CN108374108A - 一种高强度高耐腐蚀性含铊系镍基高温合金及其制备方法 - Google Patents

一种高强度高耐腐蚀性含铊系镍基高温合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及镍基高温合金领域，具体涉及一种高强度高耐腐蚀性含铊系镍基高温合金及其制备方法。本发明制备的镍基高温合金以重量百分比计，所述合金包括：Cr：8～11％；Tl：4.5～6％；Fe：16～18％；Mo：11～17％；C：0.01～0.025％；Al：1.5～2％；Cu：4～6％；Nb：0.01～0.25％；余量为Ni和不可避免的杂质；本发明极大地提高了镍基高温合金的强度，将其抗拉强度提升至1520MPa、屈服强度提升至950MPa、伸长率提升至32.5％，并极大提高了镍基高温合金的抗腐蚀性，其在600℃下的年均腐蚀速率可以降低至‑3.91x10‑3mm/yr，具有显著的效果。

Description

一种高强度高耐腐蚀性含铊系镍基高温合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及含钇镍基高温合金领域，具体涉及一种高强度高耐腐蚀性含铊系镍基高温合金及其制备方法。
背景技术
随着科学技术的进步，航空发动机效率与推力都在不断地提高；近年来，航空发动机用涡轮叶片材料的温度每年约以8℃的速度稳定增长，发动机性能的增长也为发动机金属材料的性能也提出了更高的要求，因此如何满足日益增长的叶片材料的性能需求是高温合金领域的一个重要的研究课题。
镍基高温合金是30年代后期开始研制的；镍本身是一种多功能的耐腐蚀材料，有着卓越的特性，镍基合金比铁基合金与钴基合金都有更高的高温强度；但由于涡轮叶片工作温度的提高，要求合金有更高的强度，而航空发动机用的涡轮叶片不仅要有更高的强度，更要有优异耐腐蚀性能。这是由于航空喷气发动机燃气中存在大量的氧、水气，并存在二氧化硫、硫化氢等腐蚀性气体，对高温零件起着极强的氧化和腐蚀作用，并且由于震动、气流的冲刷，其部件必须要承受较大的应力；而应力幅值越大对合金材料的强度要求就会越高，否则将会造成金属构件的断裂，不仅损害经济价值，并且造成安全隐患。因此提供一种高强度、耐腐蚀的镍基合金是十分必要的。
发明内容
为了解决以上的问题，本发明的目的在于可以提供一种抗压强度提升至1520MPa，屈服强度提升至950MPa，伸长率提升至32.5％，并且将其耐腐蚀性也进行大幅度提升的一种镍基高温合金。
本发明公开了一种高强度高耐腐蚀性含铊系镍基高温合金，以百分比计，所述合金包括：Cr：8～11％；Tl：4.5～6％；Fe：16～18％；Mo：11～17％；C：0.01～0.025％；Al：1.5～2％；Cu：4～6％；Nb：0.01～0.25％；余量为Ni和不可避免的杂质。
为了提高镍基合金的强度与耐腐蚀的性能，发明人对镍基合金的元素配比进行了深入的研究，现有的技术在组分中采用多种强化元素以提高金属的强度，然而不同的元素与不同的比例究竟会对镍基合金的性能有什么样的影响，能否将合金强度提高到发明人所期望的标准，发明人无从得知。
进一步的是，现有发明少见利用铊元素对合金组分进行配比，以解决合金的强度与耐腐蚀性的问题的，本案发明人尝试通过铊元素进行金属复配对镍基合金的硬度与抗腐蚀性进行提高；最终发现4.5～6％的铊的技术效果为最佳，如本发明具体实施方式中表1所示，如果将“铊”元素进行替换或将其比例进行调整，无论比例或高或低均难以获得本发明的技术效果。
优选的是，以百分比计，所述合金包括：Cr：8.5～10.5％；Tl：4.5～5.5％；Fe：16.5～17.5％；Mo：12.5～15.5％；C：0.01～0.025％；Al：1.5～1.75％；Cu：4.5～5.5％；Nb：0.01～0.25％；余量为Ni和不可避免的杂质。
优选的是，以百分比计，所述合金包括：Cr：9.8％；Tl：4.25％；Fe：16.8％；Mo：13.25％；C：0.02％；Al：1.55％；Cu：4.95％；Nb：0.15％；余量为Ni和不可避免的杂质。
进一步的，所述不可避免的杂质包括：P≤0.002％、S≤0.002％。本发明制备的合金杂质含量显著降低。
本发明还公开了一种制备如权利要求1-4的镍基高温合金的制备方法，所述方法包括：
(1)按组分比例称量原料，然后在真空感应炉进行熔炼，保证一定熔炼温度，熔炼后浇筑成自耗电极；
(2)将步骤(1)所得的自耗电极在真空自耗炉进行五元渣系重熔精炼，精炼后强制冷却重熔成电渣锭，所述精炼温度为1380～1400℃，所述精炼的时间为：10～14分钟；所述冷却温度为38～43℃；
(3)对步骤(2)所得的电渣锭加热至1200～1220℃，保温5.5～6.5小时，保证开锻温度，保证停锻温度；
(4)锻后空冷至室温，再进行表面处理；
(5)热处理后即制得所述合金材料。
本发明通过以上制备方法研发了具有能够达到抗拉强度可达1520MPa、屈服强度可达950MPa的镍基合金，本发明通过五元电渣重熔与热处理工艺，将镍基合金的非金属杂物进行控制，制备的镍基合金材料纯度高，表面材质好，内部均匀，强度极高，并将耐腐蚀性进行了极大的改善，如对比例3、对比例4所示，若本发明不经过以上工艺，则品质会受到极大影响。
并且发明人还发现，如果本发明中的步骤(1)中的熔炼时间调整到低于30分钟或者高于40分钟，将炉内真空气压调至低于0.01pa或高于0.1pa；或将步骤(2)的精炼温度调整到低于1600℃或高于1680℃，将精炼时间缩短或者延长均会对合金的韧性与抗疲劳性有不良影响。
优选的是，所述步骤(1)的熔炼温度为：1480～1490℃。
优选的是，所述步骤(2)的五元电渣重熔体系为：CaF2:56～59％、Al2O3:20～22％、CaO:15～17％、MgO:4～7％、SiO2:3～6％；
优选的是，所述步骤(3)的开锻温度为：≥1010℃；停锻温度为≥980℃。
优选的是，所述步骤(5)中热处理的步骤为：
(a)将合金材料加热至1200～1230℃，保温5小时，至室温；
(b)将步骤(a)得到的合金材料加热至780～820℃，保温3小时，冷至室温；
(c)将步骤(b)得到的合金材料加热至800～815℃，保温18小时，冷至室温。
进一步的是，所述步骤(a)、步骤(b)、步骤(c)的冷却方式为空冷或水冷中的一种。
有益效果
1.本发明极大地提高了镍基高温合金的强度，将其抗拉强度提升至1520MPa、屈服强度提升至950MPa、伸长率提升至32.5％，使该合金的强度取得了极佳的效果，并且合金表面光滑，内部均匀，杂质含量低。
2.本发明极大地提高了镍基高温合金的抗腐蚀性，其在600℃下的，年均腐蚀速率可以降低至-3.91x10-3mm/yr，具有极佳的高温抗腐蚀性能。
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
一种高强度高耐腐蚀性含铊系镍基高温合金，其特征在于，以百分比计，所述合金包括：Cr：8％；Tl：4.5％；Fe：16％；Mo：11％；C：0.01％；Al：1.5％；Cu：4％；Nb：0.01％；余量为Ni和不可避免的杂质。
上述合金材料的制备方法如下：
(1)按组分比例称量原料，然后在真空感应炉进行熔炼，保证熔炼温度为1480℃，熔炼后浇筑成自耗电极；
(2)将步骤(1)所得的自耗电极在真空自耗炉进行五元渣系重熔精炼，五元电渣重熔体系为：CaF2:56％、Al2O3:20％、CaO:15％、MgO:4％、SiO2:3％；精炼后强制冷却重熔成电渣锭，所述精炼温度为1380℃，所述精炼的时间为：10分钟；所述冷却温度为38℃；
(3)对步骤(2)所得的电渣锭加热至1200℃，保温5.5小时，保证开锻温度为1020℃，保证停锻温度为1000℃；
(4)锻后空冷至室温，再进行表面处理；
(5)经过热处理后即制得所述合金材料，所述热处理的步骤为：
(a)将合金材料加热至1200℃，保温5小时，冷至室温；
(b)将步骤(a)得到的合金材料加热至780℃，保温3小时，水冷至室温；
(c)将步骤(b)得到的合金材料加热至800℃，保温18小时，空冷至室温。
实施例2
一种高强度高耐腐蚀性含铊系镍基高温合金，其特征在于，以百分比计，所述合金包括：Cr：11％；Tl：6％；Fe：18％；Mo：17％；C：0.025％；Al：2％；Cu：6％；Nb：0.25％；余量为Ni和不可避免的杂质。
上述合金材料的制备方法如下：
(1)按组分比例称量原料，然后在真空感应炉进行熔炼，保证熔炼温度为1490℃，熔炼后浇筑成自耗电极；
(2)将步骤(1)所得的自耗电极在真空自耗炉进行五元渣系重熔精炼，五元电渣重熔体系为：CaF2:59％、Al2O3:2％、CaO:17％、MgO:7％、SiO2:6％；精炼后强制冷却重熔成电渣锭，所述精炼温度为1400℃，所述精炼的时间为：14分钟；所述冷却温度为43℃；
(3)对步骤(2)所得的电渣锭加热至1220℃，保温6.5小时，保证开锻温度为1040℃，保证停锻温度为1020℃；
(4)锻后空冷至室温，再进行表面处理；
(5)经过热处理后即制得所述合金材料，所述热处理的步骤为：
(a)将合金材料加热至1230℃，保温5小时，冷至室温；
(b)将步骤(a)得到的合金材料加热至820℃，保温3小时，水冷至室温；
(c)将步骤(b)得到的合金材料加热至815℃，保温18小时，空冷至室温。
实施例3
一种高强度高耐腐蚀性含铊系镍基高温合金，其特征在于，以百分比计，所述合金包括：Cr：9.8％；Tl：4.25％；Fe：16.8％；Mo：13.25％；C：0.02％；Al：1.55％；Cu：4.95％；Nb：0.15％；余量为Ni和不可避免的杂质。
上述合金材料的制备方法如下：
(1)按组分比例称量原料，然后在真空感应炉进行熔炼，保证熔炼温度为1485℃，熔炼后浇筑成自耗电极；
(2)将步骤(1)所得的自耗电极在真空自耗炉进行五元渣系重熔精炼，五元电渣重熔体系为：CaF2:58％、Al2O3:21％、CaO:16％、MgO:6％、SiO2:4.5％；精炼后强制冷却重熔成电渣锭，所述精炼温度为1390℃，所述精炼的时间为：12分钟；所述冷却温度为40℃；
(3)对步骤(2)所得的电渣锭加热至1210℃，保温6小时，保证开锻温度为1030℃，保证停锻温度为1010℃；
(4)锻后空冷至室温，再进行表面处理；
(5)经过热处理后即制得所述合金材料，所述热处理的步骤为：
(a)将合金材料加热至1220℃，保温5小时，冷至室温；
(b)将步骤(a)得到的合金材料加热至800℃，保温3小时，水冷至室温；
(c)将步骤(b)得到的合金材料加热至810℃，保温18小时，空冷至室温。
对比例1
所述组分与实施例1相同，但将铊替换为钛。制备方法与实施例1相同。
对比例2
所述组分与实施例2相同，但将铊的比例调整为4％。
对比例3
所述组分与实施例3相同，但冶炼过程中将不进行电渣重熔。
对比例4
所述组分与实施例3相同，但冶炼过程中将不进行热处理。
对比例5
所述组分与实施例1相同，但为四元重熔体系：CaF2:58％、Al2O3:21％、CaO:16％、MgO:6％。
对比例6
所述组分与实施例2相同，但热处理工艺不包括步骤(a)。
实验例1
对实施例所得高温合金材料进行检测，包括高温力学性能，测试所得结果如表1所示。
表1 高温(800℃)下力学性能
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高温强度性能。
实验例2
在600℃，50MPa，pH为5的环境下，利用添加有双氧水与30wt％Nacl的混合溶液分别对本发明制得的实施例1-3与对比例1-6进行800h的挂片实验，各合金的年均腐蚀速率(mm/yr)如下：
表2 600℃下的年均腐蚀速率：
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抗腐蚀性能。

Claims (10)

1.一种高强度高耐腐蚀性含铊系镍基高温合金，其特征在于，以重量百分比计，所述合金包括：Cr：8～11％；Tl：4.5～6％；Fe：16～18％；Mo：11～17％；C：0.01～0.025％；Al：1.5～2％；Cu：4～6％；Nb：0.01～0.25％；余量为Ni和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种高强度高耐腐蚀性含铊系镍基高温合金，其特征在于，以重量百分比计，所述合金包括：Cr：8.5～10.5％；Tl：4.5～5.5％；Fe：16.5～17.5％；Mo：12.5～15.5％；C：0.01～0.025％；Al：1.5～1.75％；Cu：4.5～5.5％；Nb：0.01～0.25％；余量为Ni和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的一种高强度高耐腐蚀性含铊系镍基高温合金，其特征在于，以重量百分比计，所述合金包括：Cr：9.8％；Tl：4.25％；Fe：16.8％；Mo：13.25％；C：0.02％；Al：1.55％；Cu：4.95％；Nb：0.15％；余量为Ni和不可避免的杂质。
4.根据权利要求1所述的一种高强度高耐腐蚀性含铊系镍基高温合金，其特征在于，所述不可避免的杂质包括：P≤0.002％、S≤0.002％。
5.一种制备如权利要求1-4的镍基高温合金的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
(1)按组分比例称量原料，然后在真空感应炉进行熔炼，保证一定熔炼温度，熔炼后浇筑成自耗电极；
(2)将步骤(1)所得的自耗电极在真空自耗炉进行五元渣系重熔精炼，精炼后强制冷却重熔成电渣锭，所述精炼温度为1380～1400℃，所述精炼的时间为：10～14分钟；所述冷却温度为38～43℃；
(3)对步骤(2)所得的电渣锭加热至1200～1220℃，保温5.5～6.5小时，保证开锻温度，保证停锻温度；
(4)锻后空冷至室温，再进行表面处理；
(5)热处理后即制得所述合金材料。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)的熔炼温度为：1480～1490℃。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)的五元电渣重熔体系为：CaF2:56～59％、Al2O3:20～22％、CaO:15～17％、MgO:4～7％、SiO2:3～6％。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)的开锻温度为：≥1010℃；停锻温度为≥980℃。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中热处理的步骤为：
(a)将合金材料加热至1200～1230℃，保温5小时，冷至室温；
(b)将步骤(a)得到的合金材料加热至780～820℃，保温3小时，冷至室温；
(c)将步骤(b)得到的合金材料加热至800～815℃，保温18小时，冷至室温。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(a)、步骤(b)、步骤(c)的冷却方式为空冷或水冷中的一种。
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