CN108796308B - 一种裂纹敏感性低、低密度、高强度镍基高温合金 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高温合金零部件增材制造及修复领域，具体为一种裂纹敏感性低、低密度、高强度镍基高温合金，该合金主要适用于高温合金零部件修复及中低温高温合金部件的增材制造。该合金组成成分构成和各成分的质量含量满足下述要求：Cr：9.0～11.0％，Co：9.0～11.0％，Mo：4.0～6.0％；Nb：3.0～5.0％，Al：3.0～5.0％，Ti：0.5～2.0％，Si：0～0.6％，C：0～0.02％，Hf：0.1～0.6％，其余为Ni。该合金不仅制备过程中裂纹敏感性低，还具有低密度、低成本、中低温强度高、抗氧化性优良等特点，适于增材制造高温合金零部件及修复高温合金零部件。
Description
技术领域：
本发明涉及高温合金零部件增材制造及修复领域，具体为一种裂纹敏感性低、低密度、高强度镍基高温合金，该合金主要适用于高温合金零部件修复及中低温高温合金部件的增材制造。
背景技术：
增材制造技术已成为复杂结构高温合金零部件最具潜力的制备及修复技术。在将增材制造技术推广到其他高性能高温合金时，发现虽然现有高性能高温合金种类繁多，但均是针对传统制备工艺(如：铸造、变形等)而研发的。增材制造技术成形过程与传统工艺完全不同，现有牌号的这些高性能高温合金在利用该技术制备零部件或修复损伤零部件时，所得显微组织和合金化特征与传统铸件、锻件等存在较大差异，极易产生裂纹等缺陷。目前，可用于增材制造的高温合金(如：IN625)，强度较低，不适合制备高温合金零部件，只能用于修复强度要求不高的区域，严重制约了增材制造技术向高性能高温合金领域的推广。鉴于此，人们期望获得一种增材制造过程中裂纹敏感性低、且强度优于IN625的高性能高温合金材料。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种裂纹敏感性低、低密度、高强度镍基高温合金，该合金适用于高温合金零部件增材制造及修复领域，制备过程中不易出裂纹，且密度低，力学性能显著优于现有IN625合金。
本发明的技术方案是：
一种裂纹敏感性低、低密度、高强度镍基高温合金，镍基高温合金的组成成分构成和各成分的质量含量满足下述要求：
Cr：9.0～11.0％，Co：9.0～11.0％，Mo：4.0～6.0％；Nb：3.0～5.0％，Al：3.0～5.0％，Ti：0.5～2.0％，Si：0～0.6％，C：0～0.02％，Hf：0.1～0.6％，其余为Ni。
所述的裂纹敏感性低、低密度、高强度镍基高温合金，镍基高温合金的组成成分构成和各成分的质量含量满足下述要求：
Cr：9.5～10.5％，Co：9.5～10.5％，Mo：4.5～5.7％；Nb：3.2～4.2％，Al：3.5～5.0％，Ti：1.0～2.0％，Si：0.2～0.5％，C：0.005～0.017％，Hf：0.3～0.5％，其余为Ni。
所述的裂纹敏感性低、低密度、高强度镍基高温合金，镍基高温合金中，杂质成分及含量满足下述要求：
O≤0.005，N≤0.002，S≤0.005，P≤0.015。
本发明合金(合金牌号取名为ZK401)的化学成分设计主要基于以下原因：
该合金为镍基高温合金，合金中含有Al、Ti、Nb等促进γ'强化相析出元素，Cr、Mo、Co等固溶强化元素，以及C、Si、Hf等晶界强化元素。
Cr元素在镍基高温合金中主要起固溶强化和抗氧化腐蚀的作用，还可以与C元素形成碳化物，起沉淀强化的作用。但合金中Cr元素含量过高会促进拓扑密排相(TCP相)的析出。为此，本发明合金中Cr元素的含量控制在9.0～11.0％。
Co元素与基体Ni能完全互溶，可扩大γ-Ni相区，在合金中起固溶强化的作用。Co还可以降低合金基体的层错能，提高合金的中温性能，改善合金成形性能和组织稳定性。为此，本发明合金中Co元素含量为9.0～11.0％。
Mo元素偏聚于基体，是固溶强化元素，增加γ/γ'两相的错配度，提高原子间结合力，促进位错网形成，有利于合金成形性能和力学性能。但是过量的Mo能够促进TCP有害相析出，且对合金抗氧化腐蚀性能不利。为此，本发明合金中Mo元素的含量控制在4.0～6.0％。
Nb元素主要强化γ'相，对合金的抗氧化腐蚀性能有害，过多的Nb还可促进TCP有害相的析出。为此，本发明合金中控制Nb含量在3.0～5.0％。
Al元素是形成γ'相的主要合金元素，合金中Al元素的含量直接决定了γ'相的体积分数。Al在高温下能形成致密的氧化膜，提高合金的抗氧化性。但Al含量过高，合金中γ'相就会较多，且促进枝晶间低熔点γ/γ'共晶的形成，不利于合金在增材制造过程中的成形。为此，本发明合金中Al元素的含量控制在3.0～5.0％。
Ti元素是形成γ'相的主要合金元素之一，可以替代γ'-Ni3Al中的Al原子，形成γ'-Ni3(Al,Ti)。Ti的加入还可以提高合金的抗热腐蚀性能，但对合金的抗氧化性能不利，也促进了合金中低熔点γ/γ'共晶的形成，损害合金增材制造过程中的成形性。为此，本发明合金中Ti元素的含量控制在1.0～2.0％。
Si元素有利于提高合金的抗氧化腐蚀性能，但是易与Nb形成脆性相Nb3Si，对合金力学性能不利。为此，本发明合金中Hf元素的含量控制在0～0.6％。
C元素是高温合金中应用最广泛的微量元素之一，可净化合金熔体(脱氧)，改善熔体的流动性。一定量的C也可以提高合金成形过程中的裂纹敏感性。C还可以强化晶界，形成碳化物，从而改善合金的力学性能。为此，本发明合金中C元素的含量控制在0～0.02％。
Hf元素在高温合金中可以强化γ'相，净化晶界，防止由S引起的晶界脆化，扩大固液相区间，提高合金熔体的流动性，降低合金凝固成形过程中的裂纹敏感性，从而改善合金的可铸性和可焊性。为此，本发明合金中Hf元素的含量控制在0.1～0.6％。
上述各元素的合理配比及合理的增材制造/修复工艺是使本合金获得良好综合性能的保证。
本发明的优点及有益效果是：
1.与现有增材制造及修复常用高温合金IN625相比，本发明的合金在成形过程中裂纹敏感性与其相当，密度低。
2.本发明合金的室温及中温拉伸性能优于IN625合金，室温拉伸强度＞900MPa，延伸率＞10.0％；650℃拉伸强度＞800MPa，延伸率＞10.0％；800℃拉伸强度＞680MPa，延伸率＞7.0％。
3.本发明合金的持久性能优于IN625合金，650℃/690MPa下持久寿命＞50h，800℃/400MPa下持久寿命＞25h。
4.本发明合金在800℃完全抗氧化。
附图说明：
图1为本发明合金典型的沉积态显微组织；其中，(a)纵剖面；(b)横剖面。
图2为本发明合金870℃/16h(空冷)热处理后显微组织；其中，(a)横剖面低倍SEM显微组织；(b)横剖面高倍SEM显微组织。
图3为本发明合金在800℃恒温氧化增重曲线。其中，横坐标Total exposure time代表氧化时间(h)；纵坐标Mass gain代表质量增重(mg/cm2)。
具体实施方式：
针对现有技术背景，本发明公布了一种裂纹敏感性低、低密度、高强度镍基高温合金。该合金在增材制造及修复过程中裂纹敏感性低(与IN625合金相当)，密度为8.15～8.20g/cm3(IN625合金密度为8.45g/cm3)，力学性能优于IN625合金。
在具体实施过程中，本发明所述镍基高温合金利用纯Ni、Cr、Co、Mo、Nb、Al、Ti、Si、Hf、C等元素在真空感应炉中熔炼，浇注成符合铸锭。然后通过雾化制粉设备或旋转电极设备制备成符合化学成分及粒度要求的合金粉末。增材制造的零部件在使用前需经过如下热处理工艺：温度840℃～870℃，时间15～20h，空冷至室温。
下面结合附图及实施例对本发明合金予以进一步详细说明，但并不因此而限制本方面。
本发明实施例1～5合金粉末成分如表1所示。各实施例首先采用真空感应炉将合金熔炼成铸锭，然后通过雾化制粉设备或旋转电极设备制备成符合化学成分及粒度要求的合金粉末，粉末粒度-80～+450目。粉末使用前经过100～200℃/1.5h的烘干处理。
表1本发明合金(实施例1～5)的化学成分(wt.％)
| 合金 | Cr | Co | Mo | Nb | Al | Ti | C | Si | Hf | Fe | Mn | Ni |
| 实施例1 | 10.0 | 9.8 | 4.9 | 3.7 | 3.5 | 1.0 | 0.011 | 0.46 | 0.40 | - | - | 余 |
| 实施例2 | 9.5 | 10.0 | 4.6 | 3.7 | 3.7 | 1.0 | 0.015 | 0.45 | 0.35 | - | - | 余 |
| 实施例3 | 9.5 | 10.5 | 5.0 | 3.9 | 3.7 | 1.2 | 0.010 | 0.50 | 0.37 | - | - | 余 |
| 实施例4 | 10.4 | 9.6 | 5.4 | 3.3 | 4.5 | 1.5 | 0.015 | 0.42 | 0.45 | - | - | 余 |
| 实施例5 | 10.5 | 9.5 | 5.7 | 4.0 | 4.0 | 1.6 | 0.011 | 0.45 | 0.40 | - | - | 余 |
| IN625 | 20.6 | - | 8.77 | 3.7 | - | - | 0.01 | 0.45 | - | 0.91 | 0.25 | 余 |
实施例1～5中，杂质成分及含量满足下述要求：O≤0.005，N≤0.002，S≤0.005，P≤0.015。
利用CO2激光同轴送粉增材制造设备，按照规划好的路径，进行增材制造。成形过程中，所采用的激光功率1000～1500w，激光光斑直径1.0～1.2mm，保护气体氩气压强为0.10～0.13MPa，光束扫描速度为800～1200mm/min，送粉量1～3g/min，道次搭接率40～50％。
增材制造试样经过870℃/16h(空冷)热处理后进行性能试样加工及性能测试。
本发明实施例1合金沉积态和热处理态的显微组织如图1～2所示。
本发明实施例1和实施例2合金密度测量值分别为8.17g/cm3和8.18g/cm3，均低于IN625合金的密度8.45g/cm3。
本发明实施例3合金室温及中高温拉伸性能如表2所示。
表2本发明实施例3合金室温及中高温拉伸性能
本发明实施例4合金持久性能如表3所示。
表3本发明实施例4合金持久性能
本发明实施例5合金800℃恒温氧化增重曲线如图3所示，其800℃/100h的氧化增重速率k'为0.007g/m2·h，远小于0.1g/m2·h，属于完全抗氧化级。
实施例结果表明，本发明合金不仅制备过程中裂纹敏感性低，还具有低密度、低成本、中低温强度高、抗氧化性优良等特点，适于增材制造高温合金零部件及修复高温合金零部件。
Claims (1)
1.一种裂纹敏感性低、低密度、高强度镍基高温合金的应用，其特征在于：镍基高温合金的组成成分构成和各成分的质量含量满足下述要求：
Cr：9.5～10.5％，Co：9.5～10.5％，Mo：4.5～5.7％；Nb：3.2～4.2％，Al：3.5～5.0％，Ti：1.0～2.0％，Si：0.2～0.5％，C：0.005～0.017％，Hf：0.3～0.5％，其余为Ni；
镍基高温合金的密度为8.15～8.20g/cm3；
镍基高温合金中，杂质成分及含量满足下述要求：
O≤0.005，N≤0.002，S≤0.005，P≤0.015；
利用CO2激光同轴送粉增材制造设备，进行增材制造；成形过程中，所采用的激光功率1000～1500w，激光光斑直径1.0～1.2mm，保护气体氩气压强为0.10～0.13MPa，光束扫描速度为800～1200mm/min，送粉量1～3g/min，道次搭接率40～50％；增材制造的零部件在使用前经过如下热处理工艺：温度840℃～870℃，时间15～20h，空冷至室温。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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