CN104404308A - 一种具有高拉伸强度的镍基粉末高温合金 - Google Patents
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Abstract
一种具有高拉伸强度的镍基粉末高温合金，属于粉末高温合金技术领域。合金的化学成分质量百分数为：C 0.03-0.07，Co 16.0-17.5，Cr 8.5-10.5，W 5.8-6.2，Mo 4.0-4.5，Al 4.8-5.3，Ti 1.6-2.0，Nb 2.4-2.8，Hf 0.1-0.4，B＜0.02，Zr＜0.02，Mg＜0.01，Ce＜0.01，其余为Ni。优点在于，合金的拉伸强度、高温持久寿命优于FGH97合金。
Description
技术领域
本发明属于粉末高温合金技术领域。特别是涉及一种具有高拉伸强度的镍基粉末高温合金，在650℃以下使用的高强盘件镍基粉末高温合金。通过增加钴(Co)、铬(Cr)、钨(W)、钼(Mo)、碳(C)元素含量，提高镍基粉末高温合金FGH97合金的拉伸强度。
背景技术
粉末高温合金相比传统的铸造高温合金，由于粉末高温合金的预合金粉末在高冷速下冷却成形，使得合金成分均匀，消除了宏观偏析，晶粒尺寸达到微米级，改善了合金热加工性能，提高了合金拉伸强度。粉末高温合金是航空发动机涡轮盘等热端转动部件的关键材料。[张义文,杨士仲,李力,等.我国粉末高温合金的研究现状.材料导报，2002,16(5):1-4.]
发动机在实际运转中，涡轮盘盘心处承受极大的离心力，需要较高的拉伸强度，而涡轮盘的盘缘处温度比盘心处温度高，需要较好的持久性能和抗蠕变性能。[John Gayda,David Furrer.Dual-microstructure heat treatment.Adcanced Materials&Process,2003,161(7):36-40.]
高温合金的强化手段主要有三种：一是固溶强化。通过添加一些固溶元素到合金中，形成合金化的单相奥氏体，提高合金基体强度；二是第二相强化。第二相与基体相之间产生晶格错配，形成弹性应力场，或者改变位错运动的机制，来阻碍位错的运动；三是晶界强化。晶界是高温合金，特别是粉末高温合金的薄弱环节，合金的断裂往往呈现为沿晶断裂模式，减少晶界有害相的含量，改善晶界相的形态和分布，可以提高晶界强度，从而达到提高合金强度的效果。
钢铁研究总院研制的FGH97合金，其特点为γ′相含量高达60％，持久性能和蠕变性能十分突出，但拉伸强度偏低。欲通过增加Co、Cr、W、Mo、C元素含量，增加固溶强化效果，从而提高FGH97合金的拉伸强度。
就镍基粉末高温合金而言，国外通过调整合金成分来提高其强度，已做了大量的研究工作。以俄罗斯为例，在EP741P合金成分基础上，通过调整C、Cr、W、Mo、Co等元素含量实现固溶强化等强化效果，在不明显损失合金塑性的前提下，研制出的VV750P合金的拉伸强度较EP741P合金有明显提高[张义文,迟悦.俄罗斯粉末冶金高温合金研制新进展.粉末冶金工业,2012,22(5):37-44.]。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有高拉伸强度的镍基粉末高温合金，具有高拉伸强度的镍基粉末高温合金，通过调整合金成分，实现提高FGH97合金的拉伸强度。
本发明为具有高拉伸强度的镍基粉末高温合金，在合金FGH97成分的基础上，增加Co、Cr、W、Mo、C等一种或几种元素的含量。
所述的FGH97合金化学成分(质量百分数,％)为：C 0.02-0.06，Co 15.0-16.5，Cr8.0-10.0，W 5.2-5.9，Mo 3.5-4.2，Al 4.8-5.3，Ti 1.6-2.0，Nb 2.4-2.8，Hf 0.1-0.4，B、Zr、Mg和Ce微量，余量为Ni[张莹,张义文,张娜,贾建.FGH97粉末冶金高温合金热处理工艺和组织性能的研究.航空材料学报,2008,28(6):5-9.]。
本发明的的合金的化学成分(质量百分数,％)为：C 0.03-0.07，Co 16.0-17.5，Cr8.5-10.5，W 5.8-6.2，Mo 4.0-4.5，Al 4.8-5.3，Ti 1.6-2.0，Nb 2.4-2.8，Hf 0.1-0.4，B<0.02，Zr<0.02，Mg<0.01，Ce<0.01，其余为Ni。
通过增加FGH97合金中Co、Cr、W、Mo等元素的含量，增大基体γ相的晶格常数，增强固溶强化效果；γ′相的晶格常数保持不变，由于γ相的晶格常数大于γ′相的晶格常数，从而提高γ/γ′晶格错配度[张义文,王福明,胡本芙.Hf含量对FGH97合金γ/γ′晶格错配度的影响.稀有金属材料与工程,2012:41(6):989-993.]，增强共格应变强化效果，提高合金拉伸强度；另一方面，通过增加碳(C)元素含量，与固溶金属元素结合，减少有害相的析出。在提高合金拉伸强度的同时，合金塑性不能明显降低，使合金具备良好的综合性能。
具体实施方式
在本发明镍基粉末高温合金的化学成分范围内，用25kg真空感应炉熔炼了四种不同含量配比的合金棒料，为了对比，同时熔炼了一种成分的FGH97合金棒料。使用等离子旋转电极法制备合金粉末，粉末处理后热等静压获得致密粉末高温合金圆柱锭坯，将锭坯进行热处理。发明合金与FGH97合金的制备工艺相同。从热处理后的锭坯上取样进行化学成分分析和力学性能试验。
实施例
(1)镍基粉末高温合金Alloy-1合金的化学成分(质量分数,％)为：C 0.04,Co 16.1,Cr 8.8,W 5.9,Mo 4.1,Al 5.0,Ti 1.8,Nb 2.6,Hf 0.3,Zr 0.012,B 0.014,Mg和Ce微量,余量为Ni。
(2)镍基粉末高温合金Alloy-2合金的化学成分(质量分数,％)为：C 0.04,Co 16.0,Cr 9.7,W 6.0,Mo 4.1,Al 5.0,Ti 1.8,Nb 2.6,Hf 0.3,Zr 0.012,B 0.014,Mg和Ce微量,余量为Ni。
(3)镍基粉末高温合金Alloy-3合金的化学成分(质量分数,％)为：C 0.04,Co 16.6,Cr 9.6,W 5.9,Mo 4.1,Al 5.0,Ti 1.8,Nb 2.6,Hf 0.3,Zr 0.012,B 0.014,Mg和Ce微量,余量为Ni。
(4)镍基粉末高温合金Alloy-4合金的化学成分(质量分数,％)为：C 0.06,Co 16.5,Cr 9.7,W 6.0,Mo 4.1,Al 5.0,Ti 1.8,Nb 2.6,Hf 0.3,Zr 0.012,B 0.014,Mg和Ce微量,余量为Ni。
表1为本发明合金与FGH97合金的化学成分对比，表中Alloy-1、Alloy-2、Alloy-3、Alloy-4为发明合金。表2为本发明合金与FGH97合金的室温拉伸性能对比，表3为本发明合金与FGH97合金的650℃拉伸性能对比，表4为本发明合金与FGH97合金的650℃持久性能(试验条件：650℃、1020MPa，缺口光滑组合试样，缺口半径R＝0.15mm)对比。
由表2、表3可知，与FGH97合金相比，本发明合金在室温、650℃的拉伸强度有所提高，塑性无明显降低，其中Alloy-2、Alloy-3、Alloy-4合金的拉伸强度提高较明显。由表4可知，本发明合金在650℃、1020MPa条件下持久寿命高于FGH97合金，并且没有缺口敏感性，其中Alloy-2、Alloy-3、Alloy-4合金的持久寿命提高了34％以上。
综上所述，在FGH97合金中提高Co、Cr、W、Mo、C元素含量，不仅可以提高合金的拉伸强度，还可以提高合金的持久寿命。
在本发明的应用中，应该充分考虑合金各元素的相互作用以及合金各析出相之间的平衡，避免有害相的析出，在提高力学强度的同时，不严重损失合金塑性，避免合金出现缺口敏感，既而达到优异的综合性能。
表1本发明合金与FGH97合金的化学成分对比
| 合金 | C | Co | Cr | W | Mo | Al | Ti | Nb | Hf | Zr | B | Ni |
| Alloy-1 | 0.04 | 16.1 | 8.8 | 5.9 | 4.1 | 5.0 | 1.8 | 2.6 | 0.3 | 0.012 | 0.014 | 余 |
| Alloy-2 | 0.04 | 16.0 | 9.7 | 6.0 | 4.1 | 5.0 | 1.8 | 2.6 | 0.3 | 0.012 | 0.014 | 余 |
| Alloy-3 | 0.04 | 16.6 | 9.6 | 5.9 | 4.1 | 5.0 | 1.8 | 2.6 | 0.3 | 0.012 | 0.014 | 余 |
| Alloy-4 | 0.06 | 16.5 | 9.7 | 6.0 | 4.1 | 5.0 | 1.8 | 2.6 | 0.3 | 0.013 | 0.014 | 余 |
| FGH97 | 0.04 | 15.9 | 8.9 | 5.6 | 3.8 | 5.0 | 1.8 | 2.6 | 0.3 | 0.012 | 0.014 | 余 |
表2本发明合金与FGH97合金的室温拉伸性能对比
| 合金 | σb/MPa | σ0.2/MPa | δ/％ | ψ/％ |
| Alloy-1 | 1486 | 1029 | 19.5 | 23.0 |
| Alloy-2 | 1500 | 1045 | 19.5 | 19.0 |
| Alloy-3 | 1513 | 1053 | 20.5 | 21.0 |
| Alloy-4 | 1523 | 1051 | 22.0 | 22.0 |
| FGH97 | 1484 | 1023 | 26.0 | 24.0 |
表3本发明合金与FGH97合金的650℃拉伸性能对比
| 合金 | σb/MPa | σ0.2/MPa | δ/％ | ψ/％ |
| Alloy-1 | 1330 | 990 | 23.0 | 23.0 |
| Alloy-2 | 1360 | 1010 | 23.5 | 24.5 |
| Alloy-3 | 1370 | 1020 | 23.0 | 21.5 |
| Alloy-4 | 1370 | 1010 | 24.5 | 24.5 |
| FGH97 | 1310 | 988 | 23.8 | 26.0 |
表4本发明合金与FGH97合金的650℃、1020MPa持久性能对比
| 合金 | 持久寿命/h | 断后伸长率/％ |
| Alloy-1 | 198 | 5 |
| Alloy-2 | 255 | 5 |
| Alloy-3 | 264 | 9 |
| Alloy-4 | 221 | 7 |
| FGH97 | 165 | 5 |
Claims (1)
1.一种具有高拉伸强度的镍基粉末高温合金，其特征在于，该合金的化学成分质量分数为：C 0.03-0.07，Co 16.0-17.5，Cr 8.5-10.5，W 5.8-6.2，Mo 4.0-4.5，Al 4.8-5.3，Ti 1.6-2.0，Nb 2.4-2.8，Hf 0.1-0.4，B<0.02，Zr<0.02，Mg<0.01，Ce<0.01，其余为Ni。
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