CN108165830A - 一种具有高塑性的镍基粉末高温合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有高塑性的镍基粉末高温合金，按重量百分比计，包括C 0.02％～0.04％，Co 18.5％～20.5％，Cr 11.5％～13.5％，Mo 3.5％～4.50％，W 0.8％～1.0％，Al 3.85％～4.15％，Ti 2.35％～2.65％，Nb 0.8％～1.2％，B 0.015％～0.025％，Zr 0.035％～0.045％，Hf 0.3％～1.5％，其余为Ni。同时，本发明还提供了一种具有高塑性的镍基粉末高温合金的制备方法。本发明通过调整合金中各个元素的含量，设计一种新型合金，本发明通过合金中各元素之间的相互作用，经过相应的热处理后，所制备得到的合金的强度和塑性达到较好的配合，与FGH4091合金相比，合金强度与FGH4091相当，而塑性大幅度提高，在760℃条件下进行对比，本发明合金的断面收缩率相对于FGH4091合金提高了至少64.5％。

Description

一种具有高塑性的镍基粉末高温合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及镍基粉末高温合金技术领域，尤其涉及一种具有高塑性的镍基粉末高温合金及其制备方法，特别是适用于760℃以下使用的航空发动机涡轮盘等部件。
背景技术
随着航空工业的发展，航空发动机涡轮前温度不断提高，对粉末高温合金的高温强度提出了越来越高的要求，与此同时，对材料的韧化也提出了更高的要求。因而，粉末高温合金在高温下应具有较高的拉伸强度，同时具有一定的塑性，防止发生脆断。
提高高温合金塑性的途径有：(1)控制合金中TCP相的析出。高温合金基体中加入的固溶强化元素，也是形成TCP脆性相的主要元素。TCP相的析出，造成合金塑性降低，严重时发生脆断，通过调整固溶强化和沉淀强化合金化元素的加入量来控制TCP有害相的析出；(2)控制晶粒尺寸与形状。晶粒尺寸减小，晶界总面积增大，可增加晶界对裂纹的形成与扩展的阻力，从而提高涡轮盘材料的韧性和塑性；同时，弯曲晶界可有效地组织晶界滑动，推迟裂纹的产生和扩展，改善合金的塑性。通过调整冶炼、热加工或热处理工艺，来控制晶粒尺寸与形状；(3)提高合金的纯度，把有害杂质元素降到最低。通常通过精选原材料、冶炼工艺等来实现；(4)加入适量的有益微量元素。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种具有高塑性的镍基粉末高温合金及其制备方法，用以解决现有技术的改进仅是针对某种合金的基础上改进，而无法制备全新高塑性镍基粉末高温合金的问题，本发明的高塑性镍基粉末高温合金特别适用于760℃以下使用的航空发动机涡轮盘等部件。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
一种具有高塑性的镍基粉末高温合金，按重量百分比计，包括C 0.02％～0.04％，Co 18.5％～20.5％，Cr 11.5％～13.5％，Mo 3.5％～4.50％，W 0.8％～1.0％，Al 3.85％～4.15％，Ti 2.35％～2.65％，Nb 0.8％～1.2％，B 0.015％～0.025％，Zr 0.035％～0.045％，Hf 0.3％～1.5％，其余为Ni。
本发明有益效果如下：本发明通过调整合金中各个元素的含量，设计一种新型合金，本发明通过合金中各元素之间的相互作用，经过相应的热处理后，所制备得到的合金的强度和塑性达到较好的配合，与FGH4091合金相比，合金强度与FGH4091相当，而塑性大幅度提高，在760℃条件下进行对比，本发明合金的断面收缩率相对于FGH4091合金提高了至少64.5％。
在上述方案的基础上，本发明还做了如下改进：
进一步的，所述镍基粉末高温合金按重量百分比计，包括C 0.025％～0.036％，Co18.9％～19.9％，Cr 12.1％～13.0％，Mo 3.85％～4.12％，W 0.87％～0.96％，Al 3.92％～4.07％，Ti 2.43％～2.55％，Nb 0.89％～1.17％，B 0.018％～0.024％，Zr 0.037％～0.043％，Hf 0.43％～1.27％，其余为Ni。
采用上述进一步方案的有益效果是：本发明采用上述范围所制备的镍基粉末高温合金的性能会更加优异，所制备出的合金的塑性相对于FGH4091提高了至少77.4％。
进一步的，所述镍基粉末高温合金按重量百分比计，包括C 0.032％，Co 19.6％，Cr 12.6％，Mo 4.1％，W 1.0％，Al 4.0％，Ti 2.48％，Nb 1.0％，B 0.023％，Zr 0.039％，Hf 1.2％，其余为Ni。
采用上述进一步方案的有益效果是：本发明采用上述点值所制备出的镍基粉末高温合金的塑性大幅度提高，其断面收缩率相对于FGH4091提高了154.8％。
进一步的，所述镍基粉末高温合金中γ′相的完全溶解温度为1140℃～1155℃。
采用上述进一步方案的有益效果是：本发明通过上述成分范围所制备的镍基粉末高温合金的γ′相，能够提高合金的综合性能，使得本发明合金的塑性大大超过FGH4091合金；γ′相完全溶解温度是镍基高温合金最主要的特征，与固溶处理温度相关，直接影响最终合金中一次γ′相的含量。
进一步的，所述镍基粉末高温合金中的主要析出相为γ′相和MC。
进一步的，所述γ′相的质量分数为44％～50％，所述MC的质量分数为0.15％～0.539％。
本发明γ′相为镍基粉末高温合金中的主要强化相，在γ′相尺寸一定的条件下，γ′相的含量和组成影响合合金的强化效果。随着合金中元素含量的变化，合金中M23C6逐渐转化为MC碳化物。
进一步的，所述镍基粉末高温合金的γ基体中W元素的质量分数为0.75％～0.94％。
本发明中W元素的质量分数范围能够提高基体的固溶强化效果，保证本发明所制备的合金组织稳定。
一种具有高塑性的镍基粉末高温合金的制备方法，包括制备合金粉末；直接热等静压；热处理：固溶处理+四级时效，所述固溶处理为1100～1130℃/2～4h/空冷，所述时效处理为870℃/6～10h/空冷+980℃/3～6h/空冷+650℃/16～28h/空冷+760℃/6～10h/空冷。
本发明制备方法：通过上述温度范围进行限定热处理，能够保证本发明所制备的高塑性镍基粉末高温合金具有好的高温综合性能，且塑性大大提高；且本发明合金采用固溶处理，一方面为了控制晶粒度，另一方面残留少量的一次γ′相，合金的塑性和强度达到较好的配合；采用四级时效是为了控制MC碳化物和M23C6碳化物的析出，以及控制γ′相的尺寸分布。
进一步的，所述合金粉末是通过等离子旋转电极方法或氩气雾化方法制备。
进一步的，所述固溶处理为1112～1127℃/2.8～3.6h/空冷，所述时效处理为870℃/8.2～9.5h/空冷+980℃/4.1～5.3h/空冷+650℃/18.2～26.5h/空冷+760℃/7.3～8.6h/空冷。
本发明的热处理使用上述范围，所制备出的镍基粉末高温合金具有更好的性能，合金的塑性大大提高。
本发明的有益效果为：
(1)本发明通过设计一种全新的镍基粉末高温合金，通过合金中各成分之间的相互作用，使合金的强度和塑性达到较好的配合关系，本发明中合金特别适用于760℃以下使用的航空发动机涡轮盘等部件；
(2)本发明镍基粉末高温合金中Co含量高，Cr、Mo低，且含有W、Hf、Nb元素，能够提高基体强度，同时略微降低γ′相含量和强化效果，使发明合金的强度降低不明显，而塑性明显增加。
(3)本发明通过固溶处理，一方面为了控制晶粒度，另一方面残留少量的一次γ′相，合金的塑性和强度达到较好的配合；采用四级时效是为了控制MC碳化物和M23C6碳化物的析出，以及控制γ′相的尺寸分布，提高合金综合性能。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书中所特别指出的结构来实现和获得。
具体实施方式
下面来具体描述本发明的优选实施例，其中，本发明的实施例并非用于限定本发明的范围。
本发明的一个具体实施例，公开了一种具有高塑性的镍基粉末高温合金及其制备方法，在本发明镍基粉末高温合金的化学成分范围，按重量百分比计C 0.02％～0.04％，Co18.5％～20.5％，Cr 11.5％～13.5％，Mo 3.5％～4.50％，W 0.8％～1.0％，Al 3.85％～4.15％，Ti 2.35％～2.65％，Nb 0.8％～1.2％，B 0.015％～0.025％，Zr 0.035％～0.045％，Hf 0.3％～1.5％，其余为Ni内，使用25kg真空感应炉熔炼了五种不同含量的合金棒料，为了对比，同时熔炼了一种成分的FGH4091合金棒料。本发明使用等离子旋转电极法制备合金粉末，粉末处理后热等静压获得致密粉末高温合金圆柱锭坯，将锭坯进行热处理制备镍基粉末高温合金，其中，固溶处理制度为1100～1130℃/2～4h/空冷；时效处理制度为870℃/6～10h/空冷+980℃/3～6h/空冷+650℃/16～28h/空冷+760℃/6～10h/空冷。
本发明在相同制备工艺、不同合金成分的条件下制备五组实施例，通过改变合金成分来制备镍基粉末高温合金，以证明本发明中镍基粉末高温合金优异的的性能；本发明中五组实施例的化学成分如表1所示，五组合金成分分别编号为Alloy-1、Alloy-2、Alloy-3、Alloy-4、Alloy-5，同时，本发明在相同制备工艺条件下制备一组FGH4091合金，以便于对比。本发明中合金的制备工艺以下述工艺为例：首先使用等离子旋转电极法制备合金粉末，粉末处理后热等静压获得致密粉末高温合金圆柱锭坯，将锭坯进行热处理，热处理包括固溶处理和时效处理，固溶处理制度为1115℃/3h/空冷；时效处理制度为870℃/8h/空冷+980℃/4.5h/空冷+650℃/22h/空冷+760℃/8h/空冷，得到高塑性镍基粉末高温合金Alloy-1、Alloy-2、Alloy-3、Alloy-4、Alloy-5和FGH4091合金。
其中，Alloy-1合金中γ′相固溶温度为1142℃；高塑性镍基粉末高温合金的主要析出相为γ′相、MC和M23C6，γ′相的质量分数为44.83％，MC质量分数为0.15％，M23C6质量分数为0.42％；γ基体中W元素的质量分数为0.77％，Alloy-1合金在室温条件下的断面收缩率比FGH4091合金提高了38.1％；Alloy-1合金在760℃条件下的断面收缩率比FGH4091合金提高了83.9％，说明Alloy-1合金塑性提高。
Alloy-2合金中γ′相固溶温度为1148℃；高塑性镍基粉末高温合金的主要析出相为γ′相、MC和M23C6，γ′相质量分数为45.44％，MC质量分数为0.46％，M23C6质量分数为0.04％；γ基体中W元素的质量分数为0.84％；Alloy-2合金在室温条件下的断面收缩率比FGH4091合金提高了33.3％；Alloy-2合金在760℃条件下的断面收缩率比FGH4091合金提高了129％。
Alloy-3合金中γ′相固溶温度为1145℃；高塑性镍基粉末高温合金中主要析出相为γ′相、MC，γ′相质量分数为45.2％，MC质量分数为0.51％；γ基体中W元素的质量分数为0.92％；Alloy-3合金在室温条件下的断面收缩率比FGH4091合金提高了33.3％；Alloy-3合金在760℃条件下的断面收缩率比FGH4091合金提高了154.8％。
Alloy-4合金中γ′相固溶温度为1147℃；高塑性镍基粉末高温合金中主要析出相为γ′相、MC，γ′相质量分数为45.85％，MC质量分数为0.52％；γ基体中W元素的质量分数为0.86％；Alloy-4合金在室温条件下的断面收缩率比FGH4091合金提高了33.3％；Alloy-4合金在760℃条件下的断面收缩率比FGH4091合金提高了77.4％。
Alloy-5合金中γ′相固溶温度为1154℃；高塑性镍基粉末高温合金中主要析出相为γ′相、MC，γ′相质量分数为47.0％，MC质量分数为0.53％；γ基体中W元素的质量分数为0.77％；Alloy-5合金在室温条件下的断面收缩率比FGH4091合金提高了19％；Alloy-5合金在760℃条件下的断面收缩率比FGH4091合金提高了64.5％。
FGH4091合金的化学成分如表1所示；同时，本发明方法所制备的FGH4091合金中γ′相固溶温度为1153℃，γ′相质量分数为48.69％，热力学平衡条件下，无MC相析出。
表1本发明合金与FGH4091合金的化学成分对比(质量分数,％)
合金 C Co Cr Mo W Al Ti Nb B Zr Hf Ni
Alloy-1 0.032 19.2 12.5 4.0 0.8 4.0 2.5 1.1 0.023 0.039 0.3 余
Alloy-2 0.032 19.4 12.4 4.2 0.9 4.0 2.52 1.2 0.023 0.039 0.6 余
Alloy-3 0.032 19.6 12.6 4.1 1.0 4.0 2.48 1.0 0.023 0.039 0.9 余
Alloy-4 0.032 19.3 12.7 3.8 0.9 4.0 2.49 1.0 0.023 0.039 1.2 余
Alloy-5 0.032 19.5 12.3 3.9 0.8 4.0 2.53 1.1 0.023 0.039 1.5 余
FGH4091 0.032 16.9 14.5 5.1 - 4.1 3.5 - 0.023 0.039 - 余
本发明合金Alloy-1、Alloy-2、Alloy-3、Alloy-4、Alloy-5与FGH4091合金的室温冲击吸收功、室温拉伸性能、760℃拉伸性能对比分别如表2、表3、表4所示。
表2本发明合金与FGH4091合金的室温冲击吸收功对比
合金 Alloy-1 Alloy-2 Alloy-3 Alloy-4 Alloy-5 FGH4091
冲击吸收功Aku2/J 45 45 51 45 45 45
表3本发明合金与FGH4091合金的室温拉伸性能对比
合金 σb/MPa σ0.2/MPa δ/％ ψ/％
Alloy-1 1414 960 24.5 29.0
Alloy-2 1398 942 25.0 28.0
Alloy-3 1413 920 25.0 28.0
Alloy-4 1419 962 26.5 28.0
Alloy-5 1421 965 24.0 25.0
FGH4091 1399 969 17.5 21.0
表4本发明合金与FGH4091合金的760℃拉伸性能对比
合金 σb/MPa σ0.2/MPa δ/％ ψ/％
Alloy-1 1050 865 29.5 28.5
Alloy-2 1040 830 34.0 35.5
Alloy-3 1050 820 34.5 39.5
Alloy-4 1050 855 28.5 27.5
Alloy-5 1050 845 24.5 25.5
FGH4091 1060 875 17.0 15.5
由表2、表3、表4可知，与FGH4091合金相比，本发明所制备的高塑性镍基高温合金的室温冲击韧性、室温拉伸强度和760℃拉伸强度变化不大，但塑性大幅度提高，且本发明所制备的高塑性镍基高温合金的塑性在760℃条件下比FGH4091合金断面收缩率提高至少在64.5％，有的甚至能够提高200％，说明本发明镍基高温合金的塑性有了大幅度提高，有效防止高温合金发生脆断。
综上所述，本发明提供了一种具有高塑性的镍基粉末高温合金及其制备方法，为了使镍基粉末合金达到高塑性，本发明设计了一种全新组分的合金，根据不同合金的含量及热处理制度的设计，控制γ′相的含量，进而大大提高了合金塑性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有高塑性的镍基粉末高温合金，其特征在于，按重量百分比计，包括C 0.02％～0.04％，Co 18.5％～20.5％，Cr 11.5％～13.5％，Mo 3.5％～4.50％，W 0.8％～1.0％，Al 3.85％～4.15％，Ti 2.35％～2.65％，Nb 0.8％～1.2％，B 0.015％～0.025％，Zr0.035％～0.045％，Hf 0.3％～1.5％，其余为Ni。
2.根据权利要求1所述的一种具有高塑性的镍基粉末高温合金，其特征在于，所述镍基粉末高温合金按重量百分比计，包括C 0.025％～0.036％，Co 18.9％～19.9％，Cr 12.1％～13.0％，Mo 3.85％～4.12％，W 0.87％～0.96％，Al 3.92％～4.07％，Ti 2.43％～2.55％，Nb 0.89％～1.17％，B 0.018％～0.024％，Zr 0.037％～0.043％，Hf 0.43％～1.27％，其余为Ni。
3.根据权利要求1或2所述的一种具有高塑性的镍基粉末高温合金，其特征在于，所述镍基粉末高温合金按重量百分比计，包括C 0.032％，Co 19.6％，Cr 12.6％，Mo 4.1％，W1.0％，Al 4.0％，Ti 2.48％，Nb 1.0％，B 0.023％，Zr 0.039％，Hf 1.2％，其余为Ni。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种具有高塑性的镍基粉末高温合金，其特征在于，所述镍基粉末高温合金中γ′相的完全溶解温度为1140℃～1155℃。
5.根据权利要求4所述的一种具有高塑性的镍基粉末高温合金，其特征在于，所述镍基粉末高温合金中的主要析出相为γ′相和MC。
6.根据权利要求4所述的一种具有高塑性的镍基粉末高温合金，其特征在于，所述镍基粉末高温合金中γ′相的质量分数为44％～50％，所述MC的质量分数为0.15％～0.539％。
7.根据权利要求1或2所述的一种具有高塑性的镍基粉末高温合金，其特征在于，所述镍基粉末高温合金的γ基体中W元素的质量分数为0.75％～0.94％。
8.根据权利要求1-7任意一项所述的一种具有高塑性的镍基粉末高温合金的制备方法，其特征在于，包括制备合金粉末；直接热等静压；热处理：固溶处理+四级时效，所述固溶处理为1100～1130℃/2～4h/空冷，所述时效处理为870℃/6～10h/空冷+980℃/3～6h/空冷+650℃/16～28h/空冷+760℃/6～10h/空冷。
9.根据权利要求8所述的一种具有高塑性的镍基粉末高温合金的制备方法，其特征在于，所述合金粉末是通过等离子旋转电极方法或氩气雾化方法制备。
10.根据权利要求8所述的一种具有高塑性的镍基粉末高温合金的制备方法，其特征在于，所述固溶处理为1112～1127℃/2.8～3.6h/空冷，所述时效处理为870℃/8.2～9.5h/空冷+980℃/4.1～5.3h/空冷+650℃/18.2～26.5h/空冷+760℃/7.3～8.6h/空冷。
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