CN102808113A - 一种镍基高温合金的制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种镍基高温合金的制备方工艺，所述高温合金以重量百分数计由下列组份组成：Cr 22.5-24.5％，Co 7.0-8.0％，W 6.5-7.5％，Mo 3.0-4.0％，Al 1.2-1.8％，Ti 1.5-2.5％，Nb 2.0-3.0％，Mn 1.0-2.0％，Fe 2.0-4.0％，B 0.02-0.08％，Ce 0.5-1.5％，C≤0.1％，Si≤0.2％，P≤0.008％，S≤0.008％，Ni余量；所述制备工艺包括熔炼工艺和热处理工艺，熔炼工艺为采用真空感应炉熔炼母合金，在液态金属定向炉中进行定向凝固，制备定向柱晶合金，定向炉真空度约(1-5)×10-4mmHg，浇注温度约1580-1600℃，抽拉速度约4-8mm/min，温度梯度约75-85℃/cm，液态锡温度约250-350℃，热处理工艺为：将熔炼获得的柱晶合金加热到约1240-1260℃，保温约3-5h，空冷至室温；再加热到约1150-1170℃，保温约3-5h，空冷至室温；再次加热到约930-950℃，保温约8-12h，空冷至室温。
Description
技术领域
本发明涉及合金领域，特别涉及一种镍基高温合金的制备工艺。
背景技术
Inconel718合金是由美国国际镍公司休斯顿分公司研制成功，并于1959年公开，是一种以体心四方Ni3Nb(γ”)和面心立方Ni3(Al，Ti，Nb)(γ’)析出强化的镍-铬-铁基变形高温合金。该合金在-253-650℃之间具有高的抗拉强度、屈服强度、持久强度和塑性，同时具有良好的抗腐蚀、抗辐照、热加工及焊接性能。
在高温合金整体精密铸造技术高速发展的背景下，最初作为变形高温合金发展起来的Inconel718合金自1965年起也开始以铸造合金形式应用于航空航天产业，相应的铸造合金牌号为Inconel718C。近年来，随着适应大型铸件生产的大型热等静压(HIP)设备的发展，以及补焊和铸后热处理等工艺研究的深入，更复杂结构、更薄壁厚的大型Inconel718C结构铸件制造工艺日趋成熟，已逐渐取代锻件的焊接组合件，广泛应用于各种航空发动机机匣和航天发动机的涡轮泵壳体等部件的制造领域。
我国于1968年开始仿制Inconel718合金，国内牌号为GH4169。作为铸造高温合金Inconel718C的仿制型号，我国发展了K4169合金，并已初步应用于航空发动机整体铸造扩压器机匣和承力环等部件中。
尽管Inconel718合金性能优异，但由于其主要强化相γ”-Ni3Nb是亚稳定相，当温度超过大约650℃时，γ”迅速长大粗化，并转化成其稳定相δ，导致合金强度和持久寿命迅速下降，因而该合金一般只允许在650℃下长期使用。
燃烧室是航空发动机中的关键承热部件。燃油雾化、油气混合、点火和燃烧等过程都是在燃烧室内进行的。因此燃烧室是发动机各部件中温度最高的区域，燃烧室内燃气温度高达1500℃-2000℃时，室壁合金承受的温度可达800℃-900℃以上，局部处可达1100℃。因此，燃烧室所受的机械应力较小，但热应力较大，对材料的要求主要有：高温抗氧化和抗燃气腐蚀性能；足够的强度；良好的冷热疲劳性能；良好的工艺塑性(持久、弯曲性能)和焊接性能；以及合金在工作温度下长期组织稳定。随着技术的发展，对燃烧室室壁合金提出了越来越高的要求，传统的Inconel718及相应的替代合金已不能满足需求，因此，需要发展新的高温合金材料。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种镍基高温合金的制备工艺。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种镍基高温合金的制备方工艺，所述高温合金以重量百分数计由下列组份组成：Cr 22.5-24.5％，Co 7.0-8.0％，W 6.5-7.5％，Mo 3.0-4.0％，Al1.2-1.8％，Ti 1.5-2.5％，Nb 2.0-3.0％，Mn 1.0-2.0％，Fe 2.0-4.0％，B 0.02-0.08％，Ce 0.5-1.5％，C≤0.1％，Si≤0.2％，P≤0.008％，S≤0.008％，Ni余量；所述制备工艺包括熔炼工艺和热处理工艺，熔炼工艺为采用真空感应炉熔炼母合金，在液态金属定向炉中进行定向凝固，制备定向柱晶合金，定向炉真空度约(1-5)×10-4mmHg，浇注温度约1580-1600℃，抽拉速度约4-8mm/min，温度梯度约75-85℃/cm，液态锡温度约250-350℃，热处理工艺为：将熔炼获得的柱晶合金加热到约1240-1260℃，保温约3-5h，空冷至室温；再加热到约1150-1170℃，保温约3-5h，空冷至室温；再次加热到约930-950℃，保温约8-12h，空冷至室温。
本发明的方法具有如下有益效果：
(1)优化设计了Co、Mo和W的加入量，使其含量达到相互协同，提高合金的高温强度和持久强度，优化设计了Cr、Ti和Nb的含量，使其固溶强化的效果达到协同，并改善抗热腐蚀性能，加入适量的Ce用于脱氧和/或脱硫，而另一部分溶入固溶体基体，并偏聚于晶界，起强化晶界作用。
(2)根据所设计的合金成分，调整液态金属冷却的定向凝固工艺参数，不但消除了有害的横向晶界，而且使组织更加细化、均匀，平行性更好。
(3)根据所设计的合金成分，优化了热处理制度进行热处理，使所发明的合金综合性能优异。
(4)本发明制备的镍基高温合金拉伸强度比Inconel718提高25-35％，塑性明显改善，抗热腐蚀性能增强，在同一应力条件下，持久温度大幅度提高，适于制作950-1100℃使用的零件，如航空发动机叶片等等。
具体实施方式
下面结合实施例描述本发明，所给实施例只是为了使技术人员更容易的理解和实现本发明，并不意味着限制本发明的范围，其中实施例一和二为优选实施例，实施例三为最优选的实施例。
实施例一
一种镍基高温合金的制备方工艺，所述高温合金以重量百分数计由下列组份组成：Cr 22.5％，Co 8.0％，W 6.5％，Mo 4.0％，Al 1.2％，Ti 2.5％，Nb 2.0％，Mn 2.0％，Fe 2.0％，B 0.08％，Ce 0.5％，C≤0.1％，Si≤0.2％，P≤0.008％，S≤0.008％，Ni余量；所述制备工艺包括熔炼工艺和热处理工艺，熔炼工艺为采用真空感应炉熔炼母合金，在液态金属定向炉中进行定向凝固，制备定向柱晶合金，定向炉真空度约1×10-4mmHg，浇注温度约1600℃，抽拉速度约4mm/min，温度梯度约85℃/cm，液态锡温度约250℃，热处理工艺为：将熔炼获得的柱晶合金加热到约1260℃，保温约3h，空冷至室温；再加热到约1170℃，保温约3h，空冷至室温；再次加热到约950℃，保温约8h，空冷至室温。
实施例二
一种镍基高温合金的制备方工艺，所述高温合金以重量百分数计由下列组份组成：Cr 24.5％，Co 7.0％，W 7.5％，Mo 3.0％，Al 1.8％，Ti 1.5％，Nb 3.0％，Mn 1.0％，Fe 4.0％，B 0.02％，Ce 1.5％，C≤0.1％，Si≤0.2％，P≤0.008％，S≤0.008％，Ni余量；所述制备工艺包括熔炼工艺和热处理工艺，熔炼工艺为采用真空感应炉熔炼母合金，在液态金属定向炉中进行定向凝固，制备定向柱晶合金，定向炉真空度约5×10-4mmHg，浇注温度约1580℃，抽拉速度约8mm/min，温度梯度约75℃/cm，液态锡温度约350℃，热处理工艺为：将熔炼获得的柱晶合金加热到约1240℃，保温约5h，空冷至室温；再加热到约1150℃，保温约5h，空冷至室温；再次加热到约930℃，保温约12h，空冷至室温。
实施例三
一种镍基高温合金的制备方工艺，所述高温合金以重量百分数计由下列组份组成：Cr 23.5％，Co 7.5％，W 7.0％，Mo 3.5％，Al 1.5％，Ti 2.0％，Nb 2.5％，Mn 1.5％，Fe 3.0％，B 0.02-0.08％，Ce 1.0％，C≤0.1％，Si≤0.2％，P≤0.008％，S≤0.008％，Ni余量；所述制备工艺包括熔炼工艺和热处理工艺，熔炼工艺为采用真空感应炉熔炼母合金，在液态金属定向炉中进行定向凝固，制备定向柱晶合金，定向炉真空度约3×10-4mmHg，浇注温度约1590℃，抽拉速度约6mm/min，温度梯度约80℃/cm，液态锡温度约300℃，热处理工艺为：将熔炼获得的柱晶合金加热到约1250℃，保温约4h，空冷至室温；再加热到约1160℃，保温约4h，空冷至室温；再次加热到约940℃，保温约10h，空冷至室温。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (2)
1.一种镍基高温合金的制备方工艺，其特征在于，所述高温合金以重量百分数计由下列组份组成：Cr 22.5-24.5％，Co 7.0-8.0％，W 6.5-7.5％，Mo 3.0-4.0％，Al 1.2-1.8％，Ti 1.5-2.5％，Nb 2.0-3.0％，Mn 1.0-2.0％，Fe 2.0-4.0％，B 0.02-0.08％，Ce 0.5-1.5％，C≤0.1％，Si≤0.2％，P≤0.008％，S≤0.008％，Ni余量；所述制备工艺包括熔炼工艺和热处理工艺，熔炼工艺为采用真空感应炉熔炼母合金，在液态金属定向炉中进行定向凝固，制备定向柱晶合金，定向炉真空度约(1-5)×10-4mmHg，浇注温度约1580-1600℃，抽拉速度约4-8mm/min，温度梯度约75-85℃/cm，液态锡温度约250-350℃，热处理工艺为：将熔炼获得的柱晶合金加热到约1240-1260℃，保温约3-5h，空冷至室温；再加热到约1150-1170℃，保温约3-5h，空冷至室温；再次加热到约930-950℃，保温约8-12h，空冷至室温。
2.如权利要求1所述的一种镍基高温合金的制备方工艺，其特征在于，所述高温合金以重量百分数计由下列组份组成：Cr 23.5％，Co 7.5％，W 7.0％，Mo 3.5％，Al 1.5％，Ti 2.0％，Nb 2.5％，Mn 1.5％，Fe 3.0％，B 0.02-0.08％，Ce 1.0％，C≤0.1％，Si≤0.2％，P≤0.008％，S≤0.008％，Ni余量；所述制备工艺包括熔炼工艺和热处理工艺，熔炼工艺为采用真空感应炉熔炼母合金，在液态金属定向炉中进行定向凝固，制备定向柱晶合金，定向炉真空度约3×10-4mmHg，浇注温度约1590℃，抽拉速度约6mm/min，温度梯度约80℃/cm，液态锡温度约300℃，热处理工艺为：将熔炼获得的柱晶合金加热到约1250℃，保温约4h，空冷至室温；再加热到约1160℃，保温约4h，空冷至室温；再次加热到约940℃，保温约10h，空冷至室温。
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