量百分比的成分：c1.0~2.0%、cr5.5~12.5%、ni3.0~8.0%、w1.5~6.0%、mo0.5~3.0%、b1.0~3.0%、si1.5~4.0%、mn1.5~4.0%、cu0.5~3.0%、al0.5~3.0%、v0.5~2.0%、re0.1~0.3%、s<0.05%、p<0.05%、余量为fe。
需要说明的是，所述耐磨蚀铁基合金的组织主要以奥氏体为基体，多元多尺度的m2b硼化物相和弥散分布的颗粒状的碳化物相组成；其中，m2b硼化物相中的m代表元素fe、cr、mo、w中的至少一种，m2b硼化物相呈短棒状、网状、类四方块状、鱼鳞状中的至少一种形状，且m2b硼化物相的形貌受b、cr、mo、w、v、re中至少一种元素的影响；碳化物相主要为cr23c6、w2c、mo2c、vc中的至少一种。
一种水力机械中过流部件用耐磨蚀铁基合金的制备方法，包括如下步骤：
（1）将纯铁、铬铁、钼铁、钨铁、硼铁、钒铁、电解锰、结晶硅、高纯铜锭、镍板、铝锭混合，经真空感应熔炼炉加热至1550~1600℃，并适时调整合金熔液的成分至设计值，在1450~1500℃浇注得到合金初锭；
（2）然后将步骤（1）获得的合金初锭作为电极，在具有气体保护装置的电渣重熔设备中重熔制得电渣合金锭；其中保护气体为氩气，采用炉口吹气管吹入；渣系为稀土氧化钙渣系，由cao、caf2、la2o3和ceo组成；渣池深度为40~50mm；工作电压为30~35v，工作电流为150a~300a；
（3）将步骤（2）制得的电渣合金锭加热至900~1100℃，保温5~10h，随炉冷却至500~600℃，后出炉空冷至室温，即得到耐磨蚀铁基合金。
实施例1
本实施例所述水力机械中过流部件用耐磨蚀铁基合金材料的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）将纯铁、铬铁、钼铁、钨铁、硼铁、钒铁、电解锰、结晶硅、高纯铜锭、镍板、铝锭混合，经真空感应熔炼加热至1580℃，调整合金熔液成分（质量比）为：c1.0%、cr5.5%、ni3.0%、mo1.5%、w1.5%、b1.0%、si1.5%、mn1.5%、cu0.5%、al1.0%、v0.5%、s<0.05%、p<0.05%、余量为fe，在1500℃浇注得到合金初锭；
（2）然后将步骤（1）制得的合金初锭作为电极，在具有气体保护装置的电渣重熔设备中重熔制得电渣合金锭；其中保护气体为氩气，采用炉口吹气管吹入；渣系为稀土氧化钙渣系（25wt.
