CN101307402A - 一种超细晶镍基高温合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种超细晶镍基高温合金及其制备方法，属于高温用合金钢领域，特别适用高温强度和疲劳性能要求很高及要求超塑性成形的构造复杂的高温结构件。本发明的化学成分按重量百分比为Fe：17－19％；Cr：17－20％；Mo：2.8－3.3％；W：0－1.5％；Al：0.8－1.5％；Ti：0.3－1.3％；Nb：4.7－5.7％；C：≤0.015；余量为Ni。制备方法为合理控制变形工艺参数，使变形温度位于溶解温度很高的晶界析出相与奥氏体两相区，利用析出相对晶界的强大钉扎作用可得到晶粒度级别为ASTM12－13级的超细晶合金。与现有技术相比，本发明合金成分简单，成型时变形抗力大幅降低，对锻轧设备损耗小，高温下长时加热时晶粒不易长大。
Description
技术领域
本发明属于高温用合金钢领域。特别适用于对晶粒度级别要求很高的高温合金部件，尤其是对高温强度和疲劳性能要求很高及要求超塑性成形的构造复杂的高温结构件。
背景技术
涡轮盘是航空和航天飞行器发动机中的核心部件，其工作温度很高，且从轮缘到轮毂的温差很大，在发动机反复启动-加速-停车过程中，温度急剧变化，随工作时间的延长，会产生热疲劳。此外，涡轮转子每分钟转速达万转或更高，涡轮盘旋转中的自身质量产生很大的离心力，轮盘上叶片的离心力也传至盘上，两者叠加，径向力极高，若涡轮盘高温强度不够，也易导致产生疲劳现象。在发动机工作过程中，由于动力和干扰力的综合作用，还会引起涡轮盘的各种类型的振动。
因此作为航空和航天飞行器中的关键部件，涡轮盘工作条件异常恶劣，对合金的高温强度和疲劳性能要求很高。
航空航天技术的飞速发展，要求增加推重比以提高燃油效率，这就要求涡轮盘具有更高的高温强度和疲劳性能。而提高高温强度和疲劳性能一个最经济可靠的方法就是获得超细晶合金[王中光.材料的疲劳.北京：国防工业出版社，1999；刘发信，袁文明，汤鑫，薛广海.细晶晶粒度与力学性能的关系.材料工程，1996，(9)：25]。
此外，用镍基高温合金制造形状复杂的结构件存在着制造成本和废品率都很高的问题。为使镍基高温合金更广泛地应用于航空航天领域，国内外已有很多学者研究了超塑性成形工艺，利用此成形工艺可显著提高制造形状复杂的结构件的成品率，降低制造成本。而实现超塑性的必要条件是首先要获得超细晶合金[林兆荣.金属超塑成形原理及应用.北京：航空工业出版社，1990；吕宏军，姚草根，张凯峰，贾新朝.GH4169合金细晶成形工艺与机理及其性能研究.机械工程材料，2003，27(1)：15]。
常规获得超细晶镍基高温合金的工艺路线为在1000℃以下进行50％以上的大变形后接着进行再结晶退火。但是由于镍基高温合金成分都较为复杂，在1000℃以下合金的变形抗力相当高。例如镍基高温合金中变形相对来说较为容易的GH4169合金在940℃变形时变形抗力接近400MPa，即使在1000℃时，其变形抗力也高达280MPa[王乐安.难变形合金锻件生产技术.北京：国防工业出版社，2005]。
综上分析，探求新的获得超细晶镍基高温合金的方法显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的是提出一种超细晶镍基高温合金及其制备方法，该合金成分简单，不含我国稀缺合金元素钴，合金变形时流变应力低，对锻轧设备的损耗小。可用于对晶粒度级别要求很高的高温合金部件，尤其是对高温强度和疲劳性能要求很高及要求超塑性成形的构造复杂的高温结构件。
本发明的技术方案为：
(1)超细晶镍基高温合金的化学成分按重量百分比计为Fe：17-19％；Cr：17-20％；Mo：2.8-3.3％；W：0-1.5％；Al：0.8-1.5％；Ti：0.3-1.3％；Nb：4.7-5.7％；C：≤0.015；余量为Ni。
(2)将以上所需原料合理配比后经真空感应熔炼和真空电弧重熔，再经均匀化处理，先在1150-1170℃保温20-25h，再在1180-1190℃保温70-75h。
(3)均匀化处理后，在1100-1120℃开坯，接着在1020-1050℃开锻或开轧，终锻温度或终轧温度为980-1000℃。
由于合金成分调配得当，在开锻或开轧前的保温阶段，合金中会均匀析出溶解温度为1050-1070℃的颗粒状富Nb和富Mo相，阻碍晶粒长大，在变形过程中和变形结束后，这种颗粒状析出相还会继续析出以阻碍晶粒长大。因此可得到晶粒度级别为ASTM12-13级的超细晶镍基合金。
本发明和现有技术相比所具有的优势在于：
(1)本发明所提出的超细晶镍基高温合金成分简单，不含有我国稀缺合金元素钴。
(2)与现今镍基高温合金中用量最大，使用最广泛的GH4169合金相比，本发明制造超细晶镍基高温合金的变形温度较高，为1020-1050℃，合金的变形抗力小，为150-230MPa。而GH4169的变形温度较低，为900-1000℃，变形抗力大为280-500MPa。因此利用本发明生产超细晶镍基合金对锻轧设备的吨位要求低，损耗小，成本降低。
(3)用本发明制造的超细晶镍基高温合金晶粒均匀细小，可达ASTM13级，晶界上均匀分布着高稳定性的富Nb和富Mo颗粒状析出相，其尺寸在0.5μm以下。晶界析出相由于其组成元素为高熔点难扩散元素，所以其溶解温度很高在1050-1070℃之间，因此对晶界的钉扎作用很强，合金在高温长时加热时，晶粒不易长大。而GH4169合金晶界析出相为δ相，其溶解温度很低在1010-1015℃之间，因此对晶界的钉扎作用较弱，合金在1020℃以上加热，由于δ相快速溶解，晶粒迅速长大。因此在高温长时加热时，本发明制造的超细晶合金的晶粒度长大趋势远小于GH4169合金的晶粒长大趋势。
附图说明
图1为实施例中合金1经轧制之后的光学显微照片
图2为实施例中合金1经轧制之后的扫描电镜照片
图3为实施例中合金1经不同温度加热之后的晶粒长大趋势
图4为GH4169合金经不同温度加热之后的晶粒长大趋势
具体实施方式
实施例1：
表1中的合金1为本发明规定成分范围内的合金。其制备方法为原料经合理配比后经真空感应熔炼和真空电弧重熔，均匀化处理：1160℃保温25h和1190℃保温75h。接着在1120℃开坯，后在1050℃开轧，终轧温度为980℃。图1和图2为合金1经轧制之后的微观组织照片。可见合金1经轧制后晶粒均匀细小，级别为ASTM13级；合金晶界上析出颗粒状的富Nb和Mo析出相。由于这种颗粒状析出相溶解温度很高，因此即使在较高温度加热时，晶粒长大速度也很缓慢，图3和图4分别为本发明所提出的超细晶合金1与GH4169合金在不同温度加热不同时间的晶粒长大趋势比较。
实施例2：
表1中的合金2为本发明规定成分范围内的合金。其制备方法为原料经合理配比后经真空感应熔炼和真空电弧重熔，再进行均匀化处理：1160℃保温25h和1190℃保温75h。接着在1120℃开坯，后在1020℃开轧，终轧温度为980℃。合金2经轧制后晶粒均匀细小，级别为ASTM12.5级。晶界析出相特征和高温加热时晶粒长大趋势与实施例1相同。
实施例3：
表1中的合金3为本发明规定成分范围内的合金。其制备方法为原料经合理配比后经真空感应熔炼和真空电弧重熔，再进行均匀化处理：1160℃保温25h和1190℃保温75h。接着在1120℃开坯，后在1050℃开轧，终轧温度为990℃。合金3经轧制后晶粒均匀细小，级别为ASTM12级。晶界析出相特征和高温加热时晶粒长大趋势与实施例1相同。
表1合金成分(wt％)
Claims (4)
1、一种超细晶镍基高温合金，其特征在于，化学成分按重量百分比计为Fe：17-19％；Cr：17-20％；Mo：2.8-3.3％；W：0-1.5％；Al：0.8-1.5％；Ti：0.3-1.3％；Nb：4.7-5.7％；C：≤0.015；余量为Ni。
2、如权利要求1所述的超细晶镍基高温合金，其特征在于，超细晶镍基高温合金的晶粒度级别为ASTM12-13级。
3、权利要求1所述的超细晶镍基高温合金的制备方法，其特征在于，将上述配比后的原料经真空感应熔炼和真空电弧重熔后均匀化处理，先在1150-1170℃保温20-25h，再在1180-1190℃保温70-75h，然后在1100-1120℃开坯后，进行轧制或锻造。
4、如权利要求2所述的超细晶镍基高温合金的制备方法，其特征在于，在1020-1050℃开锻或开轧，终锻温度或终轧温度为980-1000℃。
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