CN105734344B - 一种综合高温性能优异的镍基合金及其生产工艺 - Google Patents

一种综合高温性能优异的镍基合金及其生产工艺 Download PDF

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Abstract

本发明涉及合金材料技术领域，尤其涉及一种综合高温性能优异的镍基合金，同时还涉及其生产工艺。镍基合金的成分重量百分比为：单臂碳纳米管：0.02％～0.048％；Cr：19.8％～20.8％；Ni：51.7％～52.7％；Co：0.75％～0.88％；Mo：2.9％～3.1％；Al：0.47％～0.76％；Ti：0.79％～1.05％；Nb：5.0％～5.2％；B：0.002％～0.0056％；Mg：0.005％～0.0077％；Mn：0.2％～0.27％；Si：0.2％～0.28％；Cu：0.14％～0.23％；Fe：15.18％～17.4％；以及不可避免的杂质。本发明镍基合金力学性能指标约为传统镍基Inconel 718合金的1.2‑1.5倍，且抗高温高压腐蚀性能和耐热腐蚀能力显著提高。

Description

一种综合高温性能优异的镍基合金及其生产工艺
技术领域
本发明涉及合金材料技术领域，尤其涉及一种综合高温性能优异的镍基合金，同时还涉及其生产工艺。
背景技术
高温合金具有高的室温和高温强度、优良的抗高温氧化和抗热腐蚀性能、优异的蠕变与疲劳抗力、良好的长期组织稳定性，广泛应用于航空、航天、能源、核工业、石化等领域，是国防武器装备和国民经济建设不可或缺的关键材料。随着燃气轮机向F、H和J级发展，其透平叶片所承受的温度越来越高，这样对叶片材料高温性能的稳定性提出了更高的要求。高温合金一般为镍基合金。其中Inconel 718合金属于一种沉淀硬化性镍基合金，其最主要的用途就是作为燃气轮机和航空发动机的透平叶片材料。
近年来，针对镍基合金也进行了大量的研究。研究发现，碳在镍基合金中的作用非常复杂，而且也是非常重要的元素。镍基合金中碳化物的形态可以显著影响到合金的塑性，而且碳化物还可以通过与合金中其他元素的反应影响到合金基体的稳定性能。镍基合金中主要的碳化物有MC、M6C、M23C6和M7C3等，其中M23C6对镍基合金的高温性能影响最大。通常在Cr含量>5％的镍基合金中，M23C6会以Cr21(Mo,W)2C6或Cr23C6复杂的立方结构的形式存在于晶界上。当M23C6以细胞状(Cellular)的形态(高过饱和度、低温时效)出现在晶界上时，材料的高低温塑性很差，整体性能恶化。因此，如何消除有害碳化物的影响，增加有益碳化物的数量，从而提高镍基合金的综合高温性能，是本项目研究的一个重要任务。
发明内容
本发明目的是提供一种综合高温性能优异的镍基合金，其抗拉强度可达到1280MPa，屈服强度达到1100MPa，延伸率达到了20％以上。力学性能指标约为传统镍基Inconel 718合金的1.2-1.5倍。
本发明目的还在于提供一种综合高温性能优异的镍基合金的生产工艺。
本发明解决技术问题采用如下技术方案：一种综合高温性能优异的镍基合金，该镍基合金的成分重量百分比为：
单臂碳纳米管：0.02％～0.048％；
Cr：19.8％～20.8％；
Ni：51.7％～52.7％；
Co：0.75％～0.88％；
Mo：2.9％～3.1％；
Al：0.47％～0.76％；
Ti：0.79％～1.05％；
Nb：5.0％～5.2％；
B：0.002％～0.0056％；
Mg：0.005％～0.0077％；
Mn：0.2％～0.27％；
Si：0.2％～0.28％；
Cu：0.14％～0.23％；
Fe：15.18％～17.4％；
以及不可避免的杂质。
可选的，所述镍基合金的成分重量百分比为：单臂碳纳米管：0.038％，Cr：19.8％，Ni：52.2％，Co：0.75％，Mo：3.0％，Al：0.47％，Ti：0.79％，Nb：5.0％，B：0.002％，Mg：0.005％，Mn：0.2％，Si：0.2％，Cu：0.14％，Fe：17.4％，以及不可避免的杂质。
可选的，所述镍基合金的成分重量百分比为：单臂碳纳米管：0.048％，Cr：20.8％，Ni：52.7％，Co：0.78％，Mo：3.1％，Al：0.56％，Ti：0.89％，Nb：5.16％，B：0.0036％，Mg：0.0075％，Mn：0.22％，Si：0.28％，Cu：0.23％，Fe：15.18％，以及不可避免的杂质。
可选的，所述镍基合金的成分重量百分比为：单臂碳纳米管：0.02％，Cr：19.8％，Ni：51.7％，Co：0.88％，Mo：2.9％，Al：0.76％，Ti：1.05％，Nb：5.2％，B：0.0056％，Mg：0.0077％，Mn：0.27％，Si：0.28％，Cu：0.23％，Fe：16.8％，以及不可避免的杂质。
一种综合高温性能优异的镍基合金的生产工艺，包括以下步骤：
按重量百分比组成称取以下原料：单臂碳纳米管：0.025％～0.05％，Cr：20％～21％，Ni：52％～53％，Co：0.75％～0.9％，Mo：3.0％～3.2％，Al：0.5％～0.8％，Ti：0.9％～1.1％，Nb：5.0％～5.2％，B：0.003％～0.006％，Mg：0.007％～0.008％，Mn：0.2％～0.3％，Si：0.2％～0.3％，Cu：0.15％～0.25％，Fe：14.42％～17.25％；
所述原料在中频真空感应炉内于1550～1650℃下熔炼60～100分钟，在熔炼过程中加入除气剂，然后将所得熔液降至1500℃并保持20～30分钟；
将所得合金熔液浇入铸铁模中，冷却至室温，得到铸造合金；
所得铸造合金在真空自耗炉内自耗成直径250mm的铸锭，所述铸锭在电炉内于1050℃～1150℃下保温5～8小时，然后进行锻造处理，锻造比为80％；
对锻造所得合金在960℃下保温5～8小时，然后水淬，之后再在720℃～780℃下保温8～12小时，然后以50℃/小时的降温速度降至620℃～680℃，保温8～12小时，得到镍基合金成品。
优选的，所述除气剂为镁质量百分比含量为20％的镍镁合金。
得到的镍基合金成品的成分重量百分比组成为：
单臂碳纳米管：0.02％～0.048％；
Cr：19.8％～20.8％；
Ni：51.7％～52.7％；
Co：0.75％～0.88％；
Mo：2.9％～3.1％；
Al：0.47％～0.76％；
Ti：0.79％～1.05％；
Nb：5.0％～5.2％；
B：0.002％～0.0056％；
Mg：0.005％～0.0077％；
Mn：0.2％～0.27％；
Si：0.2％～0.28％；
Cu：0.14％～0.23％；
Fe：15.18％～17.4％；
以及不可避免的杂质。
本发明具有如下有益效果：本发明提供的镍基合金通过添加碳纳米管作为碳元素加入，再经过热处理加工后，得到的镍基合金具有非常高的强度和韧性。其抗拉强度可达到1280MPa，屈服强度达到1100MPa，延伸率达到了20％以上。力学性能指标约为传统镍基Inconel 718合金的1.2-1.5倍。在实际使用环境中的高温高压腐蚀和热腐蚀实验结果表明，镍基合金的抗高温高压腐蚀性能和耐热腐蚀能力显著提高，同时镍基合金的综合力学性能大幅度提高。表明该镍基合金可以作为一种高强度的耐热腐蚀合金加以推广。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步阐述。
实施例1
本实施例提供了一种镍基合金，其成分重量百分比为：单臂碳纳米管：0.048％，Cr：20.8％，Ni：52.7％，Co：0.78％，Mo：3.1％，Al：0.56％，Ti：0.89％，Nb：5.16％，B：0.0036％，Mg：0.0075％，Mn：0.22％，Si：0.28％，Cu：0.23％，Fe：15.18％，以及不可避免的杂质。
该镍基合金的生产工艺，包括以下步骤：
按重量百分比组成称取以下原料：单臂碳纳米管：0.05％，Cr：21％，Ni：53％，Co：0.8％，Mo：3.2％，Al：0.6％，Ti：1.0％，Nb：5.2％，B：0.004％，Mg：0.008％，Mn：0.22％，Si：0.3％，Cu：0.25％，Fe：14.42％；
上述原料在中频真空感应炉内于1600℃下熔炼80分钟，在熔炼过程中加入除气剂，除气剂为镁质量百分比含量为20％的镍镁合金，然后将所得熔液降至1500℃并保持20分钟；
将所得合金熔液浇入铸铁模中，冷却至室温，得到铸造合金；
所得铸造合金在真空自耗炉内自耗成直径250mm的铸锭，然后铸锭在电炉内于1100℃下保温8小时，然后进行锻造处理，锻造比为80％；
对锻造所得合金在960℃下保温5小时，然后水淬，之后再在780℃下保温8小时，然后以50℃/小时的降温速度降至680℃，保温8小时，得到镍基合金成品。
经测试，该镍基合金抗拉强度达到1280MPa，屈服强度达到1100MPa，硬度达到HRC46，延伸率为22％，面缩38％，力学性能指标比常用Inconel 718合金高约1.2～1.5倍，具有非常高的强度和韧性。另外，镍基合金在模拟油井井底的高温高压环境下耐腐蚀性能优异。
实施例2
本实施例提供了一种镍基合金，该镍基合金的成分重量百分比为：单臂碳纳米管：0.02％，Cr：19.8％，Ni：51.7％，Co：0.88％，Mo：2.9％，Al：0.76％，Ti：1.05％，Nb：5.2％，B：0.0056％，Mg：0.0077％，Mn：0.27％，Si：0.28％，Cu：0.23％，Fe：16.8％，以及不可避免的杂质。
该镍基合金的生产工艺，包括以下步骤：
按重量百分比组成称取以下原料：单臂碳纳米管：0.025％，Cr：20％，Ni：52％，Co：0.9％，Mo：3.0％，Al：0.8％，Ti：1.1％，Nb：5.2％，B：0.006％，Mg：0.008％，Mn：0.3％，Si：0.3％，Cu：0.25％，Fe：16.2％；
上述原料在中频真空感应炉内于1550℃下熔炼100分钟，在熔炼过程中加入除气剂，除气剂为镁质量百分比含量为20％的镍镁合金，然后将所得熔液降至1500℃并保持30分钟；
将所得合金熔液浇入铸铁模中，冷却至室温，得到铸造合金；
所得铸造合金在真空自耗炉内自耗成直径250mm的铸锭，然后铸锭在电炉内于1150℃下保温8小时，然后进行锻造处理，锻造比为80％；
对锻造所得合金在960℃下保温8小时，然后水淬，之后再在720℃下保温12小时，然后以50℃/小时的降温速度降至620℃，保温12小时，得到镍基合金成品。
实施例3
本实施例提供了一种镍基合金，该镍基合金的成分重量百分比为：单臂碳纳米管：0.038％，Cr：19.8％，Ni：52.2％，Co：0.75％，Mo：3.0％，Al：0.47％，Ti：0.79％，Nb：5.0％，B：0.002％，Mg：0.005％，Mn：0.2％，Si：0.2％，Cu：0.14％，Fe：17.4％，以及不可避免的杂质。
该镍基合金的生产工艺，包括以下步骤：
按重量百分比组成称取以下原料：单臂碳纳米管：0.04％，Cr：20％，Ni：52％，Co：0.75％，Mo：3.0％，Al：0.5％，Ti：0.9％，Nb：5.0％，B：0.003％，Mg：0.007％，Mn：0.2％，Si：0.2％，Cu：0.15％，Fe：17.25％；
上述原料在中频真空感应炉内于1600℃下熔炼60分钟，在熔炼过程中加入除气剂，除气剂为镁质量百分比含量为20％的镍镁合金，然后将所得熔液降至1500℃并保持20分钟；
将所得合金熔液浇入铸铁模中，冷却至室温，得到铸造合金；
所得铸造合金在真空自耗炉内自耗成直径250mm的铸锭，然后铸锭在电炉内于1050℃下保温5小时，然后进行锻造处理，锻造比为80％；
对锻造所得合金在960℃下保温5小时，然后水淬，之后再在780℃下保温8小时，然后以50℃/小时的降温速度降至680℃，保温8小时，得到镍基合金成品。
经测试，该镍基合金抗拉强度达到1200MPa，屈服强度达到1000MPa，硬度达到HRC42，延伸率为26％，面缩40％，具有非常高的强度和韧性。
以上实施例的先后顺序仅为便于描述，不代表实施例的优劣。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种综合高温性能优异的镍基合金，其特征在于，所述镍基合金的成分重量百分比为：
单臂碳纳米管：0.02%～0.048%；
Cr：19.8%～20.8%；
Ni：51.7%～52.7%；
Co：0.75%～0.88%；
Mo：2.9%～3.1%；
Al：0.47%～0.76%；
Ti：0.79%～1.05%；
Nb：5.0%～5.2%；
B：0.002%～0.0056%；
Mg：0.005%～0.0077%；
Mn：0.2%～0.27%；
Si：0.2%～0.28%；
Cu：0.14%～0.23%；
Fe：15.18%～17.4%；
以及不可避免的杂质；
所述镍基合金由以下方法制备而成：包括以下操作步骤：按重量百分比组成称取以下原料：单臂碳纳米管：0.025%～0.05%，Cr：20%～21%，Ni：52%～53%，Co：0.75%～0.9%，Mo：3.0%～3.2%，Al：0.5%～0.8%，Ti：0.9%～1.1%，Nb：5.0%～5.2%，B：0.003%～0.006%，Mg：0.007%～0.008%，Mn：0.2%～0.3%，Si：0.2%～0.3%，Cu：0.15%～0.25%，Fe：14.42%～17.25%；
所述原料在中频真空感应炉内于1550～1650℃下熔炼60～100分钟，在熔炼过程中加入除气剂，然后将所得熔液降至1500℃并保持20～30分钟；将所得合金熔液浇入铸铁模中，冷却至室温，得到铸造合金；
所得铸造合金在真空自耗炉内自耗成直径250mm的铸锭，所述铸锭在电炉内于1050℃～1150℃下保温5～8小时，然后进行锻造处理，锻造比为80%；
对锻造所得合金在960℃下保温5～8小时，然后水淬，之后再在720℃～780℃下保温8～12小时，然后以50℃/小时的降温速度降至620℃～680℃，保温8～12小时，得到镍基合金成品。
2.根据权利要求1所述的镍基合金，其特征在于，所述镍基合金的成分重量百分比为：单臂碳纳米管：0.038%，Cr：19.8%，Ni：52.2%，Co：0.75%，Mo：3.0%，Al：0.47%，Ti：0.79%，Nb：5.0%，B：0.002%，Mg：0.005%，Mn：0.2%，Si：0.2%，Cu：0.14%，Fe：17.4%，以及不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的镍基合金，其特征在于，所述镍基合金的成分重量百分比为：单臂碳纳米管：0.048%，Cr：20.8%，Ni：52.7%，Co：0.78%，Mo：3.1%，Al：0.56%，Ti：0.89%，Nb：5.16%，B：0.0036%，Mg：0.0075%，Mn：0.22%，Si：0.28%，Cu：0.23%，Fe：15.18%，以及不可避免的杂质。
4.根据权利要求1所述的镍基合金，其特征在于，所述镍基合金的成分重量百分比为：单臂碳纳米管：0.02%，Cr：19.8%，Ni：51.7%，Co：0.88%，Mo：2.9%，Al：0.76%，Ti：1.05%，Nb：5.2%，B：0.0056%，Mg：0.0077%，Mn：0.27%，Si：0.28%，Cu：0.23%，Fe：16.8%，以及不可避免的杂质。
5.一种综合高温性能优异的镍基合金的生产工艺，其特征在于，所述生产工艺包括以下步骤：
按重量百分比组成称取以下原料：单臂碳纳米管：0.025%～0.05%，Cr：20%～21%，Ni：52%～53%，Co：0.75%～0.9%，Mo：3.0%～3.2%，Al：0.5%～0.8%，Ti：0.9%～1.1%，Nb：5.0%～5.2%，B：0.003%～0.006%，Mg：0.007%～0.008%，Mn：0.2%～0.3%，Si：0.2%～0.3%，Cu：0.15%～0.25%，Fe：14.42%～17.25%；
所述原料在中频真空感应炉内于1550～1650℃下熔炼60～100分钟，在熔炼过程中加入除气剂，然后将所得熔液降至1500℃并保持20～30分钟；
将所得合金熔液浇入铸铁模中，冷却至室温，得到铸造合金；
所得铸造合金在真空自耗炉内自耗成直径250mm的铸锭，所述铸锭在电炉内于1050℃～1150℃下保温5～8小时，然后进行锻造处理，锻造比为80%；
对锻造所得合金在960℃下保温5～8小时，然后水淬，之后再在720℃～780℃下保温8～12小时，然后以50℃/小时的降温速度降至620℃～680℃，保温8～12小时，得到镍基合金成品。
6.根据权利要求5所述的镍基合金的生产工艺，其特征在于，所述除气剂为镁质量百分比含量为20%的镍镁合金。
7.根据权利要求5或6所述的镍基合金的生产工艺，其特征在于，所述镍基合金成品的成分重量百分比组成为：
单臂碳纳米管：0.02%～0.048%；
Cr：19.8%～20.8%；
Ni：51.7%～52.7%；
Co：0.75%～0.88%；
Mo：2.9%～3.1%；
Al：0.47%～0.76%；
Ti：0.79%～1.05%；
Nb：5.0%～5.2%；
B：0.002%～0.0056%；
Mg：0.005%～0.0077%；
Mn：0.2%～0.27%；
Si：0.2%～0.28%；
Cu：0.14%～0.23%；
Fe：15.18%～17.4%；
以及不可避免的杂质。
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