CN108330336A - 一种高抗氧化性能镧系镍基高温合金及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高抗氧化性能镧系镍基高温合金及其制备方法和应用，所述高温合金按重量百分比计，包括以下元素组成：C0.08～0.12％、Cr 9.55～14.35％、Mo 3.95～5.15％、Co 6.10～7.20％、镧系元素2.21～3.33％、Al 1.65～1.85％、Nb 0.6～1.4％、Fe 4.5～7.3％、Mn 1.12～1.35％、以及余量为Ni和不可避免的杂质。本发明提供的上述高温合金材料具备优异的高温力学性能和较低的杂质含量，同时其具备优良的抗高温氧化性能，能够很好作为汽轮机发动机叶片钢的材料。

Description

一种高抗氧化性能镧系镍基高温合金及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种镍基高温合金材料，具体涉及一种高抗氧化性能镧系镍基高温合金及其制备方法和应用。
背景技术
高温合金材料是指在760-1500℃以上及一定应力条件下进行长期工作的高温金属材料，根据温度条件的不同，高温合金材料可分为三类：760℃高温材料、1200℃高温材料和1500℃高温材料，其抗拉强度通常可达800MPa。高温合金材料由于具有优异的综合力学性能和抗氧化、耐腐蚀能力而成为石化、核能、航空等工业领域承受高温、腐蚀、载荷等恶劣使用环境关键部件不可或缺的材料，主要用于制造航空、舰艇和工业用燃气轮机的涡轮叶片、导向叶片、涡轮盘、高压压气机盘和燃烧室等高温部件，还用于制造航天飞行器、火箭发动机、核反应堆、石油化工设备以及煤的转化等能源转换装置。
现代燃气涡轮发动机有50％以上质量的材料采用高温合金，其中镍基高温合金的用量在发动机材料中约占40％。镍基合金在中、高温度下具有优异综合性能，适合长时间在高温下工作，能够抗腐蚀和磨蚀，是最复杂的、在高温零部件中应用最广泛的、在所有超合金中许多冶金工作者最感兴趣的合金。镍基高温合金主要用于航空航天领域950～1050℃下工作的结构部件，如航空发动机的工作叶片、涡轮盘、燃烧室等。
镍基高温合金是以镍为基体(含量一般大于50％)、在650～1000℃范围内具有较高的强度和良好的抗氧化、抗燃气腐蚀能力的高温合金。它是在Cr20Ni80合金基础上发展起来的，为了满足镍基高温合金1000℃左右高温热强性(高温强度、蠕变抗力、高温疲劳强度)和气体介质中的抗氧化、抗腐蚀的要求，常在其中加入了大量的强化元素，以保证其优越的高温性能。其中镧系元素作为一种强化元素常被用于加入到镍基高温合金中。
然而现有的镍基高温合金中添加的镧系元素的量较少，仅为1％以下，使得镍基合金的力学性能没有得到充足的加强，这是因为过多的镧系元素添加到现有合金中会影响合金的高温抗氧化性能，镧系元素强化合金的基理尚处于不断研究中，如何扩大镧系元素的添加量，使得合金的各种性能得以进一步提高，是需要解决的一个问题。另一方面，现有的镍基高温合金中大多需要多种强化元素的共同组合，才能获得较好的力学强度和抗氧化性能等效果，复杂的元素组成以及含量变化，会导致合金冶炼过程中极易受到制备工艺的影响，导致其高温抗氧化性能变差。因此，如何提供一种含镧系高温合金的元素组成以及制备工艺，使得该合金中的镧系元素添加量得以提高，并能很好保证该镍基高温合金的高温抗氧化性能，成为亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述技术问题，而提供一种高抗氧化性能镧系镍基高温合金材料及其制备方法和应用，在提高镧系元素含量，并减少合金元素的基础上，充分发挥镧系合金的强化性能，保证其力学性能的同时，还使得该镍基高温合金材料取得了优异的抗氧化性效果。
本发明的目的之一是提供一种高抗氧化性能镧系镍基高温合金材料，按重量百分比计，所述高温合金材料包括以下元素组成：C0.08～0.12％、Cr 9.55～14.35％、Mo 3.95～5.15％、Co 6.10～7.20％、镧系元素2.21～3.33％、Al 1.65～1.85％、Nb 0.6～1.4％、Fe 4.5～7.3％、Mn 1.12～1.35％、以及余量为Ni和不可避免的杂质。
本发明提供的上述高温合金材料中添加了含量在2％以上的镧系元素。镧系元素在合金中起到的固溶强化作用明显，再结合钼、钴等元素的添加，使得合金的力学性能得以增强，但是由于该高温合金中的镧系元素添加量较多，容易导致其高温抗氧化性能与采用其他强化元素相比下降明显，最终发明人通过不断的摸索，将钼和钴的含量进行了提高，并添加少量的铝和锰以及复配铌元素，使得该高温合金材料的高温抗氧化性能也极其优异。本发明通过各元素含量达到相互协同，在很好保证强度和降低成本的同时，还使得该合金材料的高温抗氧化性能得到了大大提升。
作为本发明较为优选的技术方案，按重量百分比计，所述高温合金材料包括以下元素组成：C 0.09％、Cr 12.45％、Mo 4.25％、Co6.58％、镧系元素2.86％、Al 1.75％、Nb1.20％、Fe 6.1％、Mn 1.24％、以及余量为Ni和不可避免的杂质。
进一步的是，本发明的元素配方中所述镧系元素包括：La、Ce或Nd。
本发明所提供的镍基高温合金材料具备很好的高温抗氧化性能，同时经过检测发现，上述合金材料的杂质含量也得到了显著降低，在上述提供的技术方案下，本发明的高温合金材料中不可避免的杂质包括：P≤0.0015％、S≤0.0015％、N≤0.001％、Cu≤0.04％。与其它的高抗氧化性高温合金材料相比，这四类杂质元素的含量均得到了降低，现有的高抗氧化镍基高温合金材料中杂质的含量仅为：P≤0.04％、S≤0.015％、N≤0.02％、Cu≤0.10％，很难达到本发明如此低的杂质含量。
经检测后发现，本发明提供的上述镧系镍基高温合金材料的高温抗氧化性能如下：900℃下的Kp为2.58×10-8mg2·cm-4·s-1，在900℃下高温处理100h后氧化增重为0.031mg·cm-2，表现出优异的高温抗氧化性能。
对本发明的镧系镍基高温合金材料进行力学性能检测，在760℃高温下的力学性能为：抗拉强度≥1605MPa、屈服强度≥1355MPa、断后延伸率≥13.0％。
本发明的目的之二是提供上述高抗氧化性能镧系镍基高温合金材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)按各元素比例称量含有上述元素的冶炼原料，将原料加入熔炼炉中，于真空氛围中进行初炼，初炼温度为1380～1420℃，初炼熔速为1.8～2.5kg/min，得到钢液；
(2)待步骤(1)的原料熔化60％以上时，提高熔炼炉的温度至1540～1560℃，并于真空氛围中进行二次熔炼，二次熔炼的时间为46～68分钟，然后将钢液浇注成自耗电极；
(3)将步骤(2)浇注得到的自耗电极进行重熔精炼，重熔成电渣锭；
(4)将步骤(3)所得电渣锭加热后锻造成钢坯；
(5)将步骤(4)所得钢坯于1210～1230℃下进行固溶处理，保温2～3小时，冷却至室温后于900～910℃下进行时效处理，保温20～40分钟，之后冷却至室温，制成所需棒材或型材。
本发明的制备方法采用两段真空熔炼工艺，通过控制熔炼过程中的熔融和温度条件，能够获得组织均匀性较好的钢材，并有利于钢液中杂质的去除，最终钢液经锻造和相匹配的热处理工艺，很好保证了制备得到的合金材料具有优良的高温抗氧化性能和力学强度，且杂质含量得到了有效降低。
进一步的，步骤(1)中所述真空的氛围为68～72Pa，步骤(2)中所述真空的氛围为4～7Pa。采用上述真空处理工艺，使得原料熔炼过程中杂质含量得到更好控制，有利于保证钢材的强度以及后续热处理后的抗氧化性能。
进一步的，步骤(3)中重熔精炼采用的重熔渣系组成为：CaF2:61％、Al2O3:28％、MgO:3％、B2O3:8％。本发明选取的上述电渣重熔渣系，是与本发明的元素组成和冶炼工艺相匹配的，该重熔渣系对精炼除杂效果显著，更有利于保证冶炼出的材料具备优良的高温力学性能和抗氧化性能。
进一步的，步骤(4)中所述冷却的方式包括水冷或空冷，冷却效率比空冷要高的冷却方式均可。
本发明的目的之三是提供上述高温合金材料或采用上述方法制备得到的高温合金材料在汽轮机发动机叶片钢上的应用。将本发明所得镍基高温合金材料用于发动机汽轮机叶片钢上，能够很好满足发动机叶片的工作需要，其高温抗氧化性能极其优异，力学强度也能很能好符合要求。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
(1)本发明提供的合金材料具有优异的高温抗氧化性能，在900℃下的氧化Kp为2.58×10-8mg2·cm-4·s-1，900℃下高温处理100h后氧化增重仅为0.031mg·cm-2；
(2)本发明提供的合金材料中镧系元素含量得到了提高，所得合金的力学性能得以强化，通过各元素含量的协同复配，进一步提高了其高温抗氧化性能；
(3)本发明提供的合金材料中杂质含量较低，其中，P≤0.0015％、S≤0.0015％、N≤0.001％、Cu≤0.04％。
具体实施方式
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具体描述，有必要指出的是，以下实施例仅仅用于对本发明进行解释和说明，并不用于限定本发明。本领域技术人员根据上述发明内容所做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
实施例1
一种镧系镍基高温合金材料，按重量百分比计，其元素组成包括：C 0.08％、Cr9.55％、Mo 3.95％、Co 6.10％、La 2.21％、Al 1.65％、Nb 0.6％、Fe 4.5％、Mn 1.12％、以及余量为Ni和不可避免的杂质。
上述高温合金材料的制备方法如下：
(1)按各元素比例称量含有上述元素的冶炼原料，将原料加入熔炼炉中，于68Pa的真空氛围中进行初炼，初炼温度为1380℃，初炼熔速为1.8kg/min，得到钢液；
(2)待步骤(1)的原料熔化60％以上时，提高熔炼炉的温度至1540℃，并降压至4Pa的真空氛围中进行二次熔炼，二次熔炼的时间为46分钟，然后将钢液浇注成自耗电极；
(3)将步骤(2)浇注得到的自耗电极进行重熔精炼，重熔成电渣锭，重熔精炼采用的重熔渣系组成为：CaF2:61％、Al2O3:28％、MgO:3％、B2O3:8％；
(4)将步骤(3)所得电渣锭加热后锻造成钢坯；
(5)将步骤(4)所得钢坯于1210℃下进行固溶处理，保温2小时，水冷至室温后加热至900℃下进行时效处理，保温20分钟，之后空冷至室温，制成所需棒材或型材。
上述制备得到的高温合金材料中，不可避免的杂质为：P0.0015％、S 0.0015％、N0.001％、Cu 0.04％，可见该高温合金材料中杂质含量较低。
采用静态氧化称重法测试该高温合金的高温氧化行为，在空气环境下于900℃下高温处理100h后氧化增重为0.031mg·cm-2，表现出极优异的高温抗氧化性能；其900℃下的氧化Kp检测结果为2.58×10-8mg2·cm-4·s-1。其力学性能检测结果为：在760℃高温下的力学性能：抗拉强度1605MPa、屈服强度1355MPa、断后延伸率13.0％。将上述高温合金材料用于制备汽轮机发动机叶片钢，可很好满足发动机的使用要求，使用一年后未出现故障，叶片基本无损耗。
实施例2
一种镧系镍基高温合金材料，按重量百分比计，其元素组成包括：C 0.12％、Cr14.35％、Mo 5.15％、Co 7.20％、Ce 3.33％、Al 1.85％、Nb 1.4％、Fe 7.3％、Mn 1.35％、以及余量为Ni和不可避免的杂质。
上述高温合金材料的制备方法如下：
(1)按各元素比例称量含有上述元素的冶炼原料，将原料加入熔炼炉中，于72Pa的真空氛围中进行初炼，初炼温度为1420℃，初炼熔速为2.5kg/min，得到钢液；
(2)待步骤(1)的原料熔化60％以上时，提高熔炼炉的温度至1560℃，并降压至7Pa的真空氛围中进行二次熔炼，二次熔炼的时间为68分钟，然后将钢液浇注成自耗电极；
(3)将步骤(2)浇注得到的自耗电极进行重熔精炼，重熔成电渣锭，重熔精炼采用的重熔渣系组成为：CaF2:61％、Al2O3:28％、MgO:3％、B2O3:8％；
(4)将步骤(3)所得电渣锭加热后锻造成钢坯；
(5)将步骤(4)所得钢坯于1230℃下进行固溶处理，保温3小时，空冷至室温后于910℃下进行时效处理，保温40分钟，之后水冷至室温，制成所需棒材或型材。
上述制备得到的高温合金材料中，不可避免的杂质包括：P0.0012％、S 0.0010％、N 0.001％、Cu 0.035％，可见，本发明的高温合金材料中杂质含量较低。
采用静态氧化称重法测试该高温合金的高温氧化行为，在空气环境中于900℃高温下处理100h后氧化增重为0.031mg·cm-2，表现出极优异的高温抗氧化性能，其900℃下的氧化Kp检测结果为2.49×10-8mg2·cm-4·s-1。其力学性能检测结果为：在760℃高温下的力学性能：抗拉强度1621MPa、屈服强度1358MPa、断后延伸率13.2％。将上述高温合金材料用于制备汽轮机发动机叶片钢，可很好满足发动机的使用要求，使用半年后未出现故障，叶片基本无损耗。
实施例3
一种镧系镍基高温合金材料，按重量百分比计，其元素组成包括：C 0.09％、Cr12.45％、Mo 4.25％、Co 6.58％、镧系元素2.86％、Al 1.75％、Nb 1.20％、Fe 6.1％、Mn1.24％、以及余量为Ni和不可避免的杂质。
上述高温合金材料的制备方法如下：
(1)按各元素比例称量含有上述元素的冶炼原料，将原料加入熔炼炉中，于70Pa的真空氛围中进行初炼，初炼温度为1398℃，初炼熔速为2.1kg/min，得到钢液；
(2)待步骤(1)的原料熔化60％以上时，提高熔炼炉的温度至1552℃，并于5Pa的真空氛围中进行二次熔炼，二次熔炼的时间为55分钟，然后将钢液浇注成自耗电极；
(3)将步骤(2)浇注得到的自耗电极进行重熔精炼，重熔成电渣锭，重熔精炼采用的重熔渣系组成为：CaF2:61％、Al2O3:28％、MgO:3％、B2O3:8％；
(4)将步骤(3)所得电渣锭加热后锻造成钢坯；
(5)将步骤(4)所得钢坯于1220℃下进行固溶处理，保温2.4小时，水冷至室温后于902℃下进行时效处理，保温35分钟，之后水冷至室温，制成所需棒材或型材。
上述制备得到的高温合金材料中，不可避免的杂质包括：P 0.0010％、S0.0011％、N 0.0008％、Cu 0.03％，可见该高温合金材料中杂质含量较低。
采用静态氧化称重法测试该高温合金的高温氧化行为，在空气环境中于900℃高温下处理100h后氧化增重为0.031mg·cm-2，表现出极优异的高温抗氧化性能，其900℃下的氧化Kp检测结果为2.28×10-8mg2·cm-4·s-1。其力学性能检测结果为：在760℃高温下的力学性能：抗拉强度1633MPa、屈服强度1368MPa、断后延伸率13.5％。将上述高温合金材料用于制备汽轮机发动机叶片钢，可很好满足发动机的使用要求，使用一年后未出现故障，叶片基本无损耗。
对比例1
按照实施例1的元素组成和方法制备合金材料，不同之处在于，将La元素的含量调为0.85％，减少的La含量用Ni补充，其力学性能检测结果为：在760℃高温下的力学性能：抗拉强度1313MPa、屈服强度1058MPa、断后延伸率11.0％，其力学强度较差。
对比例2
按照实施例2的元素组成和方法制备合金材料，不同之处在于，将Al元素的含量增加为2.5％，Fe增加为10.0％，去掉Mn元素，所得合金于900℃高温下处理100h后氧化增重为0.136mg·cm-2，其900℃下的氧化Kp检测结果为5.14×10-7mg2·cm-4·s-1，抗氧化性能较差。
对比例3
按照实施例3的元素组成和方法制备合金材料，不同之处在于，制备方法中将原料直接熔炼完毕后进行电渣重熔，重熔渣系选为CaF2:60％、Al2O3:25％、MgO:7％、SiO2:8％。所得合金的杂质含量较高，P高于0.02％、S高于0.01％，合金的抗氧化性降低，900℃高温下处理100h后氧化增重为0.098mg·cm-2。

Claims (10)

1.一种高抗氧化性能镧系镍基高温合金材料，其特征在于，按重量百分比计，所述高温合金材料包括以下元素组成：C 0.08～0.12％、Cr 9.55～14.35％、Mo 3.95～5.15％、Co6.10～7.20％、镧系元素2.21～3.33％、Al 1.65～1.85％、Nb 0.6～1.4％、Fe 4.5～7.3％、Mn 1.12～1.35％、以及余量为Ni和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的高抗氧化性能镧系镍基高温合金材料，其特征在于，按重量百分比计，所述高温合金材料包括以下元素组成：C 0.09％、Cr 12.45％、Mo 4.25％、Co6.58％、镧系元素2.86％、Al 1.75％、Nb 1.20％、Fe 6.1％、Mn 1.24％、以及余量为Ni和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1或2所述的高抗氧化性能镧系镍基高温合金材料，其特征在于，所述镧系元素包括：La、Ce或Nd。
4.根据权利要求1或2所述的高抗氧化性能镧系镍基高温合金材料，其特征在于，所述不可避免的杂质包括：P≤0.0015％、S≤0.0015％、N≤0.001％、Cu≤0.04％。
5.根据权利要求1或2所述的高抗氧化性能镧系镍基高温合金材料，其特征在于，所述高温合金材料在900℃下的Kp不高于2.58×10-8mg2·cm-4·s-1，900℃下高温处理100h后氧化增重低于0.031mg·cm-2。
6.一种如权利要求1或2所述的高抗氧化性能镧系镍基高温合金材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)按各元素比例称量含有上述元素的冶炼原料，将原料加入熔炼炉中，于真空氛围中进行初炼，初炼温度为1380～1420℃，初炼熔速为1.8～2.5kg/min，得到钢液；
(2)待步骤(1)的原料熔化60％以上时，提高熔炼炉的温度至1540～1560℃，并于真空氛围中进行二次熔炼，二次熔炼的时间为46～68分钟，然后将钢液浇注成自耗电极；
(3)将步骤(2)浇注得到的自耗电极进行重熔精炼，重熔成电渣锭；
(4)将步骤(3)所得电渣锭加热后锻造成钢坯；
(5)将步骤(4)所得钢坯于1210～1230℃下进行固溶处理，保温2～3小时，冷却至室温后于900～910℃下进行时效处理，保温20～40分钟，之后冷却至室温，制成所需棒材或型材。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述真空的氛围为68～72Pa，步骤(2)中所述真空的氛围为4～7Pa。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中重熔精炼采用的重熔渣系组成为：CaF2:61％、Al2O3:28％、MgO:3％、B2O3:8％。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤(5)中所述冷却的方式包括水冷或空冷。
10.根据权利要求1-4所述的高温合金材料或权利要求5-9所述方法制备得到的高温合金材料在汽轮机发动机叶片钢上的应用。
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