CN108330405A - 一种耐腐蚀性能优异且耐高温性能好的优质合金 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种镍‑铁基优质耐高温合金材料，属于高温合金材料的制备技术领域。本发明的高温合金材料，按重量百分比计，所述材料包括以下元素组成：C 0.08～0.10％、Cr 11.35～11.65％、Mn0.85～0.95％、Mo 2.85～3.85％、Al 1.55～2.45％、Nb 0.80～1.20％、Zr0.15～0.25％、Ni 15.0～19.0％、以及余量为Fe和不可避免的杂质。上述合金材料具备优异的耐腐蚀性能和耐高温性能，其力学性能大大增强，高温持久性能可长达115小时以上，并可很好耐受强酸、强碱以及盐等化学介质的腐蚀，使用范围较广。

Description

一种耐腐蚀性能优异且耐高温性能好的优质合金
技术领域
本发明属于高温合金制备技术领域，具体涉及一种耐腐蚀性能优异且耐高温性能好的优质合金。
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，其抗拉强度可达800MPa。高温合金材料具有优异的高温强度，良好的抗氧化和抗热腐蚀性能，良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能，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。
目前我国采用的高温合金材料主要是760℃高温材料，1200℃高温材料和1500℃高温材料目前在中国基本没有使用。该类高温材料在使用过程中，室温下的抗拉强度可达到700N/mm2，屈服强度达到640N/mm2，伸长率大于3％；高温(705±3℃)下的抗拉强度略大于650N/mm2，屈服强度大于550N/mm2，伸长率大于3.5％，具有一定的经济效益和社会效益。
然而目前我国对军民用设备如燃气涡轮发动机、火箭发动机等设备的使用要求越来越高，发动机叶片的使用温度时常达到980℃，因而对高温合金材料的力学性能提出了更高的要求，上述抗拉强度、屈服强度及伸长率等指标已不能很好满足科技的快速发展需求，迫切需要提供具有更高力学性能的合金材料产品。另一方面，由于目前制备的高温合金材料的强度较低，制备工艺单一，其耐化学介质腐蚀的效果较差，无法将高温材料的耐腐蚀性能进行提升，而研发高温耐腐蚀的合金材料对于发展航空、航天工业起着重要的作用，因此如何提高高温合金材料的耐腐蚀性能也成为目前人们迫切渴望解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述技术问题，而提供一种可满足涡轮发动机或航天发动机等设备使用的优质耐高温合金材料，该高温材料能够具备优异的力学性能和高温持久性能，更为重要的是，该合金材料的耐化学介质腐蚀的性能得到大大增强。
本发明的目的之一是提供一种耐腐蚀性能优异的镍-铁基优质耐高温合金材料，按重量百分比计，所述合金材料包括以下元素组成：C 0.08～0.10％、Cr 11.35～11.65％、Mn 0.85～0.95％、Mo 2.85～3.85％、Al 1.55～2.45％、Nb 0.80～1.20％、Zr 0.15～0.25％、Ni 15.0～19.0％、以及余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明提供的耐高温材料具有上述元素组成，其是一种镍-铁基高温合金。以往的高温合金为了保证其耐高温性能和力学性能，往往选择添加多种元素进行力学性能的增强，常添加的元素有Co、Ti和B等，然而这类合金材料的力学性能在室温下的抗拉强度仅能达到700N/mm2，屈服强度仅为640N/mm2，伸长率略大于3％，其力学效果难以达到在苛刻条件下的使用标准。本发明从元素组成上进行了诸多调整，选择C元素含量为0.08～0.10％范围，并添加一定含量的Cr、Mn和Mo进行复配，在保证上述元素含量的基础上，最后采用Nb和Zr替代常用的Co、Ti和B等元素，在上述含量范围内制备成优质耐高温合金，大大提高了合金材料的力学性能，在室温下的抗拉强度可达到1020N/mm2，屈服强度可达到850N/mm2，伸长率大于5％；高温下的拉伸性能为：抗拉强度≥620N/mm2，屈服强度≥380N/mm2，伸长率大于5％；且其高温持久性能也获得了很好地提升，在应力240MPa、温度980℃下，持久断裂时间≥115小时。本发明很好解决了现有的高温合金材料力学性能无法满足苛刻条件的工作要求。
另一方面，针对现有的高温材料的耐化学介质腐蚀性能较差，本发明提供的上述优质高温合金材料，其中各元素的组成中，铬、铝、铌和锆的组合能够在合金中形成多层致密的氧化物保护膜结构，从而使得高温合金具备优良的耐腐蚀性能，该合金材料的耐酸腐蚀和耐碱腐蚀性能均得到大大增强，发生化学介质熔融的程度显著降低。
作为本发明一个优选的技术方案，按重量百分比计，所述合金材料包括以下元素组成：C 0.085～0.095％、Cr 11.45～11.55％、Mn0.88～0.92％、Mo 2.95～3.45％、Al1.75～2.15％、Nb 0.95～1.15％、Zr0.18～0.24％、Ni 16.0～18.0％、以及余量为Fe和不可避免的杂质。
作为本发明另一个优选的技术方案，按重量百分比计，所述合金材料包括以下元素组成：C 0.090％、Cr 11.50％、Mn 0.90％、Mo3.20％、Al 1.95％、Nb 1.05％、Zr 0.22％、Ni 17.0％、以及余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明所提供的镍-铁基优质耐高温合金材料具备很好的力学性能，同时其耐化学介质腐蚀性能也得到了显著提高，在上述提供的技术方案下，本发明的优质合金材料中不可避免的杂质包括：P≤0.015％、S≤0.010％、Si≤0.04％、Cu≤0.06％。本发明提供的优质耐高温合金材料，其杂质含量也得到了一定程度的降低，现有的高温合金材料中杂质的含量一般为：P≤0.025％、S≤0.015％、Mn≤0.15％、Si≤0.60％、Cu≤0.10％。
本发明的目的之二是提供上述镍-铁基优质耐高温合金材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)按各元素比例称量原料，将原料加入熔炼炉中进行初炼，初炼温度为1550～1580℃，于熔炼过程中加入石灰造渣，待原料熔清后进行除渣，得到钢液，将钢液浇注成自耗电极；
(2)将步骤(1)浇注得到的自耗电极进行重熔精炼，重熔成电渣锭；
(3)将步骤(2)所得电渣锭锻造后进行固溶热处理，然后制成所需棒材或型材；
(4)将步骤(3)所得棒材或型材进行退火热处理，然后冷却至室温，即得所需合金材料。
本发明的制备方法采用预先在熔炼钢液的过程中加入石灰造渣后再进行自耗电极的制备和重熔精炼，起到了很好的去除杂质的效果，能够更好地保证后续的锻造及热处理工艺，由于前期的除杂过程，再结合后期的锻造热处理工艺，很好地提高了合金材料的耐高温力学性能，另一方面，还使得所得合金材料的耐腐蚀性能大大提高。
进一步的，步骤(1)中所述石灰的用量为所述原料重量的3.2～3.8％。添加合适量的石灰进行造渣，一方面能够更好地控制熔炼过程，另一方面能够更精确地控制杂质含量，确保后续工艺的进行。
进一步的，步骤(2)中进行重熔精炼时，控制电极的熔融速度为3.2～4.0kg/min。电极的熔融速度对杂质的含量有一定影响，更为重要的是，在进行重熔和冷凝成电渣锭的过程中，材料的耐腐蚀性能能够得到更好地提升。
进一步的，步骤(2)中重熔精炼采用的重熔渣系组成为：CaF2:58％、Al2O3:22％、MgO:4％、SiO2:7％、B2O3:9％。采用该电渣重熔渣系，对去除钢液中的杂质能够起到很好的效果。
进一步的，步骤(3)中进行固溶热处理的操作为：将电渣锭加热至1230～1250℃，保温1.5～2小时。
进一步的，步骤(4)中进行退火热处理的操作为：将棒材或型材先冷却至室温，然后再加热至670～700℃，保温2～3小时。
采用上述热处理工艺，能够很好保证制备得到的合金材料的力学性能，并起到强化耐腐蚀性能的效果。
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力学性能和高温持久性能，耐高温性能极其优异，是一种优质合金材料，其在室温下的抗拉强度可达到1020N/mm2以上，屈服强度可达850N/mm2以上，伸长率大于5％；高温拉伸性能：抗拉强度≥620N/mm2，屈服强度≥380N/mm2，伸长率大于5％；高温持久性能：在应力240MPa、温度980℃下，持久断裂时间≥115小时；
(2)本发明提供的合金材料具有优良的耐腐蚀性能，其中，可耐受pH为2～5的强酸性溶液的腐蚀时间长达80小时，可耐受pH为10～12的强碱溶液腐蚀时间长达60小时，可耐受质量分数为35％的NaCl溶液腐蚀时间长达100小时；
(3)本发明提供的合金材料杂质含量较少，组分更易控制，制备工艺简单，适合推广使用。
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
一种耐腐蚀性能优异且耐高温性能好的优质合金，按重量百分比计，所述合金材料包括以下元素组成：C 0.08％、Cr 11.35％、Mn0.85％、Mo 2.85％、Al 1.55％、Nb0.80％、Zr 0.15％、Ni 15.0％、以及余量为Fe和不可避免的杂质。
上述合金材料的制备方法如下：
(1)按各元素比例称量原料，将原料加入熔炼炉中进行初炼，初炼温度为1550℃，于熔炼过程中加入石灰造渣，石灰的用量为所述原料总重量的3.2％，待原料熔清后进行除渣，得到钢液，将钢液浇注成自耗电极；
(2)将步骤(1)浇注得到的自耗电极进行重熔精炼，重熔成电渣锭，重熔渣系组成为：CaF2:58％、Al2O3:22％、MgO:4％、SiO2:7％、B2O3:9％，重熔过程中控制电极的熔融速度为3.2kg/min；
(3)将步骤(2)所得电渣锭锻造后加热至1230℃，保温1.5小时，然后制成所需棒材或型材；
(4)将步骤(3)所得棒材或型材先冷却至室温，然后加热至670℃下保温2小时，再水冷至室温，即得所需合金材料。
其中，制备得到的合金材料中，不可避免的杂质包括：P≤0.025％、S≤0.015％、Mn≤0.15％、Si≤0.60％、Cu≤0.10％。
实施例2
一种耐腐蚀性能优异且耐高温性能好的优质合金，按重量百分比计，所述合金材料包括以下元素组成：C 0.10％、Cr 11.65％、Mn0.95％、Mo 3.85％、Al 2.45％、Nb1.20％、Zr 0.25％、Ni 19.0％、以及余量为Fe和不可避免的杂质。
上述合金材料的制备方法如下：
(1)按各元素比例称量原料，将原料加入熔炼炉中进行初炼，初炼温度为1580℃，于熔炼过程中加入石灰造渣，石灰的用量为所述原料总重量的3.8％，待原料熔清后进行除渣，得到钢液，将钢液浇注成自耗电极；
(2)将步骤(1)浇注得到的自耗电极进行重熔精炼，重熔成电渣锭，重熔渣系组成为：CaF2:58％、Al2O3:22％、MgO:4％、SiO2:7％、B2O3:9％，重熔过程中控制电极的熔融速度为4.0kg/min；
(3)将步骤(2)所得电渣锭锻造后加热至1250℃，保温2小时，然后制成所需棒材或型材；
(4)将步骤(3)所得棒材或型材先冷却至室温，然后加热至700℃下保温3小时，再冷却至室温，即得所需合金材料。
其中，制备得到的合金材料中，不可避免的杂质包括：P≤0.025％、S≤0.015％、Mn≤0.15％、Si≤0.60％、Cu≤0.10％。
实施例3
一种耐腐蚀性能优异且耐高温性能好的优质合金，按重量百分比计，所述合金材料包括以下元素组成：C 0.085％、Cr 11.45％、Mn0.88％、Mo 2.95％、Al 1.75％、Nb0.95％、Zr 0.18％、Ni 16.0％、以及余量为Fe和不可避免的杂质。
上述合金材料的制备方法如下：
(1)按各元素比例称量原料，将原料加入熔炼炉中进行初炼，初炼温度为1560℃，于熔炼过程中加入石灰造渣，石灰的用量为所述原料总重量的3.4％，待原料熔清后进行除渣，得到钢液，将钢液浇注成自耗电极；
(2)将步骤(1)浇注得到的自耗电极进行重熔精炼，重熔成电渣锭，重熔渣系组成为：CaF2:58％、Al2O3:22％、MgO:4％、SiO2:7％、B2O3:9％，重熔过程中控制电极的熔融速度为3.5kg/min；
(3)将步骤(2)所得电渣锭锻造后加热至1235℃，保温1.6小时，然后制成所需棒材或型材；
(4)将步骤(3)所得棒材或型材先冷却至室温，然后加热至680℃下保温2.5小时，再冷却至室温，即得所需合金材料。
其中，制备得到的合金材料中，不可避免的杂质包括：P≤0.025％、S≤0.015％、Mn≤0.15％、Si≤0.60％、Cu≤0.10％。
实施例4
一种耐腐蚀性能优异且耐高温性能好的优质合金，按重量百分比计，所述合金材料包括以下元素组成：C 0.095％、Cr 11.55％、Mn0.92％、Mo 3.45％、Al 2.15％、Nb1.15％、Zr 0.24％、Ni 18.0％、以及余量为Fe和不可避免的杂质。
上述合金材料的制备方法如下：
(1)按各元素比例称量原料，将原料加入熔炼炉中进行初炼，初炼温度为1570℃，于熔炼过程中加入石灰造渣，石灰的用量为所述原料总重量的3.7％，待原料熔清后进行除渣，得到钢液，将钢液浇注成自耗电极；
(2)将步骤(1)浇注得到的自耗电极进行重熔精炼，重熔成电渣锭，重熔渣系组成为：CaF2:58％、Al2O3:22％、MgO:4％、SiO2:7％、B2O3:9％，重熔过程中控制电极的熔融速度为3.8kg/min；
(3)将步骤(2)所得电渣锭锻造后加热至1242℃，保温1.8小时，然后制成所需棒材或型材；
(4)将步骤(3)所得棒材或型材先冷却至室温，然后加热至685℃下保温2.7小时，再冷却至室温，即得所需合金材料。
其中，制备得到的合金材料中，不可避免的杂质包括：P≤0.025％、S≤0.015％、Mn≤0.15％、Si≤0.60％、Cu≤0.10％。
实施例5
一种耐腐蚀性能优异且耐高温性能好的优质合金，按重量百分比计，所述合金材料包括以下元素组成：C 0.090％、Cr 11.50％、Mn 0.90％、Mo 3.20％、Al 1.95％、Nb1.05％、Zr 0.22％、Ni 17.0％、以及余量为Fe和不可避免的杂质。
上述合金材料的制备方法如下：
(1)按各元素比例称量原料，将原料加入熔炼炉中进行初炼，初炼温度为1565℃，于熔炼过程中加入石灰造渣，石灰的用量为所述原料总重量的3.5％，待原料熔清后进行除渣，得到钢液，将钢液浇注成自耗电极；
(2)将步骤(1)浇注得到的自耗电极进行重熔精炼，重熔成电渣锭，重熔渣系组成为：CaF2:58％、Al2O3:22％、MgO:4％、SiO2:7％、B2O3:9％，重熔过程中控制电极的熔融速度为3.6kg/min；
(3)将步骤(2)所得电渣锭锻造后加热至1240℃，保温1.6小时，然后制成所需棒材或型材；
(4)将步骤(3)所得棒材或型材先冷却至室温，然后加热至685℃下保温2.5小时，再冷却至室温，即得所需合金材料。
其中，制备得到的合金材料中，不可避免的杂质包括：P≤0.025％、S≤0.015％、Mn≤0.15％、Si≤0.60％、Cu≤0.10％。
实验例1
对实施例1-5所得合金材料进行力学性能检测，包括室温拉伸性能、高温拉伸性能和高温持久性能，检测结果如下(表1-表3)：
表1室温(25℃)拉伸性能
表2高温(760±3℃)拉伸性能
表3高温(应力240MPa、温度980℃)持久性能
从上述结果可以看出，本发明制备得到的高温合金材料具有优异的耐高温性能，是一种优质合金。
实验例2
对实施例1-5所得合金材料进行耐腐蚀性能测试，分为耐酸性腐蚀、耐碱性腐蚀和耐盐腐蚀测试，测试方法均为：将合金试样放入坩锅中，并加入预先配制好的酸、碱或盐溶液，将合金试样淹没于溶液中，并放置1小时后取出，然后在760℃的静态空气下进行热腐蚀试验，隔一段时间后测定材料的抗蚀性能。
耐腐蚀性能测试结果表明：本发明实施例1-5提供的高温合金材料，均可耐受pH为2～5的强酸性溶液的腐蚀时间长达80小时，可耐受pH为10～12的强碱溶液的腐蚀时间长达60小时，可耐受质量分数为35％的NaCl溶液的腐蚀时间长达100小时，表现出了优异的耐化学介质腐蚀性能。

Claims (10)

1.一种耐腐蚀性能优异的镍-铁基优质耐高温合金材料，其特征在于，按重量百分比计，所述合金材料包括以下元素组成：C 0.08～0.10％、Cr 11.35～11.65％、Mn 0.85～0.95％、Mo 2.85～3.85％、Al 1.55～2.45％、Nb 0.80～1.20％、Zr 0.15～0.25％、Ni15.0～19.0％、以及余量为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的耐腐蚀性能优异的镍-铁基优质耐高温合金材料，其特征在于，按重量百分比计，所述合金材料包括以下元素组成：C 0.085～0.095％、Cr 11.45～11.55％、Mn 0.88～0.92％、Mo 2.95～3.45％、Al 1.75～2.15％、Nb 0.95～1.15％、Zr0.18～0.24％、Ni 16.0～18.0％、以及余量为Fe和不可避免的杂质。
3.根据权利要求2所述的耐腐蚀性能优异的镍-铁基优质耐高温合金材料，其特征在于，按重量百分比计，所述合金材料包括以下元素组成：C 0.090％、Cr 11.50％、Mn0.90％、Mo 3.20％、Al 1.95％、Nb 1.05％、Zr 0.22％、Ni 17.0％、以及余量为Fe和不可避免的杂质。
4.根据权利要求1-3任一项所述的镍-铁基优质耐高温合金材料，其特征在于，所述不可避免的杂质包括：P≤0.015％、S≤0.010％、Si≤0.04％、Cu≤0.06％。
5.一种如权利要求1-3任一项所述的耐腐蚀性能优异的镍-铁基优质耐高温合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按各元素比例称量原料，将原料加入熔炼炉中进行熔炼，熔炼温度为1550～1580℃，于熔炼过程中加入石灰造渣，待原料熔清后进行除渣，得到钢液，将钢液浇注成自耗电极；
(2)将步骤(1)浇注得到的自耗电极进行重熔精炼，重熔成电渣锭；
(3)将步骤(2)所得电渣锭锻造后进行固溶热处理，然后制成所需棒材或型材；
(4)将步骤(3)所得棒材或型材进行退火热处理，然后冷却至室温，即得所需合金材料。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述石灰的用量为所述原料重量的3.2～3.8％。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中进行重熔精炼时，控制电极的熔融速度为3.2～4.0kg/min。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中重熔精炼采用的重熔渣系组成为：CaF2:58％、Al2O3:22％、MgO:4％、SiO2:7％、B2O3:9％。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中进行固溶热处理的操作为：将电渣锭加热至1230～1250℃，保温1.5～2小时。
10.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中进行退火热处理的操作为：将棒材或型材先冷却至室温，然后再加热至670～700℃，保温2～3小时。
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