CN104109780A

CN104109780A - 镍基高温合金及其制造方法

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Publication number: CN104109780A
Application number: CN201310138946.XA
Authority: CN
Inventors: 王资兴; 陈国胜; 王庆增; 丁燕; 魏志刚
Original assignee: Baosteel Special Steel Co Ltd
Current assignee: Baosteel Special Steel Co Ltd
Priority date: 2013-04-19
Filing date: 2013-04-19
Publication date: 2014-10-22

Abstract

本发明揭示了一种镍基高温合金及其制造方法，包括以下步骤：通过真空感应熔炼并浇铸合金，其中该合金的组分及其重量百分比为碳：0.015-0.06％；铬：17.0-21.0％；镍：50.0-55.0％；铝：0.6-1.4％；钛：0.65-1.15％；铌：5.5-6.0％；钴：0-1.0％；钼：2.8-3.3％；磷：0.004-0.030％；硼：0.004-0.015％；余量为铁和不可避免的杂质。将合金进行两次均匀化处理。高温锻造该合金。对该合金进行固溶处理。对该合金保温、冷却。采用了本发明的技术方案，保证了合金拥有良好的耐腐蚀性能和长期组织稳定性，所以本发明的合金十分适用于制作涡轮盘用高温合金。

Description

镍基高温合金及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种高温合金，更具体地说，涉及一种涡轮盘用新型镍基高温合金及其制造方法。

背景技术

涡轮盘作为航空航天发动机的心脏，经受着最苛刻的条件考验，而现代的航空发动机要求越来越强大的动力和效率，提高涡轮盘进口的温度是实现大推力的途径之一，这就意味着涡轮盘所受的温度越来越高，并对涡轮盘的全面性能特别是高温性能提出了更高的要求。

目前，国内外航空航天发动机装备的高温合金涡轮盘在700℃下全部采用是变形高温合金材料，如GH4169、GH4133B、GH4698、GH738等合金。尤其是GH4169合金，由于在650℃下具有强度高，抗氧化，抗辐射，热加工性能和焊接性能良好的特点，广泛用于航空航天发动机涡轮盘部件，在新型航空发动机种，其零件总重量占发动机总重量的30%以上。

GH4169（也叫IN718、Inconel718），这种材料的成分和主要性能指标如表1和表2所示：

表1.GH4169材料的主要化学成分范围（W_t%）

表2.GH4169材料的力学性能

由于为了该合金采用γ′′、γ′进行强化，当使用温度超过650℃后，γ′′强化相会显著粗化，其性能会大幅度下降。因此，保持该合金650℃以下高强度和塑性性能，适当提高使用温度，非常有必要。

从专利检索的情况看，CN101142338A公开了一种名为718Plus合金，其特征在于该合金的化学成份（重量％）为：C：≤0.1%；Cr：12-20%；Mo：≤4%；W：≤6%；Co：5-15%；Fe：≤14%；Nb：4-8%；Al：0.6-2.6%；Ti：0.4-1.4%；P：0.003-0.03%；B：0.003-0.15%；余为Ni。其中W和Mo重量百分比至少为2且不大于8；Al的原子百分数对Ti原子百分数的比值至少1.5，而Al的原子百分数和Ti的原子百分数之和除以Nb原子百分数的比值之和约0.8-1.3。

从合金成分判断，该718Plus合金相对于GH4169合金来说，主要是添加了W来增加高温强度，通过Co来替代部分Fe，并增加了Al合金元素成分。该合金的使用温度较GH4169合金有所增加。但随着合金Co、W等贵金属元素的质量分数的增加，较大幅度地提高了合金的成本。

CN200810116156.0公开了一种超细晶镍基高温合金及其制备方法。其特征在于该合金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。

从成分上判断，该合金相对GH4169合金来说，主要通过减少了C元素含量，增加了Al元素含量，然后通过热变形工艺获得超细晶合金。适用高温强度和疲劳性能要求较高的高温结构件。但是，仅通过C元素和Al元素的调整，不能提高晶界在高温下的稳定性，故该合金主要通过成分优化和合适的热加工工艺获得超细晶组织，而不是提高合金的使用温度。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种镍基高温合金及其制造方法，用来解决现有技术中使用温度低，强度不高的问题。

根据本发明，提供一种镍基高温合金，该合金的组分及其重量百分比为：碳：0.015-0.06％；铬：17.0-21.0％；镍：50.0-55.0％；铝：0.6-1.4％；钛：0.65-1.15％；铌：5.5-6.0％；钴：0-1.0％；钼：2.8-3.3％；磷：0.004-0.030％；硼：0.004-0.015％；余量为铁。

根据本发明的一实施例，该合金中，碳0.025%；铬18.9%；钼3.02%；钴0.01%；铌5.57%；铝0.63%；钛1.04%；磷0.023%；硼0.01%；镍52.7%；余量为铁。

根据本发明的一实施例，该合金中，碳0.028%；铬19.2%；钼3.05%；钴0.01%；铌5.60%；铝0.62%；钛1.06%；磷0.024%；硼0.009%；镍52.2%；余量为铁。

根据本发明的一实施例，该合金中，碳0.030%；铬18.8%；钼3.02%；钴0.02%；铌5.58%；铝0.80%；钛1.03%；磷0.011%；硼0.005%；镍52.0%；余量为铁。

根据本发明的另一方面，还提供一种镍基高温合金的制造方法，包括以下步骤：步骤一，通过真空感应熔炼并浇铸合金，其中该合金的组分及其重量百分比为碳：0.015-0.06％；铬：17.0-21.0％；镍：50.0-55.0％；铝：0.6-1.4％；钛：0.65-1.15％；铌：5.5-6.0％；钴：0-1.0％；钼：2.8-3.3％；磷：0.004-0.030％；硼：0.004-0.015％；余量为铁和不可避免的杂质。步骤二，将合金进行两次均匀化处理。步骤三，高温锻造该合金。步骤四，对该合金进行固溶处理。步骤五，对该合金保温、冷却。

根据本发明的一实施例，第一次均匀化的温度为1160℃，时间为24小时，第二次均匀化的温度为1195℃，时间为72小时。

根据本发明的一实施例，高温锻造的温度为1100-1150℃。

根据本发明的一实施例，固溶处理的温度为965℃，时间为1小时。

根据本发明的一实施例，该保温方法为：在720℃下保温8小时，以50℃/小时炉冷至620℃，保温8小时，空冷。

采用了本发明的技术方案，按照本发明规定的成分范围进行生产的镍基合金与现有的合金相比，使用温度能达680℃，同时该合金的元素成分保证了合金拥有良好的耐腐蚀性能和长期组织稳定性，所以本发明的合金十分适用于制作涡轮盘用高温合金。

附图说明

在本发明中，相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：

图1是本发明镍基高温合金制造方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

本发明提供的一种涡轮盘用新型镍基高温合金，其特征在于该合金的成分包括（单位是重量百分数）：碳：0.015-0.06％；铬：17.0-21.0％；镍：50.0-55.0％；铝：0.6-1.4％；钛：0.65-1.15％；铌：5.5-6.0％；钴：0-1.0％；钼：2.8-3.3％；磷：0.004-0.030％；硼：0.004-0.015％；余量为铁和不可避免的杂质。

下面对本发明涡轮盘用新型镍基高温合金的化学成分及其控制范围的理由作如下说明：

碳（C）：0.015-0.06%

C是镍基高温合金中碳化物形成的必需元素。C控制在0.015-0.06%是必要的，一要保证一定数量的碳化物在晶界析出，起着细化晶粒，提高持久强度和塑性的作用，二要防止过多的碳化物造成夹杂物过多和偏析倾向，致使晶粒不均匀和合金塑性恶化。

铬（Cr）：17.0-21.0%

Ni-Cr-Fe合金组成了涡轮盘用镍基合金的基体，Cr元素的加入量考虑两个因素，一是保证形成单相奥氏体固溶体，二是要考虑耐蚀性，Cr是提高合金耐蚀性最有效的元素，综合考虑将Cr含量控制在17.0-21.0％。

镍（Ni）：50.0-55.0%

Ni-Cr-Fe合金组成了涡轮盘用镍基合金的基体，而Fe加入量约18%。适量的Fe加入，能替换部分Ni，并不显著影响合金的性能，能显著降低合金成本。综合考虑，Ni含量控制在50.0-55.0%，余量为Fe。

铝（Al）：0.6-1.4%

Al是镍基合金中γ′相和γ′′相的必需形成元素，并且是镍基合金中最重要的两种强化相。通过控制合适的铝元素，可以析出稳定性更高的γ′′/γ′包覆组织或γ′粒子，这样在稍超出650℃时无明显的软化，具有良好的物理化学性能和高温强度。Al含量越高，γ′相的析出量越大，但Al过高会增加合金热加工的难度，使材料容易产生裂纹。所以Al控制在0.6-1.4%。

钛（Ti）：0.65-1.15%

合金中Ti很容易溶入γ′相，可以代替三分之二的Al原子。Ti进入γ′后，使γ′析出减慢，有效阻止过时效的作用，这种作用使合金适合涡轮盘在高温工作环境中长期使用。但Ti加入过多就会产生了Ni3Ti（η相），而Ni3Ti相无时效硬化能力，本合金Ti含量得控制范围在Ti：0.65-1.15。

铌（Nb）：5.5-6.0%

本合金中含有较高的Nb，是因为Nb与Ni形成γ′′强化相，显著地提高合金的强度，另外，稍高的Nb能提高涡轮盘的高温稳定性。但是，Nb加入过多，由于Nb元素比重大，在冶炼过程中容易形成偏析，如产生黑斑等冶金缺陷。本合金Nb含量得控制范围在5.5-6.0%。

钴（Co）：0-1%

本合金中，添加少量的Co，与Ni、Cr等共同形成奥氏体基体，会增加即提组织的稳定性，不会有有害影响，但如果过多增加，会增加合金的成本。因此，本合金中Co元素含量控制在1%以下。

钼（Mo）：2.8-3.3%

Mo元素的加入量考虑两个因素，一是保证能完全溶入到单相奥氏体固溶体基体中，并提高耐蚀性和高温稳定性。由于Mo元素较为昂贵，并且在基体中溶解有限，综合考虑将Mo含量控制在2.8-3.3％。

磷（P）：0.004-0.030%

P微量元素的添加，改善晶界在高温下的稳定性，能显著提高合金的高温持久性能和蠕变寿命，但过多的P会恶化合金的热加工性能，并容易导致显微偏析。综合考虑，P元素含量控制在0.004-0.030%。

硼（B）：0.004-0.015%

B微量元素的添加，能显著提高合金的高温持久性能和蠕变寿命，但过多的B会显著恶化合金的热加工性能，也会使合金焊接工艺性能变差。综合考虑，B元素含量控制在0.004-0.015%。

如图1所示，本发明还公开一种上述镍基高温合金的制造方法，包括以下几个主要步骤：

S1：通过真空感应熔炼并浇铸合金。

S2：将合金进行两次均匀化处理。

S3：高温锻造该合金。

S4：对该合金进行固溶处理。

S5：对该合金保温、冷却。

具体来说，以制做一根镍基高温合金试样为例，首先通过真空感应熔炼并浇铸电极，电极经过电渣重熔得到钢锭，钢锭然后在1160℃×24h+1195℃×72h均匀化后，加热到1100-1150℃进行锻造为直径约为200mm的棒材。随后棒材进行965℃保温1小时的固溶处理，然后在720℃下保温8h炉冷(约50℃/h)至620℃下保温8h，空冷。然后取样并测定性能。

含有上述成分的合金也可通过真空感应+电渣重熔的冶炼方式获到，也可以通过真空感应+自耗重熔，也可以真空感应+电渣重熔+自耗重熔方式，也可以真空感应+自耗重熔+电渣重熔方式等获得。经过适当的锻造和热处理后，合金的680℃拉伸强度可达到1000MPa或以上，680℃/690MPa持久性能可达25h以上。

下面通过3个实施例来说明本发明镍基高温合金在温度和强度上的优势之处。

对于已知的GH4169合金，其主要组分如下表所示：

序号	1	2
			C	0.031	0.035
Cr	19	18.5
			Mo	3.01	2.98
Co	0.02	0.02
			Fe	余	余
Nb	5.15	5.04
			Al	0.57	0.54
Ti	0.99	1.02
			P	0.013	0.003
B	0.008	0.0042
			Ni	52.1	53.5

对于上述组分的GH4169合金，其力学性能如下表所示：

实施例1

本发明的镍基合金采用以下的组分：

C	0.025
		Cr	18.9
Mo	3.02
		Co	0.01
Fe	余
		Nb	5.57
Al	0.63
		Ti	1.04
P	0.023
		B	0.01
Ni	52.7

上述含量的镍基合金的力学性能如下表所示：

实施例2

本发明的镍基合金采用以下的组分：

上述含量的镍基合金的力学性能如下表所示：

实施例3

本发明的镍基合金采用以下的组分：

C	0.028
		Cr	19.2
Mo	3.05
		Co	0.01
Fe	余
		Nb	5.6
Al	0.62
		Ti	1.06
P	0.024
		B	0.009
Ni	52.2

上述含量的镍基合金的力学性能如下表所示：

本发明由于采用了以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下优点和积极效果：本发明涡轮盘用新型镍基高温合金，与现行的GH4169合金相比，严格地控制了C元素含量，并通过控制Al、Nb、P、B元素含量，改善了合金高温长期使用性能，并适当提高了合金的使用温度，但合金的成本并没有显著增加。采用本技术的镍基合金比GH4169合金，使用温度能达到680℃，适合在680℃及以下温度下使用的涡轮盘材料。

从这些实施例的结果可看出，按照本发明规定的成分范围进行生产的镍基合金，与GH4169合金相比，使用温度能达680℃，同时该合金的元素成分保证了合金拥有良好的耐腐蚀性能和长期组织稳定性，所以该类合金十分适用于制作涡轮盘用高温合金。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的说明书仅是本发明众多实施例中的一种或几种实施方式，而并非用对本发明的限定。任何对于以上所述实施例的均等变化、变型以及等同替代等技术方案，只要符合本发明的实质精神范围，都将落在本发明的权利要求书所保护的范围内。

Claims

1.一种镍基高温合金，该合金的组分及其重量百分比为：

碳：0.015-0.06％；铬：17.0-21.0％；镍：50.0-55.0％；铝：0.6-1.4％；钛：0.65-1.15％；铌：5.5-6.0％；钴：0-1.0％；钼：2.8-3.3％；磷：0.004-0.030％；硼：0.004-0.015％；余量为铁。

2.如权利要求1所述的镍基高温合金，其特征是，该合金中，碳0.025%；铬18.9%；钼3.02%；钴0.01%；铌5.57%；铝0.63%；钛1.04%；磷0.023%；硼0.01%；镍52.7%；余量为铁。

3.如权利要求1所述的镍基高温合金，其特征是，该合金中，碳0.028%；铬19.2%；钼3.05%；钴0.01%；铌5.60%；铝0.62%；钛1.06%；磷0.024%；硼0.009%；镍52.2%；余量为铁。

4.如权利要求1所述的镍基高温合金，其特征是，该合金中，碳0.030%；铬18.8%；钼3.02%；钴0.02%；铌5.58%；铝0.80%；钛1.03%；磷0.011%；硼0.005%；镍52.0%；余量为铁。

5.一种镍基高温合金的制造方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤一，通过真空感应熔炼并浇铸合金，其中该合金的组分及其重量百分比为碳：0.015-0.06％；铬：17.0-21.0％；镍：50.0-55.0％；铝：0.6-1.4％；钛：0.65-1.15％；铌：5.5-6.0％；钴：0-1.0％；钼：2.8-3.3％；磷：0.004-0.030％；硼：0.004-0.015％；余量为铁和不可避免的杂质。

6.如权利要求5所述的镍基高温合金的制造方法，其特征是，还包括以下步骤：

步骤二，将合金进行两次均匀化处理；

步骤三，高温锻造该合金；

步骤四，对该合金进行固溶处理；

步骤五，对该合金保温、冷却。

7.如权利要求6所述的镍基高温合金的制造方法，其特征是，第一次均匀化的温度为1160℃，时间为24小时，第二次均匀化的温度为1195℃，时间为72小时。

8.如权利要求6所述的镍基高温合金的制造方法，其特征是，高温锻造的温度为1100-1150℃。

9.如权利要求6所述的镍基高温合金的制造方法，其特征是，固溶处理的温度为965℃，时间为1小时。

10.如权利要求6所述的镍基高温合金的制造方法，其特征是，该保温方法为：在720℃下保温8小时，以50℃/小时炉冷至620℃，保温8小时，空冷。