CN108411162A - 一种高力学性能及低杂质含量的耐高温合金材料 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种镍基耐高温合金材料，属于高温合金材料技术领域。所述耐高温合金材料按重量百分比计，包括以下元素组成：C0.07～0.11％、Cr 11.05～11.95％、Mo 2.75～3.75％、Al 1.65～2.25％、Nb 0.80～1.20％、Mg 0.015～0.025％、Fe 14.0～18.0％、以及余量为Ni和不可避免的杂质，所述杂质包括：P≤0.0085％、S≤0.0075％、Si≤0.02％、Cu≤0.04％。本发明提供的耐高温合金材料具备优异的力学性能和高温持久性能，而且该合金材料的杂质含量较低，具备很好地应用前景，适合推广使用。

Description

一种高力学性能及低杂质含量的耐高温合金材料
技术领域
本发明涉及一种高温合金材料，具体涉及一种具有高力学性能和低杂质含量的耐高温合金材料。
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有时高达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，由于人们在发展科技的同时，越来越注意到对合金材料中杂质元素的控制，由于合金中杂质元素含量较高会对合金性能产生较大影响，而现有的高温合金材料中杂质的含量仍然无法降到理想的标准，因此如何降低高温合金材料中杂质元素的含量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耐高温合金材料，该高温材料能够具备优良的力学性能效果，与现有的同类高温材料产品相比，其抗拉强度和屈服强度均得到大幅度提升，且该合金材料在高温下的持久性能也极其优异。
本发明的目的之一是提供一种高力学性能镍基耐高温合金材料，按重量百分比计，所述镍基耐高温合金材料包括以下元素组成：C 0.07～0.11％、Cr 11.05～11.95％、Mo2.75～3.75％、Al 1.65～2.25％、Nb 0.80～1.20％、Mg 0.015～0.025％、Fe 14.0～18.0％、以及余量为Ni和不可避免的杂质。
本发明提供的耐高温合金材料具有上述元素组成，其是一种镍基高温合金。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0.07～0.11％范围，并添加一定含量的Cr和Mo进行复配，最后采用Nb和Mg替代常用的Co、Ti和B等元素，在上述含量范围内制备成耐高温合金，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970N/mm2，屈服强度可达到820N/mm2，伸长率大于5％；高温下的拉伸性能为：抗拉强度≥580N/mm2，屈服强度≥350N/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≥110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。
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 0.08～0.10％、Cr 11.35～11.65％、Mo 2.95～3.25％、Al 1.85～2.05％、Nb 0.90～1.10％、Mg 0.018～0.022％、Fe 15.0～17.0％、以及余量为Ni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 0.09％、Cr 11.45％、Mo 3.05％、Al 1.95％、Nb 1.00％、Mg 0.020％、Fe16.0％、以及余量为Ni和不可避免的杂质。
本发明所提供的镍基耐高温合金材料具备很好的力学性能，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，本发明的合金材料中不可避免的杂质包括：P≤0.0085％、S≤0.0075％、Si≤0.02％、Cu≤0.04％。这四类杂质含量与现有普遍使用的耐高温合金材料相比，其含量均得到了较大程度的降低，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基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1500～1520℃，得到钢液；在初炼钢液过程中分批加入石灰造渣，石灰的总重量为所述原料重量的2.5～3.0％，待原料熔清后，进行除渣；
(2)提高熔炼炉的温度至1540～1550℃进行二次熔炼，维持该温度下进行熔炼15～20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)所得电渣锭进行加热后，锻造制成所需棒材或型材；
(5)将步骤(4)所得棒材或型材进行固溶、时效热处理，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两次钢液熔炼工艺，并在钢液熔炼过程中通过分批加入石灰造渣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，而本发明的固溶热处理和时效热处理工艺能够保证制备得到的合金具有优良的力学性能和高温持久性能。
进一步的，步骤(1)中所述分批加入石灰造渣的操作如下：a)于加料前先在熔炼炉底部铺设一层石灰，石灰的铺设量为原料重量的1.2～1.5％；b)于熔炼过程中加入剩余量的石灰造渣。采用分批加入石灰造渣的工艺，能够更好地控制熔炼过程，使得熔炼过程中的杂质含量不易过高，从而利于后续的精炼除杂操作。
进一步的，步骤(3)中重熔精炼采用的重熔渣系组成为：CaF2:55％、Al2O3:18％、MgO:2％、SiO2:5％、B2O3:20％。采用该电渣重熔渣系，对去除钢液中的杂质起到很好的效果。
进一步的，步骤(4)中进行加热的操作为：将电渣锭加热至1180～1190℃，保温1～1.5小时。
进一步的，步骤(5)中进行时效热处理的操作为：将棒材或型材先冷却至室温，然后再加热至900～920℃，保温12～15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。
进一步的，步骤(5)中所述冷却的方式包括水冷或空冷。
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，其在室温下的抗拉强度可达到970N/mm2以上，屈服强度可达820N/mm2以上，伸长率大于5％；高温拉伸性能：抗拉强度≥580N/mm2，屈服强度≥350N/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≥110小时；
(2)本发明提供的合金材料杂质含量较低，其中，P≤0.0085％、S≤0.0075％、Si≤0.02％、Cu≤0.04％；与现有高温合金材料相比，杂质含量大大下降；
(3)本发明提供的合金材料元素组成较少，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
一种具有高力学性能及低杂质含量的耐高温合金材料，按重量百分比计，其元素组成包括：C 0.07％、Cr 11.05％、Mo 2.75％、Al 1.65％、Nb 0.80％、Mg 0.015％、Fe14.0％、以及余量为Ni和不可避免的杂质。
上述合金材料的制备方法如下：
(1)按各元素比例称量原料，将原料加入熔炼炉中进行熔融初炼，初炼温度为1500℃，得到钢液；在初炼钢液过程中分批加入石灰造渣，石灰的总重量为所述原料重量的2.5％，分批造渣的工艺为：a)于加料前先在熔炼炉底部铺设一层石灰，石灰的铺设量为原料重量的1.2％；b)于熔炼过程中加入剩余量的石灰造渣；待原料熔清后，进行除渣；
(2)提高熔炼炉的温度至1540℃进行二次熔炼，维持该温度下进行熔炼15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，重熔渣系的组成为：CaF2:55％、Al2O3:18％、MgO:2％、SiO2:5％、B2O3:20％；
(4)将步骤(3)所得电渣锭进行加热，其操作为：将电渣锭加热至1180℃，保温1小时；然后制成所需棒材；
(5)将步骤(4)所得棒材进行时效热处理，其操作为：将棒材先水冷至室温，然后再加热至900℃，保温12小时然后水冷至室温，即得所述合金材料。
其中，制备得到的合金材料中，不可避免的杂质包括：P 0.0085％、S 0.0015％、Si0.02％、Cu 0.04％，可见，本发明的高温合金材料中杂质含量较低。
实施例2
一种具有高力学性能及低杂质含量的耐高温合金材料，按重量百分比计，其元素组成包括：C 0.11％、Cr 11.95％、Mo 3.75％、Al 2.25％、Nb 1.20％、Mg 0.025％、Fe18.0％、以及余量为Ni和不可避免的杂质。
上述合金材料的制备方法如下：
(1)按各元素比例称量原料，将原料加入熔炼炉中进行熔融初炼，初炼温度为1520℃，得到钢液；在初炼钢液过程中分批加入石灰造渣，石灰的总重量为所述原料重量的3.0％，分批造渣的工艺为：a)于加料前先在熔炼炉底部铺设一层石灰，石灰的铺设量为原料重量的1.5％；b)于熔炼过程中加入剩余量的石灰造渣；待原料熔清后，进行除渣；
(2)提高熔炼炉的温度至1550℃进行二次熔炼，维持该温度下进行熔炼20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，重熔渣系的组成为：CaF2:55％、Al2O3:18％、MgO:2％、SiO2:5％、B2O3:20％；
(4)将步骤(3)所得电渣锭进行加热，其操作为：将电渣锭加热至1190℃，保温1.5小时；然后制成所需型材；
(5)将步骤(4)所得型材进行时效热处理，其操作为：将型材先水冷至室温，然后再加热至920℃，保温15小时然后冷却至室温，即得所述合金材料。
其中，制备得到的合金材料中，不可避免的杂质包括：P 0.0081％、S 0.0011％、Si0.018％、Cu 0.038％，可见，本发明的高温合金材料中杂质含量较低。
实施例3
一种具有高力学性能及低杂质含量的耐高温合金材料，按重量百分比计，其元素组成包括：C 0.08％、Cr 11.35％、Mo 2.95％、Al 1.85％、Nb 0.90％、Mg 0.018％、Fe15.0％、以及余量为Ni和不可避免的杂质。
上述合金材料的制备方法如下：
(1)按各元素比例称量原料，将原料加入熔炼炉中进行熔融初炼，初炼温度为1510℃，得到钢液；在初炼钢液过程中分批加入石灰造渣，石灰的总重量为所述原料重量的2.8％，分批造渣的工艺为：a)于加料前先在熔炼炉底部铺设一层石灰，石灰的铺设量为原料重量的1.3％；b)于熔炼过程中加入剩余量的石灰造渣；待原料熔清后，进行除渣；
(2)提高熔炼炉的温度至1545℃进行二次熔炼，维持该温度下进行熔炼18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，重熔渣系的组成为：CaF2:55％、Al2O3:18％、MgO:2％、SiO2:5％、B2O3:20％；
(4)将步骤(3)所得电渣锭进行加热，其操作为：将电渣锭加热至1185℃，保温1.2小时；然后制成所需棒材；
(5)将步骤(4)所得棒材进行时效热处理，其操作为：将棒材先空冷至室温，然后再加热至910℃，保温13小时然后冷却至室温，即得所述合金材料。
其中，制备得到的合金材料中，不可避免的杂质包括：P 0.0078％、S≤0.0009％、Si≤0.013％、Cu≤0.036％，可见，本发明的高温合金材料中杂质含量较低。
实施例4
一种具有高力学性能及低杂质含量的耐高温合金材料，按重量百分比计，其元素组成包括：C 0.10％、Cr 11.65％、Mo 3.25％、Al 2.05％、Nb 1.10％、Mg 0.022％、Fe17.0％、以及余量为Ni和不可避免的杂质。
上述合金材料的制备方法如下：
(1)按各元素比例称量原料，将原料加入熔炼炉中进行熔融初炼，初炼温度为1515℃，得到钢液；在初炼钢液过程中分批加入石灰造渣，石灰的总重量为所述原料重量的2.95％，分批造渣的工艺为：a)于加料前先在熔炼炉底部铺设一层石灰，石灰的铺设量为原料重量的1.45％；b)于熔炼过程中加入剩余量的石灰造渣；待原料熔清后，进行除渣；
(2)提高熔炼炉的温度至1547℃进行二次熔炼，维持该温度下进行熔炼16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，重熔渣系的组成为：CaF2:55％、Al2O3:18％、MgO:2％、SiO2:5％、B2O3:20％；
(4)将步骤(3)所得电渣锭进行加热，其操作为：将电渣锭加热至1182℃，保温1.1小时；然后制成所需棒材；
(5)将步骤(4)所得棒材进行时效热处理，其操作为：将棒材先空冷至室温，然后再加热至911℃，保温11.5小时然后空冷至室温，即得所述合金材料。
其中，制备得到的合金材料中，不可避免的杂质包括：P 0.0076％、S 0.0012％、Si0.014％、Cu 0.035％，可见，本发明的高温合金材料中杂质含量较低。
实施例5
一种具有高力学性能及低杂质含量的耐高温合金材料，按重量百分比计，其元素组成包括：C 0.09％、Cr 11.45％、Mo 3.05％、Al 1.95％、Nb 1.00％、Mg 0.020％、Fe16.0％、以及余量为Ni和不可避免的杂质。
上述合金材料的制备方法如下：
(1)按各元素比例称量原料，将原料加入熔炼炉中进行熔融初炼，初炼温度为1508℃，得到钢液；在初炼钢液过程中分批加入石灰造渣，石灰的总重量为所述原料重量的2.65％，分批造渣的工艺为：a)于加料前先在熔炼炉底部铺设一层石灰，石灰的铺设量为原料重量的1.30％；b)于熔炼过程中加入剩余量的石灰造渣；待原料熔清后，进行除渣；
(2)提高熔炼炉的温度至1542℃进行二次熔炼，维持该温度下进行熔炼17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，重熔渣系的组成为：CaF2:55％、Al2O3:18％、MgO:2％、SiO2:5％、B2O3:20％；
(4)将步骤(3)所得电渣锭进行加热，其操作为：将电渣锭加热至1183℃，保温1.4小时；然后制成所需棒材或型材；
(5)将步骤(4)所得棒材或型材进行时效热处理，其操作为：将棒材或型材先水冷至室温，然后再加热至915℃，保温13.2小时然后空冷至室温，即得合金材料。
其中，制备得到的合金材料中，不可避免的杂质包括：P 0.0063％、S≤0.0008％、Si≤0.011％、Cu≤0.030％，可见，本发明的高温合金材料中杂质含量较低。
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力学性能和高温持久性能。

Claims (10)

1.一种高力学性能镍基耐高温合金材料，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 0.07～0.11％、Cr 11.05～11.95％、Mo 2.75～3.75％、Al 1.65～2.25％、Nb 0.80～1.20％、Mg 0.015～0.025％、Fe 14.0～18.0％、以及余量为Ni和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的高力学性能镍基耐高温合金材料，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％、Mo 2.95～3.25％、Al 1.85～2.05％、Nb 0.90～1.10％、Mg 0.018～0.022％、Fe 15.0～17.0％、以及余量为Ni和不可避免的杂质。
3.根据权利要求2所述的高力学性能镍基耐高温合金材料，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 0.09％、Cr 11.45％、Mo 3.05％、Al 1.95％、Nb1.00％、Mg 0.020％、Fe 16.0％、以及余量为Ni和不可避免的杂质。
4.根据权利要求1-3任一项所述的高力学性能镍基耐高温合金材料，其特征在于，所述不可避免的杂质包括：P≤0.0085％、S≤0.0075％、Si≤0.02％、Cu≤0.04％。
5.一种如权利要求1-3任一项所述的高力学性能镍基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初炼，初炼温度为1500～1520℃，得到钢液；在初炼钢液过程中分批加入石灰造渣，石灰的总重量为所述原料重量的2.5～3.0％，待原料熔清后，进行除渣；
(2)提高熔炼炉的温度至1540～1550℃进行二次熔炼，维持该温度下进行熔炼15～20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)所得电渣锭进行加热后锻造，制成所需棒材或型材；
(5)将步骤(4)所得棒材或型材进行固溶、时效热处理，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)中所述分批加入石灰造渣的操作如下：a)于加料前先在熔炼炉底部铺设一层石灰，石灰的铺设量为原料重量的1.2～1.5％；b)于熔炼过程中加入剩余量的石灰造渣。
7.根据权利要求5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：CaF2:55％、Al2O3:18％、MgO:2％、SiO2:5％、B2O3:20％。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中进行加热的操作为：将电渣锭加热至1180～1190℃，保温1～1.5小时。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(5)中进行时效热处理的操作为：将棒材或型材先冷却至室温，然后再加热至900～920℃，保温12～15小时。
10.根据权利要求5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。
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