CN105238957A

CN105238957A - 一种高性能镍基高温合金及其制造方法

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Publication number: CN105238957A
Application number: CN201510643032.8A
Authority: CN
Inventors: 张志伟; 李振瑞; 牛永吉; 傅祖明; 李明扬; 柳海波
Original assignee: BEIJING BEIYE FUNCTIONAL MATERIALS Corp
Current assignee: BEIJING BEIYE FUNCTIONAL MATERIALS Corp
Priority date: 2015-09-30
Filing date: 2015-09-30
Publication date: 2016-01-13
Anticipated expiration: 2035-09-30
Also published as: CN105238957B

Abstract

一种高性能镍基高温合金及其制造方法，属于镍基高温合金技术领域。合金按重量百分比为：C：0.02％～0.10％，Cr：9.6％～12.0％，Mo：2.5％～4.0％，Nb：0.6％～3.2％，Al：1.5％～3.2％，Ti：0.1％～0.8％，B：0.005％～0.020％，Zr：0.05％～0.30％，Si≤0.5％，Mn≤0.25％，Cu≤0.5％，Fe≤2.5％，Ni：余量。通过熔炼、精炼、热加工、固溶处理、拉拔和退火等步骤制备。优点在于：具有良好的机械性能；制备工艺简单易行，降低了投入，从而达到了造价低、质量优的优异特性。

Description

一种高性能镍基高温合金及其制造方法

技术领域

本发明属于镍基高温合金技术领域，特别涉及一种高性能镍基高温合金及其制造方法。尤其针对γ’相强化和碳化物强化的高性能镍基高温合金。

背景技术

Inconel713C合金是γ’相沉淀强化型镍基铸造高温合金，合金化学成分重量百分比为(Wt-％)：C：0.08～0.20，Cr：12.0～14.0，Mo：3.8～5.2，Nb：1.8～2.8，Al：5.5～6.5，Ti：0.5～1.0，B：0.005～0.015，Zr：0.05～0.15，Si≤0.5，Mn≤0.25，Cu≤0.5，Fe≤2.5，Co≤1.0，Ni：余量。该合金在980℃以下具有较高的蠕变强度，长期组织稳定性，抗热腐蚀性能和热疲劳特性，以及良好的铸造工艺性能等优点。目前已广泛应用于各个工业领域，特别是航空航天、船舶、汽车、石油化工等。合金成分不含钴，密度较低，通常在铸态使用。

由于该合金的化学成分中含有大量的γ’相形成元素Al、Ti，以及较高的碳化物形成元素和固溶强化元素，合金在冷却过程中析出大量的第二相(主要为γ’相)，促使合金强度提高，从而导致合金加工过程中变形抗力增大，加工性能较差。

为了提高和改善铸造高温合金的加工性能，满足航空动力装置的使用要求，必须对铸造难变形镍基合金进行开发，研制出具有良好综合性能的镍基高温合金，从而满足实际装配需要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高性能镍基高温合金及其制造方法，解决现有铸造高温合金难变形的问题。

解决上述问题的构思是：以Inconel713C合金成分为基础，充分考虑添加的合金元素与基体Ni之间的相互作用，以及合金元素间的相互作用，优化出最佳成分，以下为具体的化学成分确定与优化过程。合金材料的成分是决定其加工性能的基础，此外，高温合金以其强度高、抗氧化和耐腐蚀性能良好经常应用于高温空气环境中，所以元素选取在保证合金具有可加工性的同时，还要具有高强度以及抗高温氧化性能，故调整了Al、Cr、Mo、Nb、Ti、C元素含量。①铝和钛：铝时形成γ’-Ni₃Al相的基本组成元素，加入高温合金中的Al约有80％与Ni形成Ni₃Al，进行沉淀强化，Al含量增加，会引起γ’相增加，虽然可提高合金的强度。钛加入镍基高温合金中，约有90％钛原子代替γ’-Ni₃Al相中的Al原子，而形成γ’-Ni₃(Al,Ti)。在一定Al含量条件下，随着Ti含量的增加，γ’相数量增加，引起合金强度增加。Al+Ti之和增加，高温合金中的γ’相亦增加，同时γ’相减小。这均会损害合金的加工性能，因此综合考虑，Al元素的添加含量为1.5％～3.2％；Ti元素的添加含量为0.1％～0.8％。②铬：Cr是高温合金中不可缺少的合金化元素，将Cr加入高温合金中，其中大部分溶解于γ固溶体中，还有少量的Cr形成碳化物相。此外，高温环境下铬在合金表面容易生成致密的氧化膜Cr2O3，提高了合金的抗氧化性能。因此综合考虑Cr元素的添加量为9.6％～12.0％。③钼：钼元素是高温合金中比较常见的一种合金化元素，添加一定含量的Mo元素，由于钼原子半径比较大，比镍原子半径大10～13％，可造成严重的晶格畸变，形成强烈的固溶强化效应，明显提高合金的强度。另外Mo元素还能提高合金的抗腐蚀能力。因此Mo元素添加量为2.5％～4.0％。④铌：铌的原子半径比镍原子大15～18％，将铌加入高温合金中引起的固溶强化作用更大。因此Nb元素添加量为0.6％～3.2％。⑤碳：高温合金中的碳元素主要形成碳化物，综合考虑碳元素的添加量为0.02％～0.10％。

一种高性能镍基高温合金，其化学成分为(重量百分比)，C：0.02％～0.10％，Cr：9.6％～12.0％，Mo：2.5％～4.0％，Nb：0.6％～3.2％，Al：1.5％～3.2％，Ti：0.1％～0.8％，B：0.005％～0.020％，Zr：0.05％～0.30％，Si≤0.5％，Mn≤0.25％，Cu≤0.5％，Fe≤2.5％，Ni：余量。

一种高性能镍基高温合金的制造方法，其具体步骤与参数如下：

1、熔炼：称取各组分原料后放入坩埚内，其中Cr：9.6％～12.0％，Mo：2.5％～4.0％，Nb：0.6％～3.2％，Ni：余量；抽高真空状态，设熔炼炉的熔炼温度为1500～1560℃，待原料充分熔化后，继续加热5～10min，至原料熔清。

2、精炼：将上述溶液温度控制在1560～1580℃，并向熔炼炉内充氩气，至炉内真空度≤0.5Pa，精炼10min后，加入中C、Si、Mn、Al、Ti、Zr和B-Fe小料，控制各元素的成分范围，其中C、Si、Mn、Al、Ti和Zr的成分范围依次为0.02％～0.10％、0.10～0.15％、0.10～0.20％、1.5％～3.2％、0.1％～0.8％和0.05％～0.30％，B-Fe中B的成分范围为0.005％～0.020％；待小料充分熔化后，调整钢液的温度为1440～1460℃后出钢。

3、热加工：将上述钢锭热加工成Φ8mm的盘条，其中，加热温度为1100～1250℃，保温时间≥2h，冷却方式为空冷。

4、固溶处理：将热加工后的Φ8mm盘条进行1100～1200℃保温1小时，水冷。

5、拉拔：将固溶处理后的盘条采用拉丝机进行拉拔减径，拉拔至直径为Φ3.0～Φ1.0mm，变形量控制在10％～80％。

6、退火：将冷拔后的丝材进行退火，其中，退火温度为1000～1200℃，退火时间为5～50min，水冷。

本发明的优点在于：打破了铸造高温合金难变形的技术难题，采用多种合金元素合理的搭配，加上采用独特的制备工艺使所得的高温合金耐蚀、同时具有良好的机械性能。此外，该新型合金，制备工艺简单易行，降低了投入，从而达到了造价低、质量优的优异特性。

具体实施方式

实施例1

一种高性能镍基高温合金，其化学成分(wt％)如表1所示：

表1实施例1中合金的化学成分(wt％)

Al	Cr	Mo	Nb	Ti	C	Si	Mn	B	Zr	Fe	Cu	Ni
													2.31	11.31	3.82	1.73	0.50	0.064	0.13	0.18	0.013	0.07	0.21	<0.10	余

其制造方法的具体步骤与工艺参数如下：

1、熔炼：称取各组分原料后放入坩埚内，其中，Cr：11.31％，Mo：3.82％，Nb：1.73％，Ni：余量；抽高真空状态，设熔炼炉的熔炼温度为1530℃，待原料完全熔化后，继续加热5min，至原料熔清。

2、精炼：将上述溶液温度控制在1560～1580℃，并向炉内充氩气，至炉内真空度≤0.5Pa，精炼10min后，加入中C、Si、Mn、Al、Ti、Zr和B-Fe小料，控制各元素的成分范围，其中C、Si、Mn、Al、Ti和Zr的成分依次为0.07％、0.15％、0.20％、2.35％、0.50％和0.07％，B-Fe中B的成分为0.013％，待小料充分熔化后，调整钢液的温度为1440～1460℃后出钢。

3、热加工：将上述钢锭热加工成Φ8mm的盘条。加热温度1180℃，保温时间2h，冷却方式为空冷。

4、固溶处理：将热加工后的Φ8mm盘条进行1150℃保温1小时，水冷。

5、拉拔：将固溶处理后的盘条采用拉丝机进行拉拔减径，拉拔至直径为Φ3.0～Φ1.0mm，变形量控制在30％。

6、退火：将冷拔后的丝材进行退火，其中，退火温度1080℃，退火时间6min，水冷。

实施例1中合金经不同变形量试验后的室温拉伸性能见表2。发明合金的室温拉伸性能，随变形量的增加，合金的强度增加、塑性降低。本实施例中发明合金至1.81mm出现裂纹，冷拔到1.65mm时丝材断裂。

表2拉伸性能

实施例2

一种高性能镍基高温合金，其化学成分(wt％)如表3所示：

表3实施例2中合金的化学成分(wt％)

Al	Cr	Mo	Nb	Ti	C	Si	Mn	B	Zr	Fe	Cu	Ni
													1.92	11.39	2.98	1.08	0.40	0.047	0.13	0.13	0.014	0.07	0.11	<0.10	余

其制造方法的具体步骤与工艺参数如下：

1、熔炼：称取各组分原料后放入坩埚内，其中，Cr：11.39％，Mo：2.98％，Nb：1.08％，Ni：余量；抽高真空状态，设熔炼炉的熔炼温度为1530℃，待原料完全熔化后，继续加热5min，至原料熔清。

2、精炼：将上述溶液温度控制在1560～1580℃，并向炉内充氩气，至炉内真空度≤0.5Pa，精炼10min后，加入中C、Si、Mn、Al、Ti、Zr和B-Fe小料，控制各元素的成分范围，其中C、Si、Mn、Al、Ti和Zr的成分依次为0.07％、0.15％、0.20％、2.0％、0.40％和0.07％，B-Fe中B的成分0.013％，待小料充分熔化后，调整钢液的温度为1440～1460℃后出钢。

5、拉拔：将固溶处理后的盘条采用拉丝机进行拉拔减径，拉拔至直径为Φ3.0～Φ1.0mm，变形量控制在30％

实施例2中合金经不同变形量试验后的室温拉伸性能见表4。实施例2中发明合金的力学性能特点与实施例1类似，但不同的是实施例2发明合金在变形量达到80％时仍未出现断裂现象。

表4拉伸性能

Claims

1.一种高性能镍基高温合金，其特征在于，化学成分按重量百分比为，C：0.02％～0.10％，Cr：9.6％～12.0％，Mo：2.5％～4.0％，Nb：0.6％～3.2％，Al：1.5％～3.2％，Ti：0.1％～0.8％，B：0.005％～0.020％，Zr：0.05％～0.30％，Si≤0.5％，Mn≤0.25％，Cu≤0.5％，Fe≤2.5％，Ni：余量。

2.一种权利要求1所述的高温合金的制造方法，其特征在于，具体步骤与参数为：

1)熔炼：称取各组分原料后放入坩埚内，其中Cr：9.6％～12.0％，Mo：2.5％～4.0％，Nb：0.6％～3.2％，Ni：余量；抽高真空状态，设熔炼炉的熔炼温度为1500～1560℃，待原料充分熔化后，继续加热5～10min，至原料熔清；

2)精炼：将溶液温度控制在1560～1580℃，并向熔炼炉内充氩气，至炉内真空度≤0.5Pa，精炼10min后，加入C、Si、Mn、Al、Ti、Zr和B-Fe小料并控制各元素的成分范围，其中C、Si、Mn、Al、Ti和Zr的成分范围依次为0.02％～0.10％、0.10～0.15％、0.10～0.20％、1.5％～3.2％、0.1％～0.8％和0.05％～0.30％，B-Fe中B的成分范围为0.005％～0.020％；待小料充分熔化后，调整钢液的温度为1440～1460℃后出钢；

3)热加工：将钢锭热加工成Φ8mm的盘条，其中，加热温度为1100～1250℃，保温时间≥2h，冷却方式为空冷；

4)固溶处理：将热加工后的Φ8mm盘条进行1100～1200℃保温1小时，水冷；

5)拉拔：采用拉丝机将固溶处理后的盘条拉拔减径，拉拔至直径为Φ3.0～Φ1.0mm，变形量控制在10％～80％；

6)退火：退火温度为1000～1200℃，退火时间为5～50min，水冷。