CN107881367A

CN107881367A - 一种Ni‑Fe基高温合金材料及其制备方法

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Publication number: CN107881367A
Application number: CN201711119543.5A
Authority: CN
Inventors: 朱森
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-11-14
Filing date: 2017-11-14
Publication date: 2018-04-06

Abstract

本发明公开了一种Ni‑Fe基高温合金材料及其制备方法，按质量百分比计，所述高温合金材料包括以下合金元素：C：0.04‑0.05%、Fe：19.0‑21.0%、Cr：19.5‑20.5%、Al:0.90‑1.05%、Ti：2.65‑2.80%、V：0.20‑0.30%、Mo：2.0‑2.5%、Nb：1.50‑1.70%、Y+Ce：0.046‑0.058%、B：0.003‑0.006%，余量为Ni及其它杂质。本发明的Ni‑Fe基高温合金材料具有优秀的高温力学性能和抗烟气腐蚀性能，主要解决用高温合金材料制造而成的烧嘴在800℃以上时，易出现的“过烧”和“热裂”现象，在850℃的高温下，本发明的Ni‑Fe基高温合金材料能够满足预热炉对烧嘴性能的需要，其在高温下不易出现裂纹和变形，使用周期较一般的烧嘴要长，节约了预热炉的运行成本。

Description

一种Ni-Fe基高温合金材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及高温合金材料领域，特别涉及一种Ni-Fe基高温合金材料及其制备方法。

背景技术

纳米级二氧化钛的制备方法主要包括物理法和化学法，物理法主要包括溅射法、热蒸发法及激光蒸发法，化学法主要包括液相法和气相法，液相法主要包括均匀沉淀法和溶胶-凝胶法，气相法主要包括TiCl₄气相氧化法，目前一般采用TiCl₄气相氧化法来制备纳米二氧化钛。TiCl₄气相氧化法一般是以氮气作为TiCl₄的载气，以氧气作为氧化剂，在高温管式反应器中进行氧化反应，经气固分离，获得纳米级二氧化钛粉体，在此过程中，停留时间和反应温度对二氧化钛的粒径和粒径有影响。反应温度越高，晶界扩散速率越快，烧结驱动力越大，进而导致粒子表面积越小，粒径增大。在实际生产中，氧气需要预加热到800℃以上才能与气相的TiCl₄混合反应，将氧气预热至 800℃以上需要设置一个庞大且复杂的预热系统，传统的预热系统不仅造价高，其预热效率也相对较低，预热时间长，对预热设备要求高，例如，喷射燃料的烧嘴就需要能够长时间承受850℃以上的高温下不变形，抗烟气腐蚀性能高，同时需要在高温下保持高强度的高温力学性能，而传统的烧嘴在实际使用过程中均会出现“过烧”和“热裂”现象，导致烧嘴的使用周期较短，一般为设计周期的1/2，需要时常更换烧嘴，这无疑增加了预热炉的运行成本。

高温合金是指以铁、钴、镍为基体相，能在600℃以上高温下服役而研制的一类金属材料。高温合金一般为单一的奥氏体基体组织，拥有较高的高温强度、抗氧化和抗腐蚀性能，具有良好的组织稳定性和使用可靠性，又称为热强合金和热稳定性高温合金，国外常称之为超合金。

高温合金的发展动力来源于高温燃气轮机的需要，燃气轮机发动机，尤其是航空发动机推力及效率的日益增长，发动机工作温度的不断提高，这就要求材料必须具备更高的耐温能力。传统使用的高温合金材料主要为铁素体耐热钢和奥氏体耐热钢，这些钢种在蒸汽温度达到700℃以上时，其综合性能都不能满足设计需要，其高温力学性能、抗蒸汽氧化性能和抗烟气腐蚀性能均不及预期，进而导致高温燃气轮机的相关部件出现裂纹和变形。由于预热炉所用的烧嘴需要承受850℃以上的高温，如果高温合金材料的高温力学性能和抗烟气腐蚀性能得不到提升，其制造而成的烧嘴还是会出现上述的“过烧”和“热裂”现象。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种烧嘴用Ni-Fe基高温合金材料及其制备方法，以解决用高温合金材料制造而成的烧嘴在800℃以上时，出现的“过烧”和“热裂”现象。

本发明采用的技术方案如下：一种Ni-Fe基高温合金材料，其特征在于，按质量百分比计，所述高温合金材料包括以下合金元素：C：0.04-0.05%、Fe：19.0-21.0%、Cr：19.5-20.5%、Al:0.90-1.05%、Ti：2.65-2.80%、V：0.20-0.30%、Mo：2.0-2.5%、Nb：1.50-1.70%、Y+Ce：0.046-0.058%、B：0.003-0.006%，余量为Ni及其它杂质。

在本发明中，通过试验研究得到，Y和Ce可明显提高合金的持久性能和抗高温氧化性能，提高合金表面氧化膜的热稳定性能，进而使合金能够抵抗烟气的腐蚀，V的主要作用是可以细化合金组织晶粒，提高其强度和韧性，V的加入并未对上述的高温合金带来明显地副作用，由此证明将V引入高温合金中是成功的，而且，V与C在基体中形成了钒碳化物，由此还提高了高温合金的抗氢腐蚀能力，进而使高温合金在高温高压下不易产生裂纹和变形。

进一步，高温合金材料包括质量分数小于0.024%的P和S。

作为优选，按质量百分比计，所述高温合金材料包括以下合金元素：C：0.047%、Fe：20.3%、Cr：19.9%、Al:0.96%、Ti：2.74%、V：0.25%、Mo：2.3%、Nb：1.63%、Y+Ce：0.051%、B：0.005%，余量为Ni及其它杂质。

本发明还包括一种Ni-Fe基高温合金材料的制备方法，包括以下步骤：

1）按组分百分比称取原料，采用现有冶炼高温合金的制备工艺，在真空感应炉中于1500℃下进行熔炼，溶液浇注成合金铸坯；

2）将合金铸坯进行表面清理，然后置于真空加热炉内加热至810-820℃并去除合金铸坯表面的氧化皮，得到锻造原坯，其中升温速率控制在120℃/h；

3）将锻造原坯继续加热至锻造温度进行锻造，锻造后空冷至室温，并进行表面处理；

4）将表面处理后的锻造件进行固溶时效热处理后即得。

在本发明的制备方法中，在步骤3）中，锻造温度为1200-1250℃，时间为2-3h，开锻温度为1150℃，停锻温度为850℃。

进一步，锻造原坯达到锻造温度后，利用油压快锻机将锻造原坯镦拔变形锻造形成锻造坯，其中，火次为4，锻比控制在6.2-6.5，镦拔过程需分别进行3次。

进一步，在步骤3）中，锻造坯冷却到停锻温度后，继续送至油压快锻机中镦拔变形锻造成一定厚度的合金板坯，火次为4，锻比控制在2.0-2.3，镦拔过程需分别进行3次。

在本发明的制备方法中，在步骤4）中，固溶时效热处理的具体过程为：固溶温度为1100-1150℃，保温2h，油冷；一次时效处理温度700-750℃，保温20-25h，空冷；二次时效处理温度660-680℃，保温20-25h，空冷。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：本发明的Ni-Fe基高温合金材料具有优秀的高温力学性能和抗烟气腐蚀性能，主要解决用高温合金材料制造而成的烧嘴在800℃以上时，易出现的“过烧”和“热裂”现象，在850℃的高温下，本发明的Ni-Fe基高温合金材料能够满足预热炉对烧嘴性能的需要，其在高温下不易出现裂纹和变形，使用周期较一般的烧嘴要长，节约了预热炉的运行成本。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种Ni-Fe基高温合金材料，其特征在于，按质量百分比计，所述高温合金材料包括以下合金元素：C：0.04-0.05%、Fe：19.0-21.0%、Cr：19.5-20.5%、Al:0.90-1.05%、Ti：2.65-2.80%、V：0.20-0.30%、Mo：2.0-2.5%、Nb：1.50-1.70%、Y+Ce：0.046-0.058%、B：0.003-0.006%，余量为Ni及其它杂质。其中，高温合金材料还包括质量分数小于0.024%的P和S。

上述的Ni-Fe基高温合金材料的制备方法，包括以下步骤：

4）将表面处理后的锻造件进行固溶时效热处理后即得。

在步骤3）中，锻造温度为1200-1250℃，时间为2-3h，开锻温度为1150℃，停锻温度为850℃。开锻温度和停锻温度的选择非常重要，除按照常规锻造温度的选择要求外，一定要注意锻造温度的宽度范围和锻造温度的起止点，锻造温度的起止点过高，锻造原坯不易得到晶粒细密的组织，力学性能较差，锻造温度的起止点过低，则易出现相变裂纹，在本发明中，锻造温度为1200-1250℃，开锻温度为1150℃，停锻温度为850℃时，锻造原坯易得到符合要求的锻件。

为了得到裂纹缺陷少、晶粒细密且分布均匀的锻造坯，锻造原坯达到锻造温度后，利用油压快锻机将锻造原坯镦拔变形锻造形成锻造坯，其中，火次为4，锻比控制在6.2-6.5，镦拔过程需分别进行3次。

进一步地，在步骤3）中，锻造坯冷却到停锻温度后，继续送至油压快锻机中镦拔变形锻造成一定厚度的合金板坯，火次为4，锻比控制在2.0-2.3，镦拔过程需分别进行3次，以使最终能得到的合金板坯金相组织更细化，分布更均匀，无裂纹和气孔夹杂等缺陷存在。

进一步地，在步骤4）中，固溶时效热处理的具体过程为：固溶温度为1100-1150℃，保温2h，油冷；一次时效处理温度700-750℃，保温20-25h，空冷；二次时效处理温度660-680℃，保温20-25h，空冷。

为了更好地说明本发明，表1列出了部分实施例：

表1 Ni-Fe基高温合金材料组成成分及含量（此处省略杂质）

上述实施例制得的Ni-Fe基高温合金材料的主要性能如表2所示：

表2 实施例1-5成品合金材料的主要性能

注：1、韧性是通过摆锤式冲击试验机测定；

2、腐蚀量采用65%硝酸腐蚀试验方法，即试验时将试样放入沸腾的65%硝酸溶液中连续48h为一个周期，共5个周期，最后算出平均腐蚀率，其中，试样在750-850℃时，是在其冷却至100℃左右后试验。

通过表2可以得到，在850℃时，本发明的Ni-Fe基高温合金材料的抗拉强度达到1270N/mm²，屈服强度达到1030 N/mm²，韧性达到12.1 J/cm²，腐蚀率最低为0.031 mm/月，因此能够满足预热炉对烧嘴性能的需要，其在高温下具有优秀的高温力学性能和抗烟气腐蚀性能，不易出现裂纹和变形，解决了用高温合金材料制造而成的烧嘴在800℃以上时，易出现的“过烧”和“热裂”的问题，节约了预热炉的运行成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种Ni-Fe基高温合金材料，其特征在于，按质量百分比计，所述高温合金材料包括以下合金元素：C：0.04-0.05%、Fe：19.0-21.0%、Cr：19.5-20.5%、Al:0.90-1.05%、Ti：2.65-2.80%、V：0.20-0.30%、Mo：2.0-2.5%、Nb：1.50-1.70%、Y+Ce：0.046-0.058%、B：0.003-0.006%，余量为Ni及其它杂质。

2.如权利要求1所述的Ni-Fe基高温合金材料，其特征在于，高温合金材料包括质量分数小于0.024%的P和S。

3.如权利要求1所述的Ni-Fe基高温合金材料，其特征在于，按质量百分比计，所述高温合金材料包括以下合金元素：C：0.047%、Fe：20.3%、Cr：19.9%、Al:0.96%、Ti：2.74%、V：0.25%、Mo：2.3%、Nb：1.63%、Y+Ce：0.051%、B：0.005%，余量为Ni及其它杂质。

4.如权利要求1所述的Ni-Fe基高温合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

4）将表面处理后的锻造件进行固溶时效热处理后即得。

5.如权利要求4所述的Ni-Fe基高温合金材料，其特征在于，在步骤3）中，锻造温度为1200-1250℃，时间为2-3h，开锻温度为1150℃，停锻温度为850℃。

6.如权利要求5所述的Ni-Fe基高温合金材料，其特征在于，锻造原坯达到锻造温度后，利用油压快锻机将锻造原坯镦拔变形锻造形成锻造坯，其中，火次为4，锻比控制在6.2-6.5，镦拔过程需分别进行3次。

7.如权利要求6所述的Ni-Fe基高温合金材料，其特征在于，在步骤3）中，锻造坯冷却到停锻温度后，继续送至油压快锻机中镦拔变形锻造成一定厚度的合金板坯，火次为4，锻比控制在2.0-2.3，镦拔过程需分别进行3次。

8.如权利要求4所述的Ni-Fe基高温合金材料，其特征在于，在步骤4）中，固溶时效热处理的具体过程为：固溶温度为1100-1150℃，保温2h，油冷；一次时效处理温度700-750℃，保温20-25h，空冷；二次时效处理温度660-680℃，保温20-25h，空冷。