CN103820678A

CN103820678A - 高裂纹扩展抗力的镍基高温合金

Info

Publication number: CN103820678A
Application number: CN201410071313.6A
Authority: CN
Inventors: 王文姣
Original assignee: Individual
Current assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Priority date: 2014-03-02
Filing date: 2014-03-02
Publication date: 2014-05-28

Abstract

本发明涉及镍基粉末冶金高温合金领域中一种具有高裂纹扩展抗力的镍基粉末冶金高温合金，所述高温合金按质量百分比含量为：Co15.8%、Cr9.0%、W5.6%、Mo3.9%、Al5.1%、Ti1.8%、Nb2.6%、C0.04%、B0.012%、Zr0.015%、Hf0.15~0.9%、余量为Ni；所述高温合金中第二相强化相γ′相组成为(Ni0.854~0.857Co0.143~0.146)3(Al0.767~0.781Ti0.129Nb0.088Hf0.002~0.016)，尺寸为284~511nm，二次γ′相占总γ′相的质量分数为81.9~85.3%；一次γ′相与三次γ′相之和占总γ′相的质量分数为14.7~18.1%。加入微量元素Hf，从而使采用等离子旋转电极制粉、直接热等静压成形的镍基粉末冶金高温合金经过相同热处理后，合金中主要相的组成、尺寸和数量发生变化，裂纹扩展速率低于不加Hf合金的裂纹扩展速率，其中含0.3%Hf合金的裂纹扩展速率最低。

Description

高裂纹扩展抗力的镍基高温合金

技术领域

本发明属于镍基粉末冶金高温合金制备领域，特别是涉及镍基粉末冶金高温合金中一种具有高裂纹扩展抗力的镍基粉末冶金高温合金。

背景技术

采用粉末冶金技术生产的高温合金具有晶粒细小、组织均匀、无宏观偏析、热加工性能和力学性能良好等优异特性，在航空航天领域先进发动机涡轮盘等热端部件中有着广泛应用。然而，直接热等静压成形的粉末高温合金中存在裂纹扩展问题，严重影响了合金的应用。目前，提高合金裂纹扩展抗力的措施主要是改进生产工艺和调整合金成分来实现。合金的化学成分决定合金的性能，因此成分对镍基粉末冶金高温合金的裂纹扩展抗力有着尤为重要的影响。

本发明是在镍基粉末冶金高温合金中加入微量元素Hf，使合金中相的组成、尺寸和数量发生变化，提高镍基粉末冶金高温合金的裂纹扩展抗力。

发明内容

本发明是通过在镍基粉末冶金高温合金中加入微量元素Hf得到具有高裂纹扩展抗力的镍基粉末冶金高温合金，包括：

(1) 一种具有高裂纹扩展抗力的镍基粉末冶金高温合金，按质量百分比含量为：Co19.8% 、Cr12.0%、W5.6%、Mo3.9%、Al5.1%、Ti1.8%、Nb2.6%、C0.04%、B0.012%、Zr0.015%、Hf0.15～0.9%、余量为Ni；所述高温合金中第二相强化相γ′相组成为(Ni_0.854~0.857Co_0.143~0.146)₃(Al_0.767~0.781Ti_0.129Nb_0.088Hf_0.002~0.016)，尺寸为284~511nm，二次γ′相占总γ′相的质量分数为81.9~85.3%；一次γ′相与三次 γ′相之和占总γ′相的质量分数为14.7~18.1%。

(2) 所述的具有高裂纹扩展抗力的镍基粉末冶金高温合金中MC型碳化物组成为(Nb_0.574~0.654Ti_0.253~0.323Hf_0.023~0.173)C，质量分数为0.266~0.338%。

(3) 所述的具有高裂纹扩展抗力的镍基粉末冶金高温合金采用等离子旋转电极制粉，粉末粒度范围为50～150μm。

(4) 具有高裂纹扩展抗力的镍基粉末冶金高温合金中Hf含量为0.3%。

经过特定的热处理使得合金微观结构具有非常不同的形式，从而微观结构的改变，大大改变了该合金的性能。

附图说明

图l为镍基粉末冶金高温合金Alloy的疲劳裂纹扩展速率试样图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例对本发明作进一步的说明。

(1) 镍基粉末冶金高温合金Alloy-1按质量百分比含量为：Co19.8% 、Cr12.0%、W5.6%、Mo3.9%、Al5.1%、Ti1.8%、Nb2.6%、C0.04%、B0.012%、Zr0.015%、Hf0.15～0.9%、余量为Ni。

其经过等离子旋转电极制粉、粉末粒度范围为50~150μm，经过热等静压之后，之后，进行固溶热处理，将冷轧后的合金板材在箱式电阻炉中进行固溶热处理，固溶温度为870℃，保温时间为2.9h，水淬；时效热处理：分为如下五步：时效温度为330℃，保温时间为19min，水淬；再加热到420℃进行第二次时效处理，时效时间为1.9h，水淬；再加热到485℃进行第三次时效，时效时间为2h，水淬；再加热到530℃进行第四次时效，时效时间为5.8h，水淬；再加热到590℃进行第五次时效，时效时间为11h，水淬，得到成品。检测得到其微观组织为：合金中第二相γ′相组成为(Ni_0.852Co_0.148)₃(Al_0.783Ti_0.129Nb_0.088)，尺寸为276nm，二次γ′相占总γ′相的质量分数为87.6%和(一次+三次)γ′相占总γ′相的质量分数为12.4%；合金中MC型碳化物组成为(Nb_0.664Ti_0.336)C，质量分数为0.264%。

(2) 镍基粉末冶金高温合金Alloy-2按质量百分比含量为：Co19.8% 、Cr12.0%、W5.6%、Mo3.9%、Al5.1%、Ti1.8%、Nb2.6%、C0.04%、B0.012%、Zr0.015%、Hf0.15%、余量为Ni。其经过等离子旋转电极制粉、粉末粒度范围为50~150μm，经过相同的热等静压之后，之后，进行固溶热处理，将冷轧后的合金板材在箱式电阻炉中进行固溶热处理，固溶温度为860-880℃，保温时间为2.8~4.8h，水淬；时效热处理：分为如下五步：时效温度为315~330℃，保温时间为12~28min，水淬；再加热到410~430℃进行第二次时效处理，时效时间为1.9~2.1h，水淬；再加热到480~495℃进行第三次时效，时效时间为2~2.5h，水淬；再加热到520~550℃进行第四次时效，时效时间为5~8h，水淬；再加热到580~620℃进行第五次时效，时效时间为10~12h，水淬，得到成品。检测得到其微观组织为：合金中第二相γ′相组成为(Ni_0.854Co_0.146)₃(Al_0.781Ti_0.129Nb_0.088Hf_0.002)，尺寸为284nm，二次γ′相占总γ′相的质量分数85.3%和(一次+三次)γ′相占总γ′相的质量分数为14.7%；合金中MC型碳化物组成为(Nb_0.654Ti_0.323Hf_0.023)C，质量分数为0.266%。

(3) 镍基粉末冶金高温合金Alloy-3按质量百分比含量为：Co19.8% 、Cr12.0%、W5.6%、Mo3.9%、Al5.1%、Ti1.8%、Nb2.6%、C0.04%、B0.012%、Zr0.015%、Hf0.3%、余量为Ni。

其经过等离子旋转电极制粉、粉末粒度范围为50~150μm，经过相同的热等静压之后，之后，进行固溶热处理，将冷轧后的合金板材在箱式电阻炉中进行固溶热处理，固溶温度为880℃，保温时间为4.8h，水淬；时效热处理：分为如下五步：时效温度为330℃，保温时间为28min，水淬；再加热到430℃进行第二次时效处理，时效时间为2.1h，水淬；再加热到495℃进行第三次时效，时效时间为2.5h，水淬；再加热到550℃进行第四次时效，时效时间为8h，水淬；再加热到620℃进行第五次时效，时效时间为12h，水淬，得到成品。检测得到其微观组织为：合金中第二相γ′相组成为(Ni_0.855Co_0.145)₃(Al_0.778Ti_0.129Nb_0.088Hf_0.005)，尺寸为511nm，二次γ′相占总γ′相的质量分数81.9%和(一次+三次)γ′相占总γ′相的质量分数为18.1%；合金中MC型碳化物组成为(Nb_0.642Ti_0.308Hf_0.050)C，质量分数为0.270%。

(4) 镍基粉末冶金高温合金Alloy-4按质量百分比含量为：Co19.8% 、Cr12.0%、W5.6%、Mo3.9%、Al5.1%、Ti1.8%、Nb2.6%、C0.04%、B0.012%、Zr0.015%、Hf0.6%、余量为Ni。其经过等离子旋转电极制粉、粉末粒度范围为50~150μm，经过相同的热等静压之后，之后，进行固溶热处理，将冷轧后的合金板材在箱式电阻炉中进行固溶热处理，固溶温度为860-880℃，保温时间为2.8~4.8h，水淬；时效热处理：分为如下五步：时效温度为315~330℃，保温时间为12~28min，水淬；再加热到410~430℃进行第二次时效处理，时效时间为1.9~2.1h，水淬；再加热到480~495℃进行第三次时效，时效时间为2~2.5h，水淬；再加热到520~550℃进行第四次时效，时效时间为5~8h，水淬；再加热到580~620℃进行第五次时效，时效时间为10~12h，水淬，得到成品。检测得到其微观组织为：合金中第二相γ′相组成为(Ni_0.856Co_0.144)₃(Al_0.773Ti_0.129Nb_0.088Hf_0.010)，尺寸为411nm，二次γ′相占总γ′相的质量分数为82.7%和(一次+三次)γ′相占总γ′相的质量分数为17.3%；合金中MC型碳化物组成为(Nb_0.619Ti_0.280Hf_0.101)C，质量分数为0.293%。

(5) 镍基粉末冶金高温合金Alloy-5按质量百分比含量为：Co19.8% 、Cr12.0%、W5.6%、Mo3.9%、Al5.1%、Ti1.8%、Nb2.6%、C0.04%、B0.012%、Zr0.015%、Hf0.9%、余量为Ni。其经过等离子旋转电极制粉、粉末粒度范围为50~150μm，经过相同的热等静压之后，进行固溶热处理，将冷轧后的合金板材在箱式电阻炉中进行固溶热处理，固溶温度为860-880℃，保温时间为2.8~4.8h，水淬；时效热处理：分为如下五步：时效温度为315~330℃，保温时间为12~28min，水淬；再加热到410~430℃进行第二次时效处理，时效时间为1.9~2.1h，水淬；再加热到480~495℃进行第三次时效，时效时间为2~2.5h，水淬；再加热到520~550℃进行第四次时效，时效时间为5~8h，水淬；再加热到580~620℃进行第五次时效，时效时间为10~12h，水淬，得到成品。检测得到其微观组织为：合金中第二相γ′相组成为(Ni_0.857Co_0.143)₃(Al_0.767Ti_0.129Nb_0.088Hf_0.016)，尺寸为409nm，二次γ′相占总γ′相的质量分数为82.9%和(一次+三次)γ′相占总γ′相的质量分数为17.1%；合金中MC型碳化物组成为(Nb_0.574Ti_0.253Hf_0.173)C，质量分数为0.338%。

以上五种合金采用按图1取下裂纹扩展速率试样；分别在650℃、力值比R=0.05、加载频率为10-30次/min(三角波，无保载)和650℃、力值比R=0.05、保载90s的试验条件下进行疲劳裂纹扩展速率试验，考核应力强度因子范围ΔK=30MPa（m^1/2）时的裂纹扩展速率。应力强度因子范围ΔK=30MPa（m^1/2）时的裂纹扩展速率在表1中给出。可见加入微量元素Hf后,镍基粉末冶金高温合金具有较低的裂纹扩展速率，其中在无保载条件下，裂纹扩展速率与Alloy-1相比，降低了41.2%~80.6%，含0.3%Hf合金的裂纹扩展速率最低；在保载条件下，裂纹扩展速率降低了21.9%~68.0%。表2给出了合金的室温拉伸和650℃/1020MPa持久性能，加入Hf后，合金的拉伸性能变化不明显，改善了合金的缺口敏感性。

表1 合金在应力强度因子范围为ΔK=30MPa（m^1/2）时对应的裂纹扩展速率

Figure 2014100713136100002DEST_PATH_IMAGE002

表2 合金室温拉伸和持久性能

Figure 2014100713136100002DEST_PATH_IMAGE004

Claims

1.一种具有高裂纹扩展抗力的镍基粉末冶金高温合金，其特征在于：所述高温合金按质量百分比含量为：Co19.8% 、Cr12.0%、W5.6%、Mo3.9%、Al5.1%、Ti1.8%、Nb2.6%、C0.04%、B0.012%、Zr0.015%、Hf0.15～0.9%、余量为Ni；所述高温合金中第二相强化相γ′相组成为(Ni0.854~0.857Co0.143~0.146)3(Al0.767~0.781Ti0.129Nb0.088Hf0.002~0.016)，尺寸为284~511nm，二次γ′相占总γ′相的质量分数为81.9~85.3%；一次γ′相与三次γ′相之和占总γ′相的质量分数为含量为14.7~18.1%。

2.根据权利要求1所述的具有高裂纹扩展抗力的镍基粉末冶金高温合金，其特征在于：所述高温合金中MC型碳化物组成为(Nb0.574~0.654Ti0.253~0.323Hf0.023~0.173)C，质量分数为0.266~0.338%。

3.根据权利要求1和2所述的具有高裂纹扩展抗力的镍基粉末冶金高温合金，其特征在于：合金采用等离子旋转电极制粉，粉末粒度范围为50~150μm。

4.根据权利要求1或3所述的具有高裂纹扩展抗力的镍基粉末冶金高温合金，其特征在于：所述Hf含量为0.3%。