CN105936986B - 一种镍基高温合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种镍基高温合金，按重量百分比，其化学成分包含：10.0~12.5%的Nb，15.5~17.5%的Cr，1.10~2.50%的W，0.24~0.36%的Al，0.16~0.72%的Ti，0.01~0.02%的C，0.01~0.016%的B，0.5~1.0%的Co，0.02~0.05%的Zr，0.04~0.08%的Mo，余量为Ni和不可避免的杂质。此外，还提供了相应的高温合金制备方法，获得了抗拉强度最优超过750MPa，0.2%规定塑性延伸强度最高达530 MPa以上，断后延伸率均最小至17%，断面收缩率最小至24%的镍基高温合金。
Description
技术领域
本发明涉及一种高温合金及其制备方法，具体涉及一种镍基高温合金及其制备方法。该高温合金广泛用于航空、航天、石油、化工、舰船等领域，例如可作为军用和民用燃气式涡轮发动机热端部件，具体而言，该高温合金可作为涡轮盘、叶片、压缩机轮、轴、燃烧室、后燃烧室及发动机螺栓等高温环境下所使用的制造材料。还可以用于制造火箭和航天飞机的发动机，例如航空发动机的扩压器机匣及航天发动机中各种泵用复杂结构件。另外，该高温合金还可作为石油化工、金属成形、热处理设备、核反应堆和煤转换装置的零部件。
背景技术
按照镍基高温合金的适用范围，可以分为-253~（650、950、1320）℃、900~1300℃、950~1100℃等等，不同的适用温度范围、工作环境等等对镍基高温合金的成分、生产方式有着不同的要求，经过多年的发展，形成了一系列不同成分的镍基高温合金，例如DSGTD111、CM186LC、SC16、CMSX-11B、CMSX-11C等等。
随着研究的不断深入，通过多种调制元素对合金基础相进行改性和调制成为改良高温合金性能的重要手段，如机械性能、耐高温性能、耐磨性能等方面。典型的，如美国专利US20120067464A1公开的Co-Ni基高温合金，通过加入28-42% Co，10-27%的Cr，3-12%的Mo，15-40%的Ni，0.1-1%的Ti，1.5% 以下的 Mn， 0.1-26%的Fe，0.1%以下的C，3%以下的Nb，5%以下的W，0.5%以下的Al，0.1%以下的Zr，0.01%以下的B进行改性，实现了结晶性能的改进。再如，日本专利JP59085851在合金中引入了高含量的Fe和Nb进行了基础相的增强。国际专利WO/2014/069180则提供了Ni-Cr-Co基的合金改性方案。研究表明，通过在镍基合金中添加较高含量的其他高温元素，对提高镍基高温合金的机械性能、耐高温性能、耐磨性能具有重要影响。
发明内容
本发明的目的在于研究一种镍基高温合金，提高其高温机械性能和耐高温腐蚀性能，解决现有镍基高温合金可调控因素有限，性能改变有限等技术弊端。
本发明首先提供了一种镍基高温合金，其特征在于，按重量百分比，其化学成分包含：10.0~12.5%的Nb，15.5~17.5%的Cr，1.10~2.50%的W，0.24~0.36%的Al，0.16~0.72%的Ti，0.01~0.02%的C，0.01~0.016%的B，0.5~1.0%的Co，0.02~0.05%的Zr，0.04~0.08%的Mo，余量为Ni和不可避免的杂质。
本发明提供的镍基高温合金通过添加Nb、Cr、W作为综合改性的基础成分，形成合金的主成分相，同时加入了Al、Ti、Co、Zr、Mo、B等调制元素，对基础成分相进行调制，获得了综合改性的高温合金，在900℃下的抗拉强度Rm均在680Mpa以上，更优者超过750MPa，0.2%规定塑性延伸强度最高达530MPa以上，断后延伸率均最小至17%，断面收缩率最小至24%。
优选的，其化学成分包含：11.0~12.5%的Nb，16.5~17.5%的Cr，2.00~2.50%的W，0.24~0.36%的Al，0.2~0.5%的Ti，0.01~0.02%的C，0.01~0.016%的B，0.5~1.0%的Co，0.02~0.05%的Zr，0.04~0.08%的Mo，余量为Ni和不可避免的杂质。
最优选的，其化学成分包含：11.6%的Nb，16.7%的Cr，2.36%的W，0.28%的Al，0.45%的Ti，0.02%的C，0.016%的B，0.58%的Co，0.04%的Zr，0.06%的Mo，余量为Ni和不可避免的杂质。
具体而言，所述杂质尤其应该控制磷和硫的含量，按重量百分比，包括：0~0.005%的P，0~0.005%的S。本领域技术人员应当理解，对于杂质含量最好为零，但不可避免地，在合金中杂质含量通常不为零，优选的方案中，需要控制P的含量为0~0.003%，需要控制S的含量为0~0.003%。
下面对合金中主要元素的作用及其含量范围的选择进行陈述。
Nb：元素Nb的原子半径大于元素Ni的原子半径，合金中的Nb可以强化固溶效果。另外，元素Nb作为主要的碳化物形成元素，可以进入γ’相并将元素Al和Ti置换出来，促进γ’相形成元素，延缓γ’相聚集长大过程。高温下析出的NbC具有较高的稳定性，且均匀分散，不易聚集，表现为提高合金的蠕变强度。
Cr：Cr的主要作用是提高合金的抗氧化腐蚀性能，用于保护合金表面防止氧化及热侵蚀，但过高的Cr含量容易导致有害的TCP相析出，对于高温持久性是不利的。
W：元素W会固溶于γ相和γ’相中，由于其具有较低的热扩散系数，固溶强化效果更为显著。W凝固过程中易偏析于枝晶干区域，凝固过程偏析于枝晶干中的W与偏析于枝晶间的C形成碳化物，可降低由于碳化物聚集引起的残余应力，从而改善焊接性能，虽然过高的元素W会形成Laves相，该相会影响时效过程中组织稳定性及冲击韧性。在本申请中，元素钨的加入，一方面用于提高原子间结合力，提高扩散激活能，使扩散过程变慢，另一方面提高再结晶的温度，从而提高合金的高温力学性能。元素W在γ相和γ’相中的分配比例大约为1:1。因此，元素W可显著提高γ’相数量，提高合金稳定性。
Al：元素Al作为形成γ’相的主要元素，从而提高合金表面稳定性，过高的Al含量会在金相中出现β-NiAl相。
Ti：元素Ti作为形成γ’相的主要元素，部分Ti可以将组织中的Al置换，从而减少Al在合金中的溶解度过，促进γ’相的析出。元素Ti可以与C促进金属碳化物的形成，表现为合金表面稳定性。
C：在高温合金中，元素C在时效过程中可以在晶界析出颗粒状不连续的碳化物，从而阻止沿晶界滑动和裂纹扩展，从而提高持久寿命。
B：B在合金中偏析于晶界，并形成M3B2，能强化晶界，适量的B还能提高合金的塑性和持久强度。
Co：Co固溶于γ相和γ’相，有固溶强化作用，其中元素Co主要固溶于γ基体中，少量进入γ’相中，其主要作用是固溶强化基体，从而降低γ基体的堆垛层错能，降低层错能，从而使得位错的交滑移困难，表现为强度的提高。
Zr：元素Zr可以与元素B复合强化提高高温合金的持久强度，另外，元素Zr与S的亲和力比较强，可以用于作为S的净化剂，减少S的危害。在高温合金中，同时添加Zr和B，由于Zr和B主要存在于晶界上，用于填满晶界处的空位和晶格缺陷，降低位错移动速度，提高合金持久强度。在本申请中，优选Zr和B的用量的重量比为控制在1：1-4之间，以使得两元素在晶界的分布达到最优化。
Mo：Mo为主要的固溶强化元素，对合金的强度和持久性能等有较大的作用。由于元素Mo的原子半径与基体元素Ni的原子半径相差较大，因此添加元素可以提高原子间结合力，提高再结晶温度和扩散激活能，表面为提高合金的持久强度。
其次，本发明还提供了一种镍基高温合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1）按高温合金总的重量百分比，将10.0~12.5%的Nb，15.5~17.5%的Cr，1.10~2.50%的W，0.24~0.36%的Al，20%的Ni加入真空感应熔炼炉中，升温至1500~1600℃进行高温精炼；
S2）降温至1450~1500℃，按高温合金总的重量百分比，加入0.16~0.72%的Ti，0.01~0.02%的C，0.01~0.016%的B，0.5~1.0%的Co，0.02~0.05%的Zr，0.04~0.08%的Mo以及剩余的Ni，保温10-20min，优选10min；
S3)升温至1500~1600℃进行高温精炼；
S4)停炉，待温度至1400~1450℃进行浇铸，形成高温合金铸锭；
S5)将高温合金铸锭于850~1100℃下热处理20~40h。
本发明的高温合金制备过程中，采用了分步加料冶炼的方式，首先形成基础合金的均匀熔融相，再加入剩余改性调制元素，避免了调制元素的不均一分布甚至严重偏析；其次，本发明中对Al和C等其他调制元素的加入顺序进行了区别的加入步骤，对沉淀相的形成起到了关键作用。
为提高精炼效果，步骤S1）中高温精炼时间为15~30min；步骤S3）中高温精炼时间为5~15min。
热处理对高温合金综合性能的提高有着重要作用，为促进沉淀相的有效形成和基础相的均匀化，步骤S5）中热处理过程具体为: 依次进行，1050~1100℃下，热处理10~15h；900~1050℃下，热处理5~15h；850~900℃下，热处理5h~10h。最优选的，将高温合金铸锭依次进行，1100℃下，热处理15h；980℃下，热处理10h；870℃下，热处理10h。经试验对比，采用分步式热处理对本发明的镍基高温合金的性能进一步提高有明显效果，其原因在于分步处理对于合金的组织形成有促进作用，保证其内部组织的均匀性。
最后本发明还提供了上述的镍基高温合金及相关方法处理后的相应高温合金在航空发动机中的应用。
相比于已有技术中常用的镍基高温合金，本发明提供的高温合金具有如下有益效果：
（1） 本发明的镍基高温合金在900℃下的抗拉强度Rm均在680Mpa以上，更优者超过750MPa，0.2%规定塑性延伸强度最高达530MPa以上，断后延伸率均最小至17%，断面收缩率最小至24%。
（2）本发明的镍基高温合金在在950℃下300MPa强度下持久寿命最高达230h，断后延伸率均最小至27%，断面收缩率最小至43%。
具体实施方式
为使本发明的技术方案及其技术效果更加清楚、明确，下面实施例对本发明具体实施方式做进一步详述。应当理解，下述具体实施方式仅是本发明技术方案的较佳实施方式，并不用于限定本发明。
实施例1-6
在本具体实施方式中，通过过添加Nb、Cr、W作为综合改性的基础成分，同时加入了Al、Ti、Co、Zr、Mo、B等调制元素，对基础成分相进行调制，获得了新型镍基高温合金。以下表1为实施例1-6中采用的制备本发明中相应镍基高温合金的化学成分。
表1 实施例1-6中镍基高温合金的化学成分
对于实施例1-4：
采用如下制备方法制备相应的镍基高温合金，步骤具体为：
S1）按表1中高温合金总的重量百分比，将Nb、Cr、W、Al以及20%的Ni加入真空感应熔炼炉中，升温至1500~1600℃进行高温精炼25min；
S2）降温至1450~1500℃，按表1中高温合金总的重量百分比，加入Ti、C、B、Co、Zr、Mo以及剩余的Ni，保温10min；
S3)升温至1500~1600℃进行高温精炼15min；
S4)停炉，待温度至1400~1450℃进行浇铸，形成高温合金铸锭；
S5)将高温合金铸锭依次进行，1100℃下，热处理15h；980℃下，热处理10h；870℃下，热处理10h。
所获得的高温合金分别记为样品1-4。
对于实施例5：
采用如下制备方法制备相应的镍基高温合金，步骤具体为：
S1）按表1中实施例1的高温合金总的重量百分比，将Nb、Cr、W、Al以及20%的Ni加入真空感应熔炼炉中，升温至1500~1600℃进行高温精炼25min；
S2）降温至1450~1500℃，按表1中实施例1的高温合金总的重量百分比，加入Ti、C、B、Co、Zr、Mo以及剩余的Ni，保温10min；
S3)升温至1500~1600℃进行高温精炼15min；
S4)停炉，待温度至1400~1450℃进行浇铸，形成高温合金铸锭；
S5)将高温合金铸锭依次进行，1100℃下，热处理20h；980℃下，热处理15h。
所获得的高温合金分别记为样品5。
对于实施例6：
采用如下制备方法制备相应的镍基高温合金，步骤具体为：
S1）按表1中实施例1的高温合金总的重量百分比，将Nb、Cr、W、Al以及20%的Ni加入真空感应熔炼炉中，升温至1500~1600℃进行高温精炼25min；
S2）降温至1450~1500℃，按表1中实施例1的高温合金总的重量百分比，加入Ti、C、B、Co、Zr、Mo以及剩余的Ni，保温10min；
S3)升温至1500~1600℃进行高温精炼15min；
S4)停炉，待温度至1400~1450℃进行浇铸，形成高温合金铸锭；
S5)将高温合金铸锭依次进行，1100℃下，热处理35h。
所获得的高温合金分别记为样品6。
对样品1-6分别进行900℃下高温拉伸性能的测试，以及950℃下300MPa强度下持久寿命测试，相应测试结果分别参见表2和表3。
表2. 样品1-6在900℃下高温拉伸性能
可见，本发明的镍基高温合金在900℃下的抗拉强度Rm均在680Mpa以上，更优者超过750MPa，0.2%规定塑性延伸强度在480MPa以上，最高达530MPa以上，断后延伸率均最小至17%，断面收缩率最小至24%。
表3. 样品1-6在950℃下300MPa强度下持久寿命
可见，本发明的镍基高温合金在在950℃下300MPa强度下持久寿命最高达230h，断后延伸率均最小至27%，断面收缩率最小至43%。
工业实用性：本申请得到的高温合金由于良好的性能可广泛用于航空、航天、石油、化工、舰船等领域，例如可作为军用和民用燃气式涡轮发动机热端部件，具体而言，该高温合金可作为涡轮盘、叶片、压缩机轮、轴、燃烧室、后燃烧室及发动机螺栓等高温环境下所使用的制造材料。还可以用于制造火箭和航天飞机的发动机，例如航空发动机的扩压器机匣及航天发动机中各种泵用复杂结构件。另外，该高温合金还可作为石油化工、金属成形、热处理设备、核反应堆和煤转换装置的零部件。
当然，以上所述的实施方式只为本申请的较佳实施例，并非以此限制本申请的实施范围，故凡依本申请之组份、原理所作的变化，均应涵盖在本申请的保护范围内。
Claims (4)
1.一种镍基高温合金，其特征在于，按重量百分比，其化学成分为：
11.0~12.5%的Nb，16.5~17.5%的Cr，2.00~2.50%的W，0.24~0.36%的Al，0.2~0.5%的Ti，0.01~0.02%的C，0.01~0.016%的B，0.5~1.0%的Co，0.02~0.05%的Zr，0.04~0.08%的Mo，余量为Ni和不可避免的杂质；
所述杂质需要控制磷和硫的含量，按重量百分比，包括：0~0.005%的P，0~0.005%的S，但P和S的含量不为零；
并且控制Zr和B的用量的重量比在1：1-4之间；
所得镍基高温合金在900℃的抗拉强度Rm在680Mpa以上，0.2%规定塑性延伸强度最高达530MPa以上，断后延伸率最小至17%，断面收缩率最小至24%；
镍基高温合金在950℃的300MPa强度下持久寿命最高达230h，断后延伸率最小至27%，断面收缩率最小至43%。
2.一种根据权利要求1所述的镍基高温合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1）按高温合金总的重量百分比，将11.0~12.5%的Nb，16.5~17.5%的Cr，2.00~2.50%的W，0.24~0.36%的Al，20%的Ni加入真空感应熔炼炉中，升温至1500~1600℃进行高温精炼；
S2）降温至1450~1500℃，按高温合金总的重量百分比，加入0.2~0.5%的Ti，0.01~0.02%的C，0.01~0.016%的B，0.5~1.0%的Co，0.02~0.05%的Zr，0.04~0.08%的Mo以及剩余的Ni，保温10-20min；
S3)升温至1500~1600℃进行高温精炼；
S4)停炉，待温度降至1400~1450℃进行浇铸，形成高温合金铸锭；
S5)将高温合金铸锭于850~1100℃下热处理20~40h；
所得镍基高温合金按重量百分比，其化学成分为：
11.0~12.5%的Nb，16.5~17.5%的Cr，2.00~2.50%的W，0.24~0.36%的Al，0.2~0.5%的Ti，0.01~0.02%的C，0.01~0.016%的B，0.5~1.0%的Co，0.02~0.05%的Zr，0.04~0.08%的Mo，余量为Ni和不可避免的杂质；
所述杂质需要控制磷和硫的含量，按重量百分比，包括：0~0.005%的P，0~0.005%的S，但P和S的含量不为零；
控制Zr和B的用量的重量比在1：1-4之间；
所得镍基高温合金在900℃的抗拉强度Rm在680Mpa以上，0.2%规定塑性延伸强度最高达530MPa以上，断后延伸率最小至17%，断面收缩率最小至24%；
镍基高温合金在950℃的300MPa强度下持久寿命最高达230h，断后延伸率最小至27%，断面收缩率最小至43%。
3.根据权利要求2所述的镍基高温合金的制备方法，其特征在于，步骤S1）中高温精炼时间为15~30min。
4.根据权利要求2所述的镍基高温合金的制备方法，其特征在于，步骤S3）中高温精炼时间为5~15min。
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Legal Events
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Inventor after: Lv Qiang Inventor before: Li Hongliang |
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Effective date of registration: 20180507 Address after: 100094, No. 68 building, West District, UF software garden, No. 68 Beiqing Road, Beijing Patentee after: Beijing Guodian Science & Technology Co., Ltd. Address before: 100083 875 mailbox of Metallurgy College, University of Science and Technology Beijing, 30 Xueyuan Road, Haidian District, Beijing Patentee before: Li Hongliang |
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Granted publication date: 20180403 Termination date: 20190627 |