CN101429607A - 特种颗粒增强高温合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型镍基高温合金及其制备方法。镍基高温合金的重量百分比化学成分为：1.0～20.0Nb，1.0～20.0Zr，1.0～20.0V，1.0～10.0La₂O₃，1.0～10.0Ce₂O₃，1.0～10.0Er₂O₃，余量为Ni。其制备方法为：将镍(Ni)、铌(Nb)、锆(Zr)、钒(V)、镧(La)、铈(Ce)、铒(Er)等金属元素，按照合金化学成分设计配方比例配好，在真空中频熔炼和制粉设备中熔化，再通过快速凝固惰性气体雾化制份，制备成NiNbZrVLaCeEr合金粉末；粉末经过内氧化原位反应，生成NiNbZrVLa₂O₃Ce₂O₃Er₂O₃氧化物颗粒增强复合粉末；粉末再经过筛分，取－100目复合粉末进行热等静压直接成型，获得板状、棒状或圆柱状等成品。该合金材料具有强度高、硬度大、耐腐蚀、耐高温、热膨胀系数小等特点，可用做化工、矿山、机械、冶金、玻璃、机电等行业中的压力容器、齿轮、模具等零件部件材料。

Description

特种颗粒增强高温合金及其制备方法

技术领域  本发明涉及一种新型镍基高温合金及其制备方法，属于高温合金材料。

背景技术  高温合金是以第VIIIA族金属(铁、钴、镍)为基的具有高的室温和高温强度的合金。从高温合金的产生和发展至今已经历了60多年。推动其发展的动力是航空和航天工业燃汽轮机对耐热合金的需求。高温合金的发展也带动了合金化学及合金加工技术的进步。镍基高温合金是由复杂固溶体和耐热强化相构成的，基底固溶体愈复杂、组元间化学性质相差愈大、同时又很少降低镍的熔点，则固溶体晶格的歪曲就愈强烈，其中各组元的化学结合强度愈高，固溶体的强度和高温强度也就愈高。氧化物颗粒弥散强化相的生成热愈大，熔点愈高，与基底固溶体之间的原子交换愈不容易，化合物稳定，耐热性、耐热强度也就愈高。现用镍基高温合金大都是6元、8元、10元以上的合金。几乎全部都含有Cr，它既强化合金的基底，更重要地是提高合金的高温抗氧化性能；几乎全部都含有Al或Ti，有强化基地的作用，更重要的是生成Ni₃Al，Ni₃Ti等弥散强化相；这些Ti、Al构成的化合物在合金奥氏体化以后，经高温长时间时效，起到弥散强化的作用，提高了镍基合金的高温强度。镍基高温合金中的多种其它元素，如Co、Mo、W、V、Nb、Ta等主要是使固溶体复杂化，提高室温和高温强度。如Ce，主要是清除有害杂质，改善氧化膜性质等；如B，主要是强化晶界等。

近年来随着现代粉末冶金加工技术的应用和氧化物颗粒弥散强化(ODS)合金的出现，ODS高温合金在接近材料熔点温度的同时，仍能保持高的持久强度，而普通靠γ′相或(α+γ′)相强化的高温合金只能在低温(600℃～800℃)、中温(800℃～1000℃)使用，采用Al₂O₃、Y₂O₃弥散强化的高温合金是目前使用温度最高的合金，如美国的IN738合金等。目前，美国、日本、德国、英国、法国等国家均投入大量的人力、物力进行研究和开发。国内主要有北京航空材料研究院、北京钢铁研究总院、沈阳金属研究所等单位从事镍基高温合金的研究开发，但是大多数成果均为航空、航天和军工服务，而为民用工业服务的较少。

发明内容  对于现代工业技术使用的新型镍基高温合金，用传统的铸锭冶金制造的合金的冷、热加工性能和使用性能受到偏析和晶粒粗大等的影响；粉末冶金的工艺能够克服上述合金铸造工艺技术的弱点，能够降低材料中杂质元素含量，减少合金元素的偏析，细化晶粒和改善合金性能；但是，制备工序复杂，零件形状受到成型模具的限制。

本发明采用粉末冶金制粉，并结合粉末内氧化原位化学反应、热等静压等现代粉末冶金加工技术的集成，开发出NiNbZrVLa₂O₃Ce₂O₃Er₂O₃氧化物颗粒增强高温合金材料，具有比现行熔铸工艺制备的镍基合金更高的高温强度和耐腐蚀性能，从根本上提高合金的综合性能，延长使用寿命，从而也大大拓展了镍基高温合金的应用领域。

因此，利用多元合金系元素、真空快速凝固制粉、粉末内氧化原位反应、热等静压等先进粉末冶金技术的优化集成，为特种颗粒增强高温合金及其制备加工，提供了崭新途径。

本发明的特种颗粒增强高温合金，其化学成份(重量％)为：1.0～20.0Nb，1.0～20.0Zr，1.0～20.0V，1.0～10.0La₂O₃，1.0～10.0Ce₂O₃，1.0～10.0Er₂O₃，余量为Ni。

特种颗粒增强高温合金材料的制备方法，依序包括下列工艺步骤：

(1)在真空中频熔炼炉中(真空度：>1×10^-2Pa)，熔炼按化学成分比例配置好的Ni、Nb、Zr、V、La、Ce、Er等金属元素；

(2)在真空条件下(真空度：>1×10^-2Pa)，以冷却速率10⁴～10⁵K/s，雾化气体压力1.0MPa～2.0MPa，导流管直径为Φ3mm～Φ6mm，将步骤(1)所得的合金液体雾化成粉末；

(3)在大气内氧化炉内，将NiNbZrVLaCeEr合金粉末进行内氧化原位反应处理，内氧化温度600℃～800℃，处理时间48～72小时；

(4)将NiNbZrVLa₂O₃Ce₂O₃Er₂O₃氧化物颗粒增强复合粉末进行机械分筛，取—100目粉末进行热等静压，热等静压压力1000MPa～2000MPa，温度900℃～1200℃；

(5)合金压坯的形状为：板状、棒材或圆柱状等；

(6)最终制备得NiNbZrVLa₂O₃Ce₂O₃Er₂O₃氧化物颗粒增强高温合金材料。

具体实施方式本发明的特种颗粒增强高温合金，其化学成份(重量％)为：1.0～20.0Nb，1.0～20.0Zr，1.0～20.0V，1.0～10.0La₂O₃，1.0～10.0Ce₂O₃，1.0～10.0Er₂O₃，余量为Ni。

特种颗粒增强高温合金材料的制备方法，依序包括下列工艺步骤：

(1)在真空中频熔炼炉中(真空度：>1×10^-2Pa)，熔炼按化学成分比例配置好的Ni、Nb、Zr、V、La、Ce、Er等金属元素；

(2)在真空条件下(真空度：>1×10^-2Pa)，以冷却速率10⁴～10⁵K/s，雾化气体压力1.0MPa～2.0MPa，导流管直径为Φ3mm～Φ6mm，将步骤(1)所得的合金液体雾化成粉末；

(3)在大气内氧化炉内，将NiNbZrVLaCeEr合金粉末进行内氧化原位反应处理，内氧化温度600℃～800℃，处理时间48～72小时；

(4)将NiNbZrVLa₂O₃Ce₂O₃Er₂O₃氧化物颗粒增强复合粉末进行机械分筛，取—100目粉末进行热等静压，热等静压压力1000MPa～2000MPa，温度900℃～1200℃；

(5)合金压坯的形状为：板状、棒材或圆柱状等；

(6)最终制备得NiNbZrVLa₂O₃Ce₂O₃Er₂O₃氧化物颗粒增强高温合金材料。

本发明的特种颗粒增强高温合金材料具体实施列为：材料的物理、力学性能及熔化温度范围如表1所示。

表1.镍基高温合金加工态室温条件下的技术性能指标

Claims (5)

1、特种颗粒增强镍基高温合金材料，其特征在于其化学成份的重量百分比为：1.0～20.0Nb，1.0～20.0Zr，1.0～20.0V，1.0～10.0La₂O₃，1.0～10.0Ce₂O₃，1.0～10.0Er₂O₃，余量为Ni。

2、特种颗粒增强镍基高温合金材料的制备方法，其特征在于依序包括下列工艺步骤：

(1)在真空中频熔炼炉中，熔炼按化学成分比例：1.0～20.0Nb，1.0～20.0Zr，1.0～20.0V，1.0～10.0La₂O₃，1.0～10.0Ce₂O₃，1.0～10.0Er₂O₃，余量为Ni配置好的Ni、Nb、Zr、V、La、Ce、Er多元金属元素；

(2)在真空条件下，真空度：>1×10^-2Pa，以冷却速率10⁴～10⁵K/s，雾化气体压力1.0MPa～2.0MPa，导流管直径为Φ3mm～Φ6mm，将步骤(1)所得的合金液体雾化成粉末；

(3)在大气内氧化炉内，将NiNbZrVLaCeEr合金粉末进行内氧化处理；

(4)将NiNbZrVLa₂O₃Ce₂O₃Er₂O₃氧化物颗粒增强复合粉末进行机械分筛，取—100目粉末进行热等静压成型；

(5)合金压坯的形状为：板状、棒材或圆柱状等；

(6)最终制备得NiNbZrVLa₂O₃Ce₂O₃Er₂O₃氧化物颗粒增强高温合金材料。

3、如权利要求2所述的特种颗粒增强镍基高温合金材料的制备方法，其特征所述的真空中频熔炼炉的真空度：>1×10^-2Pa。

4、如权利要求2所述的特种颗粒增强镍基高温合金材料的制备方法，其特征所述的内氧化处理处理温度600℃～800℃，处理时间48～72小时。

5、如权利要求2所述的特种颗粒增强镍基高温合金材料的制备方法，其特征所述的热等静压成型时热等静压压力1000MPa～2000MPa，温度900℃～1200℃