CN1100890C - 高温高强度奥氏体抗氧化腐蚀高温合金 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种Fe-Ni-Cr-Al系高铝高强度奥氏体抗氧化腐蚀高温合金，由Ni34～46，Cr15～23，Al2.5～8，强化元素0.2～5和至少一种附加元素构成。强化元素为Co、Mo、W和Nb，可一种或几种同时加入，附加合金元素及其重量百分数组成为C 0～0.3，Si 0～2.5，Ti 0～2.5，Y 0～0.5，B 0～0.2，RE 0～0.6，其余为Fe。本发明的合金能在高达1200～1310℃高温下长期使用，最高使用温度为1360℃，同时还具有很高的高温强度。
Description
本发明涉及一种高强度奥氏体抗氧化腐蚀高温合金材料，属新材料和冶金技术领域。
镍基或镍铁基高温抗氧化合金含有大量的镍形成高温奥氏体，以保证材料在高温下有良好的塑性和强度，同时均含有约20％的铬，以使其在金属表面形成致密的Cr2O3保护层，国内外典型合金有GH30、GH39、GH140、Inconel600、Inconel601等。但是当使用温度大于1150～1200℃时，Cr2O3剥落严重，故上述高温合金最高使用温度低于1200℃。
后来，人们研究发现，Al2O3保护层具有比Cr2O3保护层更佳的抗氧化腐蚀能力，当温度在1200～1300℃以上时，Al2O3保护层仍不易剥落。根据此原理，80年代以来，国外研制出两种使用温度超过1200℃的高温抗氧化腐蚀高温合金，即美国的Alloy214(76Ni-16Cr-4Al-3Fe)和前苏联的Э∏747(35Fe-45Ni-17Cr-3Al)国内在94年研制出一种能在1200～1300℃的耐高温氧化腐蚀合金3YC52(48Ni-28Fe-18Cr-6Al)。上述三种合金来源分别是Oxid Met，1989，31(2)：145；ЖАРО∏РОЧНЫЕСТАЛИЦС∏ЛАВЫ1983，180～182；94秋季中国材料研讨会会议论文集，第III卷新型材料及表面技术，470～475。上述三种合金为国内外目前能在1200～1300℃使用的耐氧化腐蚀高温合金，其中3YC52性能最优，体现在最高使用温度和高温强度。
但是，上述能在大于1200℃使用的耐氧化腐蚀高温合金仍存在两个主要缺点：一是上述合金的高温强度较低，极大的限制了使用领域，如在一些要求较高高温强度的使用场合(高温抗氧化模具、风力较大的高温热风炉、强度要求较高的高温构件等)；二是上述合金均含有大量的金属镍，成本很高，而且，由于含碳量很低，必须使用金属铬，从而使成本进一步提高，这样从成本考虑也限制了材料的使用范围，如难以在许多工业用热处理炉用辐射管上代替现在普遍使用的Cr25Ni20、Cr25Ni35、Cr25Ni45等合金。
本发明的目的是获得一种同时具有高温高强度、优异耐高温氧化腐蚀、能在大于1200℃使用且较低成本的新一代高温高强度奥氏体耐氧化腐蚀合金，长期使用温度为1200～1310℃，最高使用温度为1360℃。包括变形和铸造合金两部分。
本发明提出的高温高强度奥氏体抗氧化腐蚀高温合金，根据合金的抗氧化腐蚀和强韧性理论，提出了Fe-Ni-Cr-Al系高铝高强度奥氏体抗氧化腐蚀高温合金，由以下化学成分组成：
主加合金元素和至少一种附加合金元素，所述主加元素为Ni、Fe、Cr、Al和强化元素，其重量百分比组成为：
Ni 34～46，Cr 15～23，Al 2.5～7.5，强化元素为Co、Mo、W和Nb，重量百分数为：Co 0～4，W 0～2，Mo 0～2，Nb 0～2，强化元素可一种或几种同时加入，但其总量为0.2～5％。
所述附加合金元素及其重量百分数组成为：
C 0～0.3，Si 0～2.5，Ti 0～2.5，Y 0～0.5，B 0～0.2，RE 0～0.6，其余为Fe。
本发明中各主要元素的作用：
Ni：奥氏体形成元素，保证合金形成稳定的高温奥氏体，即γ相固溶体，从而保证合金高温塑性。
Cr、Al：Cr和Al都是抗高温氧化腐蚀的主要元素，在高温时与氧形成完整致密的保护膜(Al2O3、Cr2O3)。Cr含量不应低于15％，但如果大于23％时，其作用就不明显且加工困难。当使用温度大于1150～1200℃时，Cr2O3剥落严重，故在本发明合金中加入了2.5～7.5％的Al，在Cr含量较高的情况下，加入2.5～7.5％的Al可使合金在大于1200℃高温下形成完整和致密的Al2O3保护膜，使合金能在1200～1310℃高温氧化腐蚀下长期使用，最高使用温度达1360℃。
强化元素(Co、Mo、W和Nb)：本发明的一大特点在于在保证合金高温抗氧化腐蚀前提下，适当加入一定量的上述强化元素，通过固溶强化的方式来提高合金的热强性能，但是其总量不应大于5％，且加入一种还是几种以及具体含量等必须根据合金的使用温度和气氛来确定，达到最佳的使用效果。
附加元素的作用：
Y、B、RE：主要为净化晶界、脱氧、去硫、消除有害杂质和提高材料高温抗蠕变性能。
C：一方面形成碳化物起强化作用，另一方面可改善本发明中铸造合金的流动性。
Ti：由于Ti与C的结合力明显强于Cr与C的结合力，故在本合金中加入的Ti可形成TiC，避免形成Cr7C3等，从而保证合金中的Cr含量。
本发明合金在使用温度、抗高温氧化腐蚀性能、综合性能明显优于国内外同类合金，主要性能对比见表1。
表1 本发明的高温合金与同类典型高温合金的对比
表中：σb抗拉强度，σ0.2屈服强度，δ5延伸率，断面收缩率。
| 合金种类 | 本发合金明 | ЭИ747 | 3YC 52 | |||||||||
| 试验温度T，℃ | σbMPa | σ0.2MPa | δ5％ | ％ | σbMPa | σ0.2MPa | δ5％ | ％ | σbMPa | σ0.2MPa | δ5％ | ％ |
| 700800900100011001200 | 610310110604030 | 40028070302520 | 3580100120130115 | 306080959590 | 15070503020 | 100603020 | 3035407090 | 3035405575 | 580280100503525 | 40024060282415 | 3080110125130120 | 307090959692 |
本发明的合金能在高达1200～1310℃高温下长期使用，最高使用温度为1360℃，同时还具有很高的高温强度。其使用温度、高温强度及综合性能全面优于国内外目前能在大于1200℃以上使用的高温抗氧化高温合金(Alloy214、Э∏747、3YC52)，且成本降低。
本发明的高温合金广泛适用于冶金、机械、石化、矿山、陶瓷、玻璃等行业使用的各种热电偶保护管、高温燃气管道、炉子构体、辐射管、热传感器、高温用喷嘴、高温抗氧化腐蚀模具和其它高温设备等。
本发明的铸造合金工艺为：
采用真空或非真空感应炉进行熔炼。浇铸温度为1600～1650℃，浇铸后模冷或空冷，按具体情况可直接使用或在1150～1200℃固溶处理后、或固溶处理加时效强化后使用。时效强化：温度600～800℃，保温4～10小时。
本发明的变形合金工艺为：
采用真空或非真空感应炉进行熔炼。浇铸温度为1600～1650℃，浇铸后模冷或空冷。然后通过热加工(锻造、挤压、热穿等)、固溶转化处理和冷变形工艺，制造各种规格的管材、板材、棒材等。热加工温度为1150～1200℃，固溶软化温度为1150～1200℃，最大冷变形度为50～80％。
以下为根据本发明成分范围的三个实施例，表中序号1～9为本发明合金，同时用目前国内外三种能在大于1200℃使用的抗氧化合金(Alloy214、Э∏747、3YC52)作对比，其具体和化学成分见表2，室温和高温力学性能见表3，高温抗氧化性能见表4。
表2 本发明合金实施例和对比合金的化学成分(wt％)
| 元素 | Ni | Cr | Al | Co | Mo | W | Y | RE | Si | C | Ti | Nb | Fe | |
| 实施例 | 1 | 45 | 18 | 5.5 | 2 | 0.2 | 0.2 | 0.15 | 0.2 | 0.1 | 余 | |||
| 2 | 38 | 20 | 6 | 3 | 2 | 余 | ||||||||
| 3 | 35 | 22 | 7 | 4 | 1 | 0.2 | 余 | |||||||
| 4 | 38 | 23 | 3 | 0.4 | 0.3 | 1.7 | 0.3 | 2.0 | 0.15 | 余 | ||||
| 5 | 43 | 15 | 7.5 | 2.5 | 0.2 | 0.5 | 0.5 | 余 | ||||||
| 6 | 43 | 20 | 6 | 1.9 | 0.2 | 0.1 | 1.5 | 0.1 | 1.5 | 余 | ||||
| 7 | 42 | 19 | 4.5 | 1.5 | 0.9 | 0.8 | 0.1 | 1 | 0.11 | 2 | 余 | |||
| 8 | 40 | 21 | 6 | 2 | 1.2 | 0.2 | 0.5 | 余 | ||||||
| 9 | 41 | 21 | 6.5 | 2.5 | 2 | 0.12 | 1.5 | 余 | ||||||
| 对比合金 | Alloy214 | 余 | 18 | 4.5 | 余 | |||||||||
| Э∏747 | 45 | 18 | 3 | 余 | ||||||||||
| 3YC52 | 48 | 18 | 5.5 | 余 |
表3 本发明合金实施例和对比合金的室温和高温力学性能
| 温度，℃ | σbMPa | σ0.2MPa | δ％ | ％ | ||
| 20 | 720 | 310 | 30 | 45 |
接上页
表4本发明合金实施例和对比合金的高温抗氧化性能单位：克/平方厘米(g/cm2)
| 实施例 | 1 | 900 | 110 | 70 | 100 | 80 |
| 1200 | 30 | 20 | 115 | 90 | ||
| 2 | 20 | 730 | 320 | 29 | 43 | |
| 900 | 140 | 85 | 95 | 80 | ||
| 1200 | 32 | 22 | 105 | 85 | ||
| 3 | 20 | 750 | 330 | 28 | 42 | |
| 900 | 145 | 90 | 115 | 95 | ||
| 1200 | 35 | 25 | 120 | 95 | ||
| 4 | 20 | 730 | 310 | 29 | 44 | |
| 900 | 155 | 95 | 105 | 85 | ||
| 1200 | 32 | 24 | 115 | 90 | ||
| 5 | 20 | 729 | 312 | 32 | 52 | |
| 900 | 149 | 88 | 112 | 92 | ||
| 1200 | 35 | 25 | 120 | 95 | ||
| 6 | 20 | 744 | 330 | 26 | 45 | |
| 900 | 145 | 100 | 110 | 89 | ||
| 1200 | 32 | 24 | 100 | 85 | ||
| 7 | 20 | 702 | 310 | 29 | 44 | |
| 900 | 125 | 89 | 120 | 99 | ||
| 1200 | 29 | 21 | 121 | 94 | ||
| 8 | 20 | 760 | 340 | 28 | 39 | |
| 900 | 150 | 110 | 89 | 79 | ||
| 1200 | 36 | 29 | 89 | 79 | ||
| 9 | 20 | 744 | 325 | 31 | 29 | |
| 900 | 148 | 108 | 87 | 75 | ||
| 1200 | 32 | 24 | 84 | 72 | ||
| 对比合金 | Э∏747 | 20 | 600 | 250 | ||
| 900 | 70 | 60 | 35 | 35 | ||
| 1200 | 20 | 90 | 75 | |||
| 3YC52 | 20 | 650 | 250 | 35 | 55 | |
| 900 | 100 | 60 | 110 | 90 | ||
| 1200 | 25 | 15 | 120 | 92 |
| 试验温度，℃ ×100小时(h) | |||
| 1100℃ | 1300℃ | ||
| 实施例 | 1 | 0.8 | 2.8 |
| 2 | 1.5 | 3.5 | |
| 3 | 1.7 | 3.8 | |
| 4 | 1.47 | 3.6 | |
| 5 | 1.8 | 3.7 | |
| 6 | 1.9 | 3.8 | |
| 7 | 2.0 | 4.0 | |
| 8 | 2.0 | 3.9 | |
| 9 | 1.95 | 3.78 | |
| 对比合金 | Alloy214 | 2.5 | 5.2 |
| Э∏747 | 2.1 | 4.0 | |
| 3YC52 | 0.96 | 3.1 | |
Claims (1)
1.一种高温高强度奥氏体抗氧化腐蚀高温合金，其特征在于，该合金由主加合金元素和附加合金元素组成，所述主加元素为Ni、Fe、Cr、Al和一种或几种强化元素同时加入，各元素的重量百分比为：
Ni 34～46，Cr 15～23，Al 2.5～7.5，强化元素为Co、Mo、W和Nb，重量百分数为：Co 0～4，W 0～2，Mo 0～2，Nb 0～2，强化元素的总量为0.2～5％；
所述附加合金元素的重量百分比为：
C 0～0.3，Si 0～2.5，Ti 0～2.5，Y 0～0.5，B 0～0.2，RE 0～0.6；
其余为Fe。
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