CN111500916A - 一种镍钴基变形高温合金及其加工工艺 - Google Patents

一种镍钴基变形高温合金及其加工工艺 Download PDF

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Abstract

一种镍钴基变形高温合金及其加工工艺，按质量百分数计，包括：Cr：18～21％，Co：27～30％，Ti：3.0～3.5％，Al：3.0～3.5％，W：1.0～3.0％，Mo：≤0.5％，Nb：0.5～1.0％，Ta：≤0.5％，Si：≤0.5％，Mn：≤0.5％，C：0.04～0.07％，B：≤0.003％，Zr：0.01～0.03％，Hf：0.05～0.15％，余量为Ni。合金熔炼后均匀化处理，热轧，最后热处理。本发明具备优异的高温强度性能。同时，合金具备优异的加工性能，其在1180‑1200℃热轧变形量可达70％以上。

Description

一种镍钴基变形高温合金及其加工工艺
技术领域
本发明属高温合金领域，具体涉及一种镍钴基变形高温合金及其加工工艺，特别适用于火电先进超超临界机组过/再热器管、主蒸汽管道、集箱、转子、叶片高温关键部件。
背景技术
随着我国用电需求不断增加，能源紧缺及环境污染问题日益凸显，发展高效、节能、环保发电方式的需求越发紧迫。火力发电作为我国长期以来最主要的发电技术，提高机组蒸汽参数被认为是解决上述问题最有效的途径。以往大量实践表明，关键部件材料的服役性能是制约锅炉机组蒸汽参数提高的最主要原因，而作为火电机组锅炉中服役工况最严苛的关键部件，过/再热器管、主蒸汽管、集箱等对材料的服役性能提出了极高的要求。随着火电机组主蒸汽参数的大幅提高，开发出可以满足先进超超临界机组关键部件性能要求并兼具优异加工性能的高温合金材料已成为火力发电行业亟待解决的课题。
过/再热器等作为火电机组锅炉中服役工况最严苛的部件，对其候选材料的持久强度及抗腐蚀性能提出了极高的要求。目前，国外已开发出了一系列镍基变形高温合金材料，如美国特殊金属公司开发的Inconel740H、美国哈氏公司开发的Haynes282、德国蒂森克虏伯公司开发的CCA617、英国Rolls-Royce公司开发的Nimonic263、日本日立公司开发的FENIX700、日本东芝公司开发的TOS1X、日本三菱公司开发的LTESR700等镍基变形高温合金。为确保合金具有优异的持久强度，目前的候选材料中往往具有较低的Al/Ti比。同时，合金中较高的Cr元素含量也使其抗氧化、抗腐蚀性能得到保障。但随着火电机组蒸汽参数的不断升高，对合金性能的考验更加严苛。
Al元素是合金中重要的析出强化促进元素，较高的Al元素添加有助于提高合金中Ni3Al体积分数，进而使合金获得优异的强度性能。同时，Al元素的加入也会促进Al2O3的形成，对合金的高温抗氧化、抗腐蚀能力带来极大改善。此外，由于Al2O3在电厂煤灰环境中不稳定，尤其当合金中Ti元素含量较高时对表面Al2O3层的完整性造成极大的不利影响。因此，合金中还需确保较高的Cr含量以避免Al2O3退化而对其耐蚀性带来的影响。然而，Al、Cr等元素的不断提高在改善合金高温性能的同时，也将造成其加工性能降低等问题。
发明内容
本发明的目的在于开发一种镍钴基变形高温合金及其加工工艺。
为了实现以上发明目的，本发明所采用的技术方案为：
一种镍钴基变形高温合金，按质量百分数计，包括：Cr：18～21％，Co：27～30％，Ti：3.0～3.5％，Al：3.0～3.5％，W：1.0～3.0％，Mo：≤0.5％，Nb：0.5～1.0％，Ta：≤0.5％，Si：≤0.5％，Mn：≤0.5％，C：0.04～0.07％，B：≤0.003％，Zr：0.01～0.03％，Hf：0.05～0.15％，余量为Ni。
一种镍钴基变形高温合金的加工工艺，按质量百分数计，将Cr：18～21％，Co：27～30％，Ti：3.0～3.5％，Al：3.0～3.5％，W：1.0～3.0％，Mo：≤0.5％，Nb：0.5～1.0％，Ta：≤0.5％，Si：≤0.5％，Mn：≤0.5％，C：0.04～0.07％，B：≤0.003％，Zr：0.01～0.03％，Hf：0.05～0.15％，余量为Ni，在950-1050℃保温0.5-1.0小时，随后在γ’固溶温度以上10-50℃均匀化处理24-72小时，最后在γ’固溶温度以上30-70℃进行高温轧制，每道次变形量10-15％，总变形量不低于70％，最后进行热处理。
本发明进一步的改进在于：以10-20℃/min的速率升温至950-1050℃。
本发明进一步的改进在于：进行高温轧制时采用包套的方式进行，包套材料为厚度为0.5-1.0mm的304不锈钢薄板。
本发明进一步的改进在于：每道次轧制完成后回炉保温10-20min。
本发明进一步的改进在于：热处理的具体过程为：将轧制后的合金在γ’固溶温度以上30℃范围内保温0.5-2.0小时，完成后空冷至室温；随后在γ’固溶温度以下300-350℃范围内保温3-9小时后空冷，最后在γ’固溶温度以下200-250℃范围内保温1-3小时后空冷。
本发明进一步的改进在于：以50-90℃/min的速率升温至γ’固溶温度以上30℃范围内。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：
本发明在保障合金良好的高温强度及抗腐蚀性能的同时兼顾其加工成型性能。合金在高温条件下具备优异的强度性能，同时其变形量可达70％以上，从而获得较大的应变储能，进而对其晶粒尺寸等进行控制。合理调整Al、Cr等耐蚀元素含量，并控制Al、Ti相对比例，获得良好的高温强度及抗腐蚀性能的同时兼顾优异的加工性。此外，控制Nb、W、Mo、Ta含量以进一步控制合金组织稳定性及其高温加工成型性能。
进一步的，为避免合金轧制过程前温度降幅过大促进γ’相析出、以及轧制过程中横向剪切应力导致合金锭开裂等问题，高温热轧采用包套的方式进行，包套材料为厚度为0.5-1.0mm的304不锈钢薄板。
附图说明
图1为实施例1热轧合金锭照片；
图2为实施例2热轧合金锭照片；
图3为对比例1热轧合金锭照片；
图4为对比例2热轧合金锭照片。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明的镍钴基变形高温合金，按质量百分数计，包括：Cr：18～21％，Co：27～30％，Ti：3.0～3.5％，Al：3.0～3.5％，W：1.0～3.0％，Mo：≤0.5％，Nb：0.5～1.0％，Ta：≤0.5％，Si：≤0.5％，Mn：≤0.5％，C：0.04～0.07％，B：≤0.003％，Zr：0.01～0.03％，Hf：0.05～0.15％，余量为Ni。
一种如上所述的镍钴基变形高温合金的加工工艺，将合金以10-20℃/min的速率升温至950-1050℃保温0.5-1.0小时，随后继续升温并在Ni3Al(γ’)固溶温度以上10-50℃均匀化处理24-72小时，最后在γ’固溶温度以上30-70℃进行高温轧制，每道次变形量10-15％，并在轧制完成后回炉保温10-20min，最终合金总变形量不低于70％；
高温热轧采用包套的方式进行，包套材料为厚度为0.5-1.0mm的304不锈钢薄板。
将轧制后的合金以50-90℃/min的速率升温至γ’固溶温度以上30℃范围内保温0.5-2.0小时，完成后空冷至室温；随后将合金加热至γ’固溶温度以下300-350℃范围内保温3-9小时后空冷，最后加热至γ’固溶温度以下200-250℃范围内保温1-3小时后空冷。
合金具备优异的高温强度性能，其铸态合金经固溶处理后在1100℃、1120℃及1140℃屈服强度分别不低于145MPa、140MPa及135MPa。
实施例1
合理调整Al、Cr等耐蚀元素含量，并控制Al、Ti相对比例，获得良好的高温强度及抗腐蚀性能的同时兼顾优异的加工性。合金成分按质量百分比满足如下要求：Cr：18％，Co：30％，Ti：3.5％，Al：3.5％，W：3.0％，Nb：1.0％，Ta：0.5％，Si：0.15％，Mn：0.2％，C：0.07％，B：0.003％，Zr：0.03％，Hf：0.1％，余量为Ni。
将合金以10℃/min的速率升温至950℃保温0.5小时，随后继续升温并在γ’固溶温度以上30℃均匀化处理24小时，最后在γ’固溶温度以上50℃进行高温轧制，每道次变形量10％，并在轧制完成后回炉保温15min，最终合金总变形量70％。为避免合金轧制过程前温度降幅过大促进γ’相析出、以及轧制过程中横向剪切应力导致合金锭开裂等问题，高温热轧采用包套的方式进行，包套材料为厚度为1.0mm的304不锈钢薄板。
将轧制后的合金以60℃/min的速率升温至γ’固溶温度以上30℃保温2小时，完成后空冷至室温；随后将合金加热至γ’固溶温度以下350℃范围内保温8小时后空冷，最后加热至γ’固溶温度以下250℃范围内保温2小时后空冷。
图1为实施例1热轧板照片，可见轧制完成后表面状态良好，无明显宏观裂纹。表明该镍钴基合金在获得高Al、Ti、Cr等元素合金化的同时拥有良好的加工变性能力。
实施例2
合理调整Al、Cr等耐蚀元素含量，并控制Al、Ti相对比例，获得良好的高温强度及抗腐蚀性能的同时兼顾优异的加工性。合金成分按质量百分比满足如下要求：Cr：21％，Co：28％，Ti：3.5％，Al：3.0％，W：3.0％，Mo：0.5％，Nb：1.0％，Si：0.15％，Mn：0.3％，C：0.07％，B：0.003％，Zr：0.03％，Hf：0.1％，余量为Ni。
将合金以10℃/min的速率升温至950℃保温0.5小时，随后继续升温并在γ’固溶温度以上30℃均匀化处理24小时，最后在γ’固溶温度以上50℃进行高温轧制，每道次变形量10％，并在轧制完成后回炉保温15min，最终合金总变形量70％。为避免合金轧制过程前温度降幅过大促进γ’相析出、以及轧制过程中横向剪切应力导致合金锭开裂等问题，高温热轧采用包套的方式进行，包套材料为厚度为1.0mm的304不锈钢薄板。
将轧制后的合金以60℃/min的速率升温至γ’固溶温度以上30℃保温2小时，完成后空冷至室温；随后将合金加热至γ’固溶温度以下350℃范围内保温8小时后空冷，最后加热至γ’固溶温度以下250℃范围内保温2小时后空冷。
图2为实施例2热轧板照片，轧制完成后表面状态良好，观察无明显宏观裂纹。进一步证实了该镍钴基合金在获得高Al、Ti、Cr等元素合金化的同时拥有良好的加工变性能力。
实施例3
将Cr：21％，Co：30％，Ti：3.0％，Al：3.2％，W：1.0％，Mo：0.5％，Nb：0.5％，Ta：0.2％，Si：0.1％，Mn：0.2％，C：0.04％，B：0.003％，Zr：0.03％，Hf：0.05％，余量为Ni，以10℃/min的速率升温至950℃保温1.0小时，随后在γ’固溶温度以上10℃均匀化处理72小时，最后采用厚度为0.5-1.0mm的304不锈钢薄板进行包套后，在γ’固溶温度以上30℃进行高温轧制，每道次变形量15％，总变形量不低于70％，每道次轧制完成后回炉保温10min；最后进行热处理，具体过程为：将轧制后的合金以50℃/min的速率升温至γ’固溶温度以上30℃范围内保温0.5小时，完成后空冷至室温；随后在γ’固溶温度以下350℃范围内保温3小时后空冷，最后在γ’固溶温度以下200℃范围内保温3小时后空冷。
实施例4
将Cr：18％，Co：27％，Ti：3.5％，Al：3％，W：2.0％，Mo：0.2％，Nb：0.7％，Ta：0.1％，Si：0.5％，Mn：0.5％，C：0.07％，B：0.001％，Zr：0.02％，Hf：0.1％，余量为Ni，以15℃/min的速率升温至1050℃保温0.5小时，随后在γ’固溶温度以上30℃均匀化处理51小时，最后采用厚度为0.5-1.0mm的304不锈钢薄板进行包套后，在γ’固溶温度以上70℃进行高温轧制，每道次变形量12％，总变形量不低于70％，每道次轧制完成后回炉保温15min；最后进行热处理，具体过程为：将轧制后的合金以70℃/min的速率升温至γ’固溶温度以上30℃范围内保温1小时，完成后空冷至室温；随后在γ’固溶温度以下320℃范围内保温6小时后空冷，最后在γ’固溶温度以下230℃范围内保温1小时后空冷。
实施例5
将Cr：20％，Co：28％，Ti：3.2％，Al：3.5％，W：3.0％，Mo：0.1％，Nb：1％，Ta：0.5％，C：0.05％，B：0.002％，Zr：0.03％，Hf：0.15％，余量为Ni，以20℃/min的速率升温至1000℃保温0.7小时，随后在γ’固溶温度以上50℃均匀化处理24小时，最后采用厚度为0.5-1.0mm的304不锈钢薄板进行包套后，在γ’固溶温度以上50℃进行高温轧制，每道次变形量10％，总变形量不低于70％，每道次轧制完成后回炉保温20min；最后进行热处理，具体过程为：将轧制后的合金以90℃/min的速率升温至γ’固溶温度以上30℃范围内保温2小时，完成后空冷至室温；随后在γ’固溶温度以下300℃范围内保温9小时后空冷，最后在γ’固溶温度以下250℃范围内保温1小时后空冷。
对比例1
合金成分按质量百分比满足如下要求：Cr：18％，Co：30％，Ti：3.5％，Al：3.5％，W：3.0％，Nb：1.0％，Ta：1.0％，Si：0.15％，Mn：0.2％，C：0.07％，B：0.003％，Zr：0.03％，Hf：0.1％，余量为Ni。
将合金以10℃/min的速率升温至950℃保温0.5小时，随后继续升温并在γ’固溶温度以上30℃均匀化处理24小时，最后在γ’固溶温度以上50℃进行高温轧制，每道次变形量10％，并在轧制完成后回炉保温15min，最终合金总变形量70％。为避免合金轧制过程前温度降幅过大促进γ’相析出、以及轧制过程中横向剪切应力导致合金锭开裂等问题，高温热轧采用包套的方式进行，包套材料为厚度为1.0mm的304不锈钢薄板。
将轧制后的合金以60℃/min的速率升温至γ’固溶温度以上30℃保温2小时，完成后空冷至室温；随后将合金加热至γ’固溶温度以下350℃范围内保温8小时后空冷，最后加热至γ’固溶温度以下250℃范围内保温2小时后空冷。
图3为对比例1热轧板照片，可见轧制完成后铸锭两侧出现明显的宏观裂纹，说明合金中Ta元素的加入对合金加工性能具有不利影响。
对比例2
合金成分按质量百分比满足如下要求：Cr：20％，Co：28％，Ti：3.5％，Al：3.0％，W：3.0％，Mo：1.0％，Nb：0.5％，Ta：1.0％，Si：0.15％，Mn：0.2％，C：0.07％，B：0.003％，Zr：0.03％，Hf：0.1％，余量为Ni。
将合金以10℃/min的速率升温至950℃保温0.5小时，随后继续升温并在γ’固溶温度以上30℃均匀化处理24小时，最后在γ’固溶温度以上50℃进行高温轧制，每道次变形量10％，并在轧制完成后回炉保温15min，最终合金总变形量70％。为避免合金轧制过程前温度降幅过大促进γ’相析出、以及轧制过程中横向剪切应力导致合金锭开裂等问题，高温热轧采用包套的方式进行，包套材料为厚度为1.0mm的304不锈钢薄板。
将轧制后的合金以60℃/min的速率升温至γ’固溶温度以上30℃保温2小时，完成后空冷至室温；随后将合金加热至γ’固溶温度以下350℃范围内保温8小时后空冷，最后加热至γ’固溶温度以下250℃范围内保温2小时后空冷。
图4为对比例2热轧板照片，轧制完成后铸锭两侧出现明显的宏观裂纹，说明合金中Mo、Ta等元素含量的增加对合金加工性能具有不利影响。
表1为几种合金固溶态屈服强度测试结果，可见几种合金在1100℃、1120℃及1140℃屈服强度分别不低于140MPa、140MPa及135MPa。其中，Ta、Mo、Nb等元素的增加对合金强度性能的提高效果并不显著，但却造成其加工性能明显下降。
表1
合金 1100℃ 1120℃ 1140℃
实施例1 160MPa 158MPa 154MPa
实施例2 148MPa 145MPa 140MPa
对比例1 180MPa 179MPa 157MPa
对比例2 160MPa 153MPa 140MPa
本发明是针对先进超超临界火电机组要求而开发的，可满足过/再热器、主蒸汽管、集箱等高温部件的使用性能需求。合金成分按质量百分比满足如下范围要求：Cr：18～21％，Co：27～30％，Ti：3.0～3.5％，Al：3.0～3.5％，W：1.0～3.0％，Mo：≤1.0％，Nb：0.5～1.0％，Ta：≤0.5％，Si：≤0.5％，Mn：≤0.5％，C：0.04～0.07％，B：≤0.003％，Zr：0.01～0.03％，Hf：0.05～0.15％，余量为Ni；合金熔炼后均匀化处理，热轧，最后热处理。本发明具备优异的高温强度性能，其铸态合金经固溶处理后在1100、1120及1140℃屈服强度分别不低于145、140及135MPa。同时，合金具备优异的加工性能，其在1180-1200℃热轧变形量可达70％以上。

Claims (7)

1.一种镍钴基变形高温合金，其特征在于：按质量百分数计，包括：Cr：18～21％，Co：27～30％，Ti：3.0～3.5％，Al：3.0～3.5％，W：1.0～3.0％，Mo：≤0.5％，Nb：0.5～1.0％，Ta：≤0.5％，Si：≤0.5％，Mn：≤0.5％，C：0.04～0.07％，B：≤0.003％，Zr：0.01～0.03％，Hf：0.05～0.15％，余量为Ni。
2.一种镍钴基变形高温合金的加工工艺，其特征在于：按质量百分数计，将Cr：18～21％，Co：27～30％，Ti：3.0～3.5％，Al：3.0～3.5％，W：1.0～3.0％，Mo：≤0.5％，Nb：0.5～1.0％，Ta：≤0.5％，Si：≤0.5％，Mn：≤0.5％，C：0.04～0.07％，B：≤0.003％，Zr：0.01～0.03％，Hf：0.05～0.15％，余量为Ni，在950-1050℃保温0.5-1.0小时，随后在γ’固溶温度以上10-50℃均匀化处理24-72小时，最后在γ’固溶温度以上30-70℃进行高温轧制，每道次变形量10-15％，总变形量不低于70％，最后进行热处理。
3.根据权利要求2所述的一种镍钴基变形高温合金的加工工艺，其特征在于：以10-20℃/min的速率升温至950-1050℃。
4.根据权利要求2所述的一种镍钴基变形高温合金的加工工艺，其特征在于：进行高温轧制时采用包套的方式进行，包套材料为厚度为0.5-1.0mm的304不锈钢薄板。
5.根据权利要求2所述的一种镍钴基变形高温合金的加工工艺，其特征在于：每道次轧制完成后回炉保温10-20min。
6.根据权利要求2所述的一种镍钴基变形高温合金的加工工艺，其特征在于：热处理的具体过程为：将轧制后的合金在γ’固溶温度以上30℃范围内保温0.5-2.0小时，完成后空冷至室温；随后在γ’固溶温度以下300-350℃范围内保温3-9小时后空冷，最后在γ’固溶温度以下200-250℃范围内保温1-3小时后空冷。
7.根据权利要求6所述的一种镍钴基变形高温合金的加工工艺，其特征在于：以50-90℃/min的速率升温至γ’固溶温度以上30℃范围内。
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CN102443721A (zh) * 2010-10-13 2012-05-09 中国科学院金属研究所 一种组织稳定性好、易加工的镍钴基高温合金
CN110157954A (zh) * 2019-06-14 2019-08-23 中国华能集团有限公司 一种复合强化型耐蚀高温合金及其制备工艺

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