CN1059712C - 一种抗氧化镍基合金 - Google Patents

Abstract

本发明属于镍基合金领域。主要适用于冶金、机电、石化等部门在≤1200条件下使用的高温炉用部件及发动机燃烧室的零部件。本发明抗氧化镍基合金的化学成分(重量%)为C≤0.10%，Cr26.5-28.5%，Al2.8-3.7%，Ti0.01-1.0%，Nb0.01-1.0%，Y或Ce中任一种0.001-0.1%，Ba0.001-0.1%，Mn≤1.0%，Si≤1.0%，余为Ni。本发明不仅具有较高的高温强度和持久性能，而且还具有优异的高温抗氧化性能。

Description

一种抗氧化镍基合金

本发明属于镍基合金领域，主要适用于冶金、机电、石化等部门在＜1200℃使用的高温炉用部件及在1100℃下用于发动机燃烧室、加力燃烧室和喷嘴罩等零部件。

作为在高温下使用的零部件材料，特别是在大气下，不仅要求材料具有较高的高温强度，而且还要求材料具有良好的抗氧化性能。

现有技术中，适于在高温下工作的最典型的镍基合金为GH3030。该合金化学成分除Ni外，还含有Cr、Al、Ti等元素，主要用于800℃以下工作的涡轮发动机燃烧室部件及1100℃以下要求抗氧化但承受载荷很小的其它高温部件。该合金的主要不足之处是高温强度偏低(见表1、表2)，抗氧化性能差(见表3)，其使用温度不超过1100℃，否则，高温性能急剧下降，零部件的使用寿命大大降低({中国航空材料手册}，中国标准出版社，1989年3月，第一版)。

本发明的目的在于提供一种高温强度高和抗氧化性能优异的抗氧化镍基合金。

针对上述目的，本发明的技术方案是采用Ni基合金，并含有高的Cr含量，同时加入Al、Ti、Nb、Y(或Ce)、Ba。其具体的化学成分(重量％)为C≤0.10％，Cr 26.5-28.5％，Al 2.8-3.7％，Ti 0.01-1.0％，Nb 0.01-1.0％，Y或Ce中任一种0.001-0.1％，Ba 0.001-0.1％，Mn≤1.0％，Si≤1.0％，余为Ni。

本发明合金中的Ni是形成奥氏体的基本元素，因为Ni在氧化介质中比较稳定，如Ni在水蒸气、合成氨的氯气中都稳定。加入高的Cr含量，是考虑诸如高温炉的部件大多数在高温下使用，要求具有优异的抗氧化性能。Cr在Ni-Cr的γ固溶体中，能大大提高固溶体的抗氧化能力及抗燃气腐蚀性能，但Cr含量过高将引起合金熔点下降及热加工工艺性能变坏，所以本合金Cr含量控制在28.5％以下。当温度≥1100℃时，由于铬氧化物的结构特征，铬氧化物层容易损坏，为了克服铬氧化物的弱点，合金中又加入了适当的Al，Al的加入，可以在物体的最表面形成一层非常致密的Al₂O₃，该氧化物可以有效地阻止氧继续向内扩散，使铬氧化物更趋稳定，从而大大提高合金的高温抗氧化性能。同时，Al的加入还在合金中形成大量弥散的γ′，可显著提高合金的高温拉伸性能和高温持久性能。但Al的加入量不能太高，因Al含量过高，合金的塑韧性恶化，使机加工性能下降，合金的焊接性能也随之下降，因此，本发明合金中Al含量的上限以＜3.7为宜。

微量Ti、Nb的加入，可以对Ni、Cr基体进行固溶强化，但主要是进入合金中的γ′相，成为γ′相的形成核心，一是可提高γ′相的数量，二是可提高γ′自身的强化能力，从而提高合金的整体强度，但Ti、Nb含量太高，也会显著降低合金的抗氧化能力及可焊性，因此本合金Ti、Nb含量均以微量为宜。

合金中加入C会与Cr、Al、Nb形成碳化物，降低合金抗氧化性能，为保证合金具有优异的抗氧化性能，本合金C含量限制在0.1％以下。

合金中加入Si，主要是与Cr一起形成稳定的抗氧化层结构，提高Ni-Cr固溶体抗氧化性能，其作用小于Al，当Si含量超过3％时，将引起合金热加工和抗氧化性能急剧下降，故本发明中，Si含量≤1.0％较好。

Mn加入合金中会降低合金抗氧化性能及高温强度，因此Mn含量应按＜1％控制。

Ba、Y(或Ce)加入合金中，除了在合金冶炼时起脱氧作用外，还有利于夹杂物球化，并使表面的铬氧化物层和铝氧化物层更致密，大大提高合金的抗动态氧化能力。Ba、Y(或Ce)的含量以小于0.1％为宜。因这些元素在合金中，主要处于晶界和枝晶间隙中，含量太高时，在这些元素存在的部位易形成显微裂纹。

本发明合金可采用真空感应炉冶炼，也可采用非真空感应炉冶炼，然后经电渣或自耗重熔成锭，经锻、轧可制成板、棒及带材。

根据本发明所述的化学成份制成的合金材料不仅具有较高的高温强度和持久性能，而且还具有优异的抗氧化性能。表1、表2、表3分别列举了本发明的高温拉伸性能、高温持久性能和高温抗氧化性能。为了对比，将GH3030镍基合金的有关性能也列入了相应的表中。

实施例

根据本发明所述的化学成分范围，在真空感应炉中冶炼了4炉合金，其具体化学成分如表4所示，冶炼后浇注成锭，并锻造成合金试样，然后分别测定合金的高温拉伸性能和高温抗氧化性能，其结果分别列入表5和表6。

为了对比，在同样的条件下，还冶炼了一炉GH3030合金，也进行了相同的检测试验，其结果也列入了相应的表中。

表1本发明合金和对比合金GH3030的拉伸性能

试验温度℃	本发明			GH3030
							σbMPa	σ0.2MPa	δ％	σbMPa	σ0.2MPa	δ％
	20	860	520	42	756	355							42
700							610	447	14	352	193	51
	800	446	369	15	175	-							71
900							170	-	115	109	-	71
	1000	112	-	110	70*	-							50

表2本发明合金与对比合金GH3030的高温持久性能

合金	试验温度℃	试验应力Mpa	持久时间hr
				本发明	800900	9849	＞100＞100
GH3030	800900	4414.7	100100

表3本发明和对比合金的抗氧化性能

不同温度下试验100小时后的平均氧化速率g/m2hr
				试验温度℃	1000	1100	1200
本发明	0.0560	0.0817	0.3300
				GH3030	0.1560	0.3905	0.5810

表4实施例合金的化学成分(重量％)

表5实施例合金的高温拉伸性能

炉号/性能/试验温度℃			20	700	800	900	1000
								本发明	1	σbMpa	860	510	446	179	110
σ0.2Mpa	445	347	-	-	-
						δ5％	46			14	15	71	110
2	σbMpa	960	650	507	263									109
						σ0.2Mpa	530		483	-	-	-
	δ5％	35	18	21	77								106
						3	σbMpa		1000	670	540	283		115
σ0.2Mpa	550	494	-	-	-
							δ5％		17	17	20	69	95
4	σbMpa	950	620	490	250									108
						σ0.2Mpa	510		440	-	-	-
	δ5％	52	17	19	73								95
						GH3030			σbMpa	756	352	175		109	70
σ0.2Mpa	355	193	-	-	-
								δ5％	42	51	71	71	50

表6实施例合金的抗氧化性能(氧化速率)

Claims (1)

1、一种抗氧化镍基合金，其特征在于化学成分(重量％)为C≤0.10％，Cr26.5-28.5％，Al 2.8-3.7％，Ti 0.01-1.0％，Nb 0.01-1.0％，Y或Ce中任一种0.001-0.1％，Ba 0.001-0.1％，Mn≤1.0％，Si≤1.0％，余为Ni。