CN111074101A - 一种高强低比重定向凝固镍基高温合金及其制备方法和应用 - Google Patents

一种高强低比重定向凝固镍基高温合金及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高强低比重定向凝固镍基高温合金及其制备方法和应用，镍基高温合金包含以下重量百分比的组成：C：0.14~0.20%；Cr：8.0~10.0%；Co：12.0~15.0%；W：1.0~1.8%；Mo：2.7~3.4%；Al：5.0~5.7%；Ti：4.2~4.7%；Nb：0.5~1.0%；V：0.5~1.0%；B：0.01~0.02%；余量为Ni和杂质；其制备方法包括以下步骤：将所述合金元素熔炼；将熔炼后的合金采用定向凝固工艺定向凝固形成柱状晶合金；热处理：将柱状晶合金在1220±10℃下保温4h~6h，冷却至室温；然后在980℃±10℃下保温16h~20h，冷却至室温。本发明制得的镍基高温合金具有低密度的同时还具有优异的高温强度和持久性能以及良好的组织稳定性，而且不含有稀贵金属，成本低的优点，将其用于航空发动机涡轮叶片中，可以满足航空发动机涡轮叶片在长时间高温度条件下的使用要求。

Description

一种高强低比重定向凝固镍基高温合金及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及高温合金技术领域，更具体地说，它涉及一种高强低比重定向凝固镍基高温合金及其制备方法和应用。
背景技术
航空涡轮叶片长期高速工作为高温、高压燃气下，是工作环境最恶劣的发动机部件，其工作状态对发动机的可靠性、经济性和寿命影响重大。随着现代航空发动机的发展，涡轮进口的温度越来越高，旋转速率不断提高，从而对于涡轮叶片材料本身的承温能力以及使用性能提出了更高的要求，高压涡轮压片长时工作温度可达950℃及其以上，短时可达1000℃以上，另外，叶片还需承受高温燃气的冲刷和腐蚀，应力条件复杂，工作条件十分严苛。高压涡轮叶片在使用的过程中，一旦形成裂纹，沿晶界扩展迅速，容易发生早期失效；此外，合金在使用的过程中容易过早的析出TCP相，导致合金的性能迅速下降，影响安全可靠性。因此，高压涡轮叶片材料需要具有足够高的高温强度、持久性能及损失容限，为保证长期工作的稳定性，还应考虑叶片材料的组织稳定性，此外，在保证合金性能的前提下，应考虑降低叶片的材料成本。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的第一个目的在于提供一种高强低比重定向凝固镍基高温合金，其具有低密度的同时还具有优异的高温强度和持久性能以及良好的组织稳定性，而且不含有稀贵金属，降低成本的优点。
本发明的第二个目的在于提供一种高强低比重定向凝固镍基高温合金的制备方法，其具有制备方法简单，易于实现工业化生产，且通过该方法得到的合金具有良好的组织稳定性的优点。
本发明的第三个目的在于提供一种高强低比重定向凝固镍基高温合金的应用，其具有应用于涡轮叶片，可以满足航空发动机涡轮叶片在长时间高温度条件下的使用要求的优点。
为实现上述第一个目的，本发明提供了如下技术方案：一种高强低比重定向凝固镍基高温合金，包括以下重量百分比的组成：C：0.14～0.20％；Cr：8.0～10.0％；Co：12.0～15.0％；W：1.0～1.8％；Mo：2.7～3.4％；Al：5.0～5.7％；Ti：4.2～4.7％；Nb：0.5～1.0％；V：0.5～1.0％；B：0.01～0.02％；余量为Ni和杂质。
通过采用上述技术方案，Co元素作为合金元素加入镍基合金中，可以降低基体的堆垛层错能，提高层错出现的几率，使层错加宽，从而阻碍扩散位错滑移，使蠕变速率降低，蠕变抗力增加。Co元素含量控制在12.0％～15.0％，从而保证合金具有优异的蠕变和持久性能。
Cr元素主要进入基体相中起到固溶强化作用，同时，Cr还能降低固溶体堆垛层错能，提高合金的高温持久强度；此外，Cr的另外一个重要作用是抗氧化腐蚀作用，Cr能在合金表面形成一层Cr2O3氧化膜，保护合金不受O、S元素的高温氧化和腐蚀。但是，镍基合金中Cr含量过高促进有害相TCP相的形成，破坏合金的组织稳定性。因此本发明中Cr含量控制范围为8.0％～10.0％，在保证合金具有良好的抗氧化腐蚀性能以及高温持久性能的同时也能使合金获得优异的组织稳定性。
W元素溶于γ基体和γˊ相各占一半，而Mo原子大部分溶于γ基体中，这两种元素的原子半径与Ni原子相比都比较大，无论对γ和γˊ相都有很强的固溶强化效果，可以有效提高合金的热强性。同时这两种元素能够增加阻碍位错运动的阻力，改变基体和γˊ的晶格错配度，降低堆垛层错能，降低蠕变速率，提高蠕变性能。但是W、Mo都是TCP相形成元素，因此，过高含量的W、Mo会导致有害的TCP相和搭块碳化物析出，降低合金高温力学性能，因此本发明中W含量控制为1.0～1.8％；Mo含量控制为2.7～3.4％，W+Mo元素含量控制在3.7％～5.0％。
Al和Ti元素是γˊ相形成元素，其含量能够决定合金的强化相γ′的百分含量及其强化程度。同时Al元素也是抗氧化元素，Ti也是MC碳化物形成元素。因此本发明中Al元素含量控制在5.0％～5.7％，Ti元素含量控制在4.2％～4.7％，有效提高合金的耐高温持久性能。
C元素是晶界与枝晶间的强化元素，高温合金中添加碳元素主要形成碳化物，从液态金属凝固过程中析出一次碳化物，呈块状和汉字草书状，主要分布在枝晶间或晶界处，在时效过程或使用过程中析出二次碳化物，这些碳化物能够改善力学性能，提高持久寿命，本发明中C元素含量控制在0.14％～0.20％，最终获得的合金具有优良的耐高温持久性能。
微量元素B元素是晶界强化元素，适量添加B元素，在晶界处能够析出粒状硼化物，显著提高合金的力学性能。但是若是B元素添加过量，会形成低熔点共晶，严重降低终凝温度，加剧合金中主元素的凝固偏析，影响了合金承温能力的提高。本发明中B元素含量控制在0.01％～0.02％，保证合金的承高温能力的同时还具有良好的力学性能，保证合金在高温下的高强度性能以及耐持久性能。
Nb和V元素也是固溶强化元素，其原子半径较大，固溶强化效果明显，其次，这两个元素还能进入γ′相和碳化物相中，起到第二相强化作用。本发明中Nb元素控制在0.5％～1.0％，V元素控制在0.5％～1.0％，最终合金具有优良的高温强度和持久性能。最终，本发明中通过特定比例的各个元素得到的合金具有低密度的同时还具有优异的高温强度和持久性能，此外，各个原料元素不含有贵金属元素如Hf，Ta等，使得合金的成本更低，更加有益于工业化生产。
本发明进一步设置为：杂质元素重量百分含量控制如下：Ce≤0.02％；Fe≤0.50％；Si≤0.2％；Mn≤0.2％；S≤0.008％；P≤0.005％；Pb≤0.0005％；Bi≤0.0001％；As≤0.005％；Sb≤0.001％；Sn≤0.002。
通过采用上述技术方案，控制杂质元素处于上述范围内，最终得到的合金的低密度与高温强度处于最佳。
为实现上述第二个目的，本发明提供了如下技术方案：一种高强低比重定向凝固镍基高温合金的制备方法，包括以下步骤：
合金熔炼：将所述合金元素熔炼；
定向凝固：将熔炼后的合金采用定向凝固工艺定向凝固形成柱状晶合金；
热处理：将柱状晶合金在1220±10℃下保温4h～6h，冷却至室温；然后在980℃±10℃下保温16h～20h，冷却至室温。
通过采用上述技术方案，将各合金元素经过上述方法处理后，尤其是采用上述热处理后，合金的γˊ相尺寸和分布更加均匀，体积分数增加，块状硼化物和碳化物在晶界分布，得到的合金具有良好的组织稳定性。
本发明进一步设置为：步骤合金熔炼采用真空感应炉熔炼，且熔炼温度1560℃～1600℃，精炼时间10～20min，真空度为10-1～10-2，浇注温度为1500～1520℃。
本发明进一步设置为：步骤定向凝固中，定向凝固工艺具体操作为：将熔炼后的合金在高真空定向凝固炉中定向凝固，控制浇注温度为1500～1520℃，模壳温度为1500±20℃，抽拉速度为4～8mm/min。
通过采用上述技术方案，通过上述定向凝固工艺参数的控制，合金具有优异的高温强度和持久性能，且得到具有良好组织的稳定性。
本发明进一步设置为：步骤热处理中，柱状晶合金保温后冷却方式为空冷。
为实现上述第三个目的，本发明提供了如下技术方案：一种高强低比重定向凝固镍基高温合金的应用，将采用所述的方法得到的高强低比重定向凝固镍基高温合金应用于涡轮叶片中。
通过采用上述技术方案，将本发明中制备得到的镍基高温合金应用于涡轮叶片，可以满足航空发动机涡轮叶片在长时间高温度条件下的使用要求。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1、本发明中通过特定比例的各个元素得到的合金具有低密度的同时还具有优异的高温强度和持久性能，此外，各个原料元素不含有贵金属元素如Hf，Ta等，使得合金的成本更低，更加有益于工业化生产；
2、将各合金元素经过上述方法处理后，尤其是采用上述热处理后，合金的γˊ相尺寸和分布更加均匀，体积分数增加，块状硼化物和碳化物在晶界分布，得到的合金具有良好的组织稳定性；
3、将本发明中制备得到的镍基高温合金应用于涡轮叶片，可以满足发动机涡轮叶片在长时间高温度条件下使用要求，尤其是航空发动机涡轮叶片在长时间高温度条件下的使用要求。
附图说明
图1是本发明实施例1中合金γˊ相形态：(a)铸态显微组织；(b)铸态枝晶干γ′；(c)热处理后显微组织；(d)热处理后态枝晶干γ′；
图2是本发明实施例1中热处理后合金M3B2硼化物和MC碳化物形态：(a)M3B2硼化物形态；(b)MC碳化物形态；
图3是本发明实施例1中热处理后合金经过850℃/1000h长期时效处理后的微观组织。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
一种高强低比重定向凝固镍基高温合金的制备方法，包括以下步骤：
S1、合金熔炼：在真空感应炉中熔炼如下表1中成分的合金，其中，不可避免杂质元素重量百分含量控制如下：Ce≤0.02％；Fe≤0.50％；Si≤0.2％；Mn≤0.2％；S≤0.008％；P≤0.005％；Pb≤0.0005％；Bi≤0.0001％；As≤0.005％；Sb≤0.001％；Sn≤0.002；
熔炼过程中，控制熔炼温度1560℃，精炼时间20min，真空度为10-2Pa，浇注温度为1520℃；
表1：
元素 C Cr Co W Mo Al
含量，Wt.％ 0.16 9.80 13.34 1.50 3.37 5.52
元素 Ti Nb V B Ni 杂质
含量，Wt.％ 4.45 0.80 0.88 0.015 余量 不可避免
S2、定向凝固：将熔炼后的合金在高真空定向凝固炉中定向凝固，真空定向凝固炉选用型号为ALD VIM-IC 5DS/SC的真空铸造炉，高真空型凝固炉中真空度为5.5×10-2Pa，控制浇注温度为1520℃，模壳温度为1500℃，抽拉速度为6mm/min，得到柱状晶合金；
S3、热处理：将柱状晶合金进行热处理，热处理参数为在1220℃下保温4h，空冷至室温；然后在980℃下保温16h，空冷至室温，得到高强低比重定向凝固镍基高温合金DZ424。
实施例2
一种高强低比重定向凝固镍基高温合金的制备方法，按照实施例1中的方法进行，不同之处在于：
步骤S1中，在真空感应炉中的熔炼过程中，控制熔炼温度1600℃，精炼时间10min，真空度为10-1Pa，浇注温度为1500℃；
步骤S2中，控制高真空型凝固炉中真空度为6.0×10-2Pa，浇注温度为1500℃，模壳温度为1480℃，抽拉速度为4mm/min，，；
步骤S3中，热处理参数为在1210℃下保温6h，空冷至室温；然后在970℃下保温20h，空冷至室温，得到高强低比重定向凝固镍基高温合金DZ424。
实施例3
一种高强低比重定向凝固镍基高温合金的制备方法，按照实施例1中的方法进行，不同之处在于：
步骤S2中，控制高真空型凝固炉中真空度为8.0×10-2Pa，浇注温度为1520℃，模壳温度为1520℃，抽拉速度为8mm/min，，；
步骤S3中，热处理参数为在1230℃下保温4h，空冷至室温；然后在990℃下保温16h，空冷至室温，得到高强低比重定向凝固镍基高温合金DZ424。
实施例4
一种高强低比重定向凝固镍基高温合金的制备方法，按照实施例1中的方法进行，不同之处在于：
步骤S1中，在真空感应炉中熔炼如下表2中成分的合金。
表2：
元素 C Cr Co W Mo Al
含量，Wt.％ 0.14 8.0 12.0 1.0 2.7 5.0
元素 Ti Nb V B Ni 杂质
含量，Wt.％ 4.2 0.5 0.5 0.01 余量 不可避免
实施例5
一种高强低比重定向凝固镍基高温合金的制备方法，按照实施例1中的方法进行，不同之处在于：
步骤S1中，在真空感应炉中熔炼如下表3中成分的合金。
表3：
Figure BDA0002376023060000051
Figure BDA0002376023060000061
对比例1
按照实施例1中的方法进行，不同之处在于：
步骤S1中，在真空感应炉中熔炼如下表4中成分的合金。
表4：
元素 C Cr Co W Mo Al
含量，Wt.％ 0.14 8.0 12.0 1.0 2.7 5.0
元素 Ti Nb V B Ni 杂质
含量，Wt.％ 4.2 1.5 1.5 0.01 余量 不可避免
对比例2
按照实施例1中的方法进行，不同之处在于：
步骤S3中，热处理的具体操作为将步骤S2得到的柱状晶合金在加热炉中随炉升温至1240℃，保温4h，空冷至室温；升温1000℃，保温16h，空冷至室温，得到镍基高温合金。
对比例3
选用高温合金为国内涡轮叶片常用材料定向凝固高温合金DZ417G合金。
对比例4
选用高温合金为国内涡轮叶片常用材料定向凝固高温合金DZ422合金。
性能检测
对实施例1-5和对比例1-4中的高温合金进行高温拉伸性能检测和持久性能检测，高温拉伸性能检测按照GB/T4338-2006《金属材料高温拉伸试验方法》标准进行，其中σb为高温抗拉强度，σ0.2为当残余变形达到0.2％时的应力值，δ为延伸率，持久性能按照GB/T2039-2012《金属材料单轴拉伸蠕变试验方法》进行检测，其中σ为持久强度，t为持久寿命。
1、对实施例1-5和对比例1-2中的高温合金进行1000℃高温下拉伸性能检测，检测结果如下表5所示。
表5镍基高温合金1000℃拉伸性能检测
合金 温度/℃ σ<sub>0.2</sub>/MPa σ<sub>b</sub>/MPa δ/％
实施例1 1000 435 625 12.5
实施例2 1000 430 620 12.8
实施例3 1000 452 670 12.9
实施例4 1000 430 620 12.2
实施例5 1000 445 641 11.8
对比例1 1000 428 648 10.2
对比例2 1000 429 620 13.8
由上表5可以看出，本发明提供的合金在高温下的力学性能优良，尤其是高温强度优异。
2、对实施例1-5和对比例1-2中的高温合金进行980℃/216MPa下高温持久性能检测，检测结果如下表6所示。
表6镍基高温合金980℃/216MPa下高温持久性能检测
合金 温度/℃ σ/MPa t/h
实施例1 980 216 65.1
实施例2 980 216 60.8
实施例3 980 216 72.2
实施例4 980 216 63.7
实施例5 980 216 64.9
对比例1 980 216 55.6
对比例2 980 216 45.3
由上表6可以看出，本发明的合金具有优异的高温持久性能。
3、对实施例1中得到的合金和对比例3-4中的DZ417G合金与DZ422合金分别进行下表6中的高温拉伸试验，结果如下表7所示。
表7不同定向镍基高温合金的高温拉伸性能
Figure BDA0002376023060000071
对实施例1中得到的合金进行进一步的检测，实施例1中得到合金的密度为7.90g/cm3，不含贵金属Hf、Ta等元素，结合表5和表7，可以看出本发明得到的合金DZ424的高温拉伸性能优于DZ417G合金和DZ422合金的高温拉伸性能，本发明制得的定向凝固镍基高温合金具有低密度的同时还具有优异的高温强度。
4、对实施例1中得到的合金和对比例3-4中的DZ417G合金与DZ422合金分别进行持久性能的检测，检测结果如下表8所示。
表8不同定向镍基高温合金的持久性能
Figure BDA0002376023060000072
Figure BDA0002376023060000081
由上表8中可以看出，本发明中得到的合金DZ424的980℃/216MPa下的持久性能优于DZ417G合金，1000℃/196MPa下的持久性能优于DZ422合金。
5、对实施例1中得到的合金
将实施例1中热处理后的合金放在850℃的马弗炉中保温1000h后取出并制成金相试样，在500×金相显微镜下对其微观组织进行观察，如图3所示，在组织中未观察到有TCP相的析出，组织稳定。
再参考图1中实施例1得到的合金的γˊ相形态，可以看出在铸态合金中，γ′形态不是十分规则，且尺寸较大，合金经过热处理后，γˊ相尺寸和分布更加均匀，体积分数增加。参考图2中实施例1中得到的合金的碳化物和硼化物形态分布，可以看出经过热处理后块状硼化物和碳化物在晶界分布，本发明中得到的合金具有良好的组织稳定性。
综上，本发明中通过特定比例的各个元素得到的合金DZ424具有低密度的同时还具有优异的高温强度和持久性能，此外，各个原料元素不含有贵金属元素如Hf，Ta等，使得合金的成本更低；将各合金元素经过本发明中提供的方法处理后得到的合金，合金的γˊ相尺寸和分布更加均匀，体积分数增加，块状硼化物和碳化物在晶界分布，得到的合金具有良好的组织稳定性，将本发明中制备得到的镍基高温合金应用于涡轮叶片，可以满足在长时间高温度条件下使用重型燃气轮机涡轮叶片要求。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (7)

1.一种高强低比重定向凝固镍基高温合金，其特征在于，包含以下重量百分比的组成：C：0.14~0.20%；Cr：8.0~10.0%；Co：12.0~15.0%；W：1.0~1.8%；Mo：2.7~3.4%；Al：5.0~5.7%；Ti：4.2~4.7%；Nb：0.5~1.0%；V：0.5~1.0%；B：0.01~0.02%；余量为Ni和杂质。
2.根据权利要求1所述的一种高强低比重定向凝固镍基高温合金，其特征在于，杂质元素重量百分含量控制如下：Ce≤0.02%；Fe≤0.50%；Si≤0.2%；Mn≤0.2%；S≤0.008%；P≤0.005%；Pb≤0.0005%；Bi≤0.0001%；As≤0.005%；Sb≤0.001%；Sn≤0.002。
3.一种如权利要求1或2所述的高强低比重定向凝固镍基高温合金的制备方法，包括以下步骤：
合金熔炼：将所述合金元素熔炼；
定向凝固：将熔炼后的合金采用定向凝固工艺定向凝固形成柱状晶合金；
热处理：将柱状晶合金在1220±10℃下保温4h~6h，冷却至室温；然后在980℃±10℃下保温16h~20h，冷却至室温。
4.根据权利要求3所述的一种高强低比重定向凝固镍基高温合金的制备方法，其特征在于，步骤合金熔炼采用真空感应炉熔炼，且熔炼温度1560℃~1600℃，精炼时间10~20min，真空度为10-1~10-2，浇注温度为1500~1520℃。
5.根据权利要求3所述的一种高强低比重定向凝固镍基高温合金的制备方法，其特征在于，步骤定向凝固中，定向凝固工艺具体操作为：将熔炼后的合金在高真空定向凝固炉中定向凝固，控制浇注温度为1500~1520℃，模壳温度为1500±20℃，抽拉速度为4~8mm/min。
6.根据权利要求3所述的一种高强低比重定向凝固镍基高温合金的制备方法，其特征在于，步骤热处理中，柱状晶合金保温后冷却方式为空冷。
7.一种高强低比重定向凝固镍基高温合金的应用，将采用权利要求3所述的方法得到的高强低比重定向凝固镍基高温合金应用于涡轮叶片中。
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