CN111074100A

CN111074100A - 一种镍基高温合金棒材及其制备方法

Info

Publication number: CN111074100A
Application number: CN201911414425.6A
Authority: CN
Inventors: 王树平; 华大凤; 邵兴明; 刘威; 陈杰; 华鹏; 焦桂中
Original assignee: Jiangsu Xinhua Alloy Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Xinhua Alloy Co Ltd
Priority date: 2019-12-31
Filing date: 2019-12-31
Publication date: 2020-04-28

Abstract

本发明提供一种镍基高温合金棒材及其制备方法，包括以下步骤：S1真空冶炼；S2锻造；S3热轧；S4固溶；S5机加工。本发明在优化合金元素成分的基础上，协调合金的强度和塑性之间的关系，实现了该镍基高温合金的高强度和高韧性；其采用先进的真空冶炼工艺及电渣重熔工艺，获得的合金成分组织均匀，同时得到高纯精度的合金锭，并通过热锻热轧固溶的方式，制得了热塑性较高的合金棒材；该镍基高温合金棒材相较于传统的718高温合金棒材力学性能更加优良，棒材的硬度及耐磨性得到很好地提升。

Description

一种镍基高温合金棒材及其制备方法

技术领域

本发明涉及合金制备技术领域，特别是涉及一种镍基高温合金棒材及其制备方法。

背景技术

高温合金是指能够在600℃以上高温，承受较大复杂应力，并具有表面稳定性的高合金化铁基、镍基或钴基奥氏体金属材料。高温合金具有良好的高温强度和抗氧化抗腐蚀性能、优异的抗疲劳和抗蠕变性能、断裂性能和组织稳定性，是现代国防建设和国民经济发展不可替代的关键材料。高温合金的发展与航空发动机和各种工业燃气轮机的发展密切相关，在航空发动机中，主要应用于导向器、涡轮叶片、涡轮盘和燃烧室四大热端部件。先进高温合金材料和工艺的研制属高技术领域，高温合金的发展水平是一个国家工业水平高低的标志之一，也是一个国家国防力量强弱的标志之一。世界各先进国家都非常重视高温合金的研究、生产和应用，并投入了大量的人力和物力。

（Inconel）718镍基高温合金是以体心四方的γ"和面心立方的γ′相沉淀强化的镍基高温合金，在-253～700℃温度范围内具有良好的综合性能，650℃以下的屈服强度居变形高温合金的首位，并具有良好的抗疲劳、抗辐射、抗氧化、耐腐蚀性能，以及良好的加工性能、焊接性能和长期组织稳定性，能够制造各种形状复杂的零部件，在宇航、核能、石油工业中，在上述温度范围内获得了极为广泛的应用。

现有技术制得的718镍基高温合金存在强度较低等缺陷，尤其是常温硬度最高仅达45HRc，不能满足一些特殊的使用要求。因此，进一步制造综合性能优越的718镍基高温合金和充分发挥合金的性能潜力具有重要的工程应用价值和意义。

发明内容

针对上述存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种镍基高温合金棒材及其制备方法，该镍基高温合金棒材相较于传统的718高温合金棒材力学性能更加优良，棒材的硬度及耐磨性得到很好地提升。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种镍基高温合金棒材，按重量百分含量计，所述高温合金棒材中各成分组成如下：

C：0.04%～0.07%，Si：≤0.35%，Mn：≤0.35%，

P：≤0.015%，S：≤0.015%，Cr：17.0%～21.0%，

Al：0.30%～0.70%，B：0.002%～0.006%，

Mo：2.80%～3.30%，Ni：50.0%～55.0%，

（Nb+Ta）：4.80%～5.50%，Ti：0.75%～1.15%，

Pb：≤0.0010%，Bi：≤0.0001%，Ag：≤0.0005%，

Ca：≤0.01%，Mg：≤0.01%，Cu：≤0.20%，

Co：≤1.0%，余量为Fe。

进一步地，镍基高温合金棒材为718高温合金棒材。

进一步地，一种镍基高温合金棒材的制备方法，包括以下步骤：

S1真空冶炼：合金原材料按照既定的重量比例精准配料后，投入真空冶炼炉内进行冶炼得到合金钢锭；

S2锻造：将所述合金钢锭进行锻造处理得到锻件，锻造加热温度为1140℃～1160℃，加热过程升温速率应≤300℃/h，保温时间应≥40分钟；

S3热轧：将所述锻件进行热轧处理得到轧件，热轧温度为1140℃～1160℃，保温时间应≥40min；

S4固溶：将所述轧件进行热处理、保温及使用水冷却，所述热处理温度980℃～1000℃，保温时间≥1h；

S5机加工：将经所述S5固溶处理后的所述轧件经机加工后得到成品镍基高温合金棒材。

进一步地所述S2锻造中，锻造时先轻锻倒圆然后回炉加热再锻，加热再锻温度为1140℃～1160℃，保温部时间不短于20min，锻后空冷，方棒100%探伤检查，表面修磨去除缺陷。

进一步地，所述S1真空冶炼分为装料、熔化期、精炼期及浇注期，具体步骤为：所述装料过程中将精准配料后的所述合金原材料中除部分Ni以外的其他原料分层布料，所述熔化期中真空度＜5Pa；所述精炼期中加入用于脱氧的所述部分Ni；精炼期真空度≤5Pa，采用不少于两次的高温瞬时精炼和一次低温长时精炼，提钢温到1520℃/1-2min，摇炉搅拌3-5分钟，降钢温到1480℃（刚结膜冲膜状态）低温，精炼时间≥25min；精炼温度1480℃，出钢温度1480℃，全过程可不充氩气，所述浇注期中浇注电极，浇注后期补缩充分，浇铸完成10分钟后破空出模标识。

优选地，所述部分Ni以Ni-Mg中间合金的形式存在，所述部分Ni占所述熔化期得到钢水量的0.05%。

本发明的一种镍基高温合金棒材中成分组成设计原理及各自的作用在于：

C：碳起着稳定合金结构，保证强度的作用。但随着碳含量的增加，合金抗晶间腐蚀性能会恶化。因此，将其含量限定在0.04%～0.07%。

Si：硅在高温氧化后形成SiO₂，分布在氧化膜与基体金属的界面处，可以阻止氧渗入，降低合金的氧化速度。因此，将其含量设置≤0.35%。

Fe、Mn：铁和锰起着脱氧和脱硫的作用，是确保抗氧化性的重要元素。因此，将含量限定为Mn：≤0.35%。

P、S：这是镍基合金中两种致命的有害元素，其中S的危害性更甚。若不能获得极低的S含量，将会严重影响合金的加工性能，甚至使合金难以加工。因此，将其含量分别设置为P：≤0.015%，S：≤0.015%。

Cr：抗晶间腐蚀性随铬含量的增加而提高，增加铬含量可降低718合金在含氯离子和氧的高温水中的应力腐蚀开裂的敏感性，也是合金高温抗氧化性能的关键元素，可以保证合金在高温下长期使用，含量过低，不能显现效果，含量过高，强度和韧性显著降低。因此，将其含量限制于17.0%～21.0%。

Al：作为脱氧剂及能够增大电阻率。因此，将其含量限制于0.30%～0.70%。

B：在镍基高温合金中添加B可改善高温强度、塑性及缺口敏感性，进而使持久塑性变好及合金的断裂寿命增长。因此，将其含量限制于0.002%～0.006%。

Mo：钼具有固溶强化作用，添加至高温合金中能够提升热强性。因此，将其含量限制于2.80%～3.30%

Ni：镍在镍基高温合金中为母体，形成奥氏体基体，合金抗晶间腐蚀性能随着镍含量的增加而提高，增加镍含量可以减小718合金在碱溶液中的应力腐蚀开裂敏感性。因此，将其含量限制于50.0%～55.0%。

（Nb+Ta）：铌和钽为伴生元素，作为强碳化物形成元素，能够起到细化晶粒的作用。因此，将其含量限制于4.80%～5.50%。

Ti：钛为强化碳元素形成的元素，可与碳元素结合形成稳定的碳化物，钛的存在能够综合钛和铬，起到钉扎晶界的作用。因此，将其含量限制于0.75%～1.15%。

Cu、Pb、Bi、Ag、Ca、Mg：添加镁使得该合金在高温条件时的瞬时拉伸塑性及持久寿命得到提升，另外铜、铅、铋、银、镁和钙多种微量元素综合微合金化比只用单个微量元素微合金化效果好，可以使高温合金的高温抗蚀性、持久高温强度和塑性均有所提升。因此，将其含量分别设置为Pb：≤0.0010%，Bi：≤0.0001%，Ag：≤0.0005%，Ca：≤0.01%，Mg：≤0.01%，Cu：≤0.20%。

Co：添加钴元素可以增强合金的高温强度，增强合金提高抗碳化及抗硫化的性能。因此，将其含量分别设置≤1.0%。

本发明具有如下有益效果：本发明在优化合金元素成分的基础上，协调合金的强度和塑性之间的关系，实现了该镍基高温合金的高强度和高韧性，铝可以通过固溶强化、析出强化提高该合金的强度；新添加银和镁，银在镁中具有较大的固溶度，可产生固溶强化作用，提高其组织和性能稳定性；钙是良好的晶粒细化剂，铌和钽为伴生元素，作为强碳化物形成元素，也能够起到细化晶粒的作用，细化晶粒可有效提高镍基高温合金的强度，同时也可大幅改善其塑性；本发明通过成分设计，获得一种高强高韧的镍基高温合金，其综合性能优于现有国际工业应用的镍基高温合金，有效提高了其推广应用的竞争力；本发明采用先进的真空冶炼工艺及电渣重熔工艺，获得的合金成分组织均匀，同时得到高纯精度的合金锭，并通过热锻热轧固溶的方式，制得了热塑性较高的合金棒材；该镍基高温合金棒材相较于传统的718高温合金棒材力学性能更加优良，棒材的硬度及耐磨性得到很好地提升。

具体实施方式

为使对本发明的目的及其功能有进一步地了解，兹配合实施例详细说明如下。

实施例1

本实施例中，合金原材料的成分组成具体为：

C：0.05%，Si：0.25%，Mn：0.15%，P：0.01%，S：0.01%，Cr：18.50%，Al：0.38%，B：0.003%，Mo：2.90%，Ni：50.5%，（Nb+Ta）：4.80%，Ti：0.80%，Pb：0.0010%，Bi：0.0001%，Ag：0.0002%，Ca：0.005%，Mg：0.005%，Cu：0.10%，Co：0.04%，余量为Fe。

制备该镍基高温合金棒材时，具体包括以下步骤：

S1真空冶炼：合金原材料按照既定的重量比例精准配料后，投入真空冶炼炉内进行冶炼得到合金钢锭。进一步地，S1真空冶炼分为装料、熔化期、精炼期及浇注期，具体步骤为：装料过程中将精准配料后的合金原材料中除部分Ni以外的其他原料分层布料，熔化期中真空度为3.5Pa；精炼期中加入用于脱氧的部分Ni；精炼期真空度为4Pa，采用不少于两次的高温瞬时精炼和一次低温长时精炼，提钢温到1520℃/1-2min，摇炉搅拌5分钟，降钢温到1480℃（刚结膜冲膜状态）低温，精炼时间为30min；精炼温度1480℃，出钢温度1480℃，全过程可不充氩气，浇注期中浇注电极，浇注后期补缩充分，浇铸完成10分钟后破空出模标识。优选地，部分Ni以Ni-Mg中间合金的形式存在，部分Ni占熔化期得到钢水量的0.05%。

S2锻造：将合金钢锭进行锻造处理得到锻件，锻造加热温度为1160℃，加热过程升温速率为260℃/h，保温时间应为1h。进一步地，S2锻造中，锻造时先轻锻倒圆然后回炉加热再锻，加热再锻温度为1160℃，保温部时间为30min，锻后空冷，方棒100%探伤检查，表面修磨去除缺陷。

S3热轧：将锻件进行热轧处理得到轧件，热轧温度为1145℃，保温时间为40min。

S4固溶：将轧件进行热处理、保温及使用水冷却，热处理温度为1000℃，保温时间为1h。

S5机加工：将经S5固溶处理后的轧件经机加工后得到成品镍基高温合金棒材。

将上述制得的棒材进行力学性能的测试。经测试，该镍基高温合金棒材硬度达到49HRC，屈服强度为963MPa，抗拉强度为986MPa，延伸率为21%。

实施例2

本实施例中，合金原材料的成分组成具体为：

C：0.06%；Si：0.25%；Mn：0.25%；P：0.012%，S：0.006%，Cr：19.0%，Al：0.52%，B：0.004%，Mo：3.0%，Ni：53.0%，（Nb+Ta）：5.1%，Ti：0.95%，Pb：0.0008%，Bi：0.0001%，Ag：0.0003%，Ca：0.01%，Mg：0.01%，Cu：0.15%，Co：0.05%，余量为Fe。

制备该镍基高温合金棒材时，具体包括以下步骤：

将上述制得的棒材进行力学性能的测试。经测试，该镍基高温合金棒材硬度达到53HRC，屈服强度为1016MPa，抗拉强度为1120MPa，延伸率为25%。

实施例3

本实施例中，合金原材料的成分组成具体为：

C：0.07%，Si：0.30%，Mn：0.25%，P：0.015%，S：0.006%，Cr：20.0%，Al：0.65%，B：0.005%，Mo：3.15%，Ni：52%，（Nb+Ta）：5.30%，Ti：0.95%，Pb：0.0009%，Bi：0.00006%，Ag：0.0003%，Ca：0.007%，Mg：0.005%，Cu：0.20%，Co：0.9%，余量为Fe。

制备该镍基高温合金棒材时，具体包括以下步骤：

将上述制得的棒材进行力学性能的测试。经测试，该镍基高温合金棒材硬度达到50HRC，屈服强度为1035MPa，抗拉强度为1170MPa，延伸率为20%。

本发明在优化合金元素成分的基础上，协调合金的强度和塑性之间的关系，实现了该镍基高温合金的高强度和高韧性，铝可以通过固溶强化、析出强化提高该合金的强度；新添加银和镁，银在镁中具有较大的固溶度，可产生固溶强化作用，提高其组织和性能稳定性；钙是良好的晶粒细化剂，铌和钽为伴生元素，作为强碳化物形成元素，也能够起到细化晶粒的作用，细化晶粒可有效提高镍基高温合金的强度，同时也可大幅改善其塑性；本发明通过成分设计，获得一种高强高韧的镍基高温合金，其综合性能优于现有国际工业应用的镍基高温合金，有效提高了其推广应用的竞争力；本发明采用先进的真空冶炼工艺及电渣重熔工艺，获得的合金成分组织均匀，同时得到高纯精度的合金锭，并通过热锻热轧固溶的方式，制得了热塑性较高的合金棒材；该镍基高温合金棒材相较于传统的718高温合金棒材力学性能更加优良，棒材的硬度及耐磨性得到很好地提升。

本发明已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本发明的范例。需指出的是，已揭露的实施例并未限制本发明的范围。相反地，在不脱离本发明的精神和范围内所作的更动与润饰，均属本发明的专利保护范围。

Claims

1.一种镍基高温合金棒材，其特征在于，按重量百分含量计，所述高温合金棒材中各成分组成如下：

C：0.04%～0.07%，Si：≤0.35%，Mn：≤0.35%，

P：≤0.015%，S：≤0.015%，Cr：17.0%～21.0%，

Al：0.30%～0.70%，B：0.002%～0.006%，

Mo：2.80%～3.30%，Ni：50.0%～55.0%，

（Nb+Ta）：4.80%～5.50%，Ti：0.75%～1.15%，

Pb：≤0.0010%，Bi：≤0.0001%，Ag：≤0.0005%，

Ca：≤0.01%，Mg：≤0.01%，Cu：≤0.20%，

Co：≤1.0%，余量为Fe。

2.如权利要求1所述的一种镍基高温合金棒材，其特征在于所述镍基高温合金棒材为718高温合金棒材。

3.如权利要求1-2任意一项所述的一种镍基高温合金棒材的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

4.如权利要求3所述的一种镍基高温合金棒材的制备方法，其特征在于所述S2锻造中，锻造时先轻锻倒圆然后回炉加热再锻，加热再锻温度为1140℃～1160℃，保温部时间不短于20min，锻后空冷，方棒100%探伤检查，表面修磨去除缺陷。

5.如权利要求3所述的一种镍基高温合金棒材的制备方法，其特征在于所述S1真空冶炼分为装料、熔化期、精炼期及浇注期，具体步骤为：所述装料过程中将精准配料后的所述合金原材料中除部分Ni以外的其他原料分层布料，所述熔化期中真空度＜5Pa；所述精炼期中加入用于脱氧的所述部分Ni；精炼期真空度≤5Pa，采用不少于两次的高温瞬时精炼和一次低温长时精炼，提钢温到1520℃/1-2min，摇炉搅拌3-5分钟，降钢温到1480℃（刚结膜冲膜状态）低温，精炼时间≥25min；精炼温度1480℃，出钢温度1480℃，全过程可不充氩气，所述浇注期中浇注电极，浇注后期补缩充分，浇铸完成10分钟后破空出模标识。

6.如权利要求5所述的一种镍基高温合金棒材的制备方法，其特征在于所述部分Ni以Ni-Mg中间合金的形式存在，所述部分Ni占所述熔化期得到钢水量的0.05%。