CN112030040B - 一种高铌含量的高强镍基变形高温合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高铌含量的高强镍基变形高温合金及其制备方法，按重量百分比计，所述高强镍基变形高温合金的制备成分为：Cr 9~14，Co 14~16，Mo 4~6，W 2~4，Nb 4~6，Ti 2~4，Al 3~5，C 0.04~0.12，B 0.005~0.02，Zr 0.01~0.05，V 0.4~1.5，Fe 0.05~2.0，Ni余量。在所述高强镍基变形高温合金的制备过程中，添加V元素析出含V元素的M2(CN)型碳氮化物，改善了所述高强镍基变形高温合金800℃的持久性能；同时，在所述合金铸锭的真空感应熔炼过程中，通过添加NiNb中间合金降低Nb元素的偏析倾向；真空自耗重熔通过精确调整熔速控制抑制冶金缺陷的形成；对合金棒坯进行二次均匀化处理，进一步地降低了Nb元素偏析，最终制备出高质量、低偏析的高铌含量的高强镍基变形高温合金。

Description

一种高铌含量的高强镍基变形高温合金及其制备方法
技术领域
本发明属于高温合金技术领域，具体涉及一种高铌含量的高强镍基变形高温合金及其制备方法。
背景技术
在先进燃气涡轮式发动机中，高压压气机盘和涡轮盘是最关键的热端转动部件，普遍采用镍基高温合金制造。为了提高镍基高温合金的性能，增加Co、Cr、Al、Ti、Nb、W、Mo等合金元素的含量，是最有效的途径之一。尤其是Nb元素，能够显著提高合金的强度。
虽然过高的合金元素可以使合金获得了足够的性能，但是给合金的冶炼和锻造带来一系列的难题。例如美国的Rene95合金（质量百分数，Cr 12~14，Co 7~9，Mo 3.3~3.7，W3.3~3.7，Nb 3.3~3.7，Ti 2.3~2.7，Al 3.5~3.7，C 0.04~0.09，B 0.006~0.016，Zr 0.03~0.07，Ni 余量），含有3.3~3.7%的Nb元素，室温抗拉强度超过1600MPa。然而，Nb、Mo、W元素的复合添加，会造成合金采用铸锻+锻造工艺的制备易出现严重的凝固元素偏析，只能采用成本高、周期长的粉末冶金工艺生产。
因此，亟需设计了一种高铌含量的高强镍基变形高温合金，满足先进燃气涡轮式发动机选材需求。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明提供一种高铌含量的高强镍基变形高温合金及其制备方法，可制备出高质量、低偏析的高铌含量的高强镍基变形高温合金棒材。
本发明提供一种高铌含量的高强镍基变形高温合金，其特征在于，制备成分配比以质量百分比计：Cr 9~14，Co 14~16，Mo 4~6，W 2~4，Nb 4~6，Ti 2~4，Al 3~5，C 0.04~0.12，B 0.005~0.02，Zr 0.01~0.05，V 0.4~1.5，Fe 0.05~2.0，Ni 余量。该步骤的技术效果是：以Ni-Co-Cr为基体的合金中添加高含量的Nb、Al、Ti沉淀强化元素和高含量的W、Mo、V固溶强化元素提高合金强度，适量添加B、C、Zr有益元素改善强韧性，加入少量Fe改善制备工艺性能，使合金具有在室温~800℃温度范围内有益的力学性能，同时采用铸-锻工艺具备可制备性。
进一步地，前述的高强镍基变形高温合金还包括杂质元素，在所述的杂质元素中，P≤0.010%、Mn≤0.15%、Si≤0.15%、S≤0.005%、O≤0.002%、N≤0.006%、Ag≤0.0005%、Ca≤0.005%、Sn≤0.005%、Pb≤0.0005%，Cu≤0.1%、Ta≤0.1%。通过该配比，可提高合金的纯净度，改善合金的工艺性能和力学性能。
进一步地，前述的高强镍基变形高温合金包括含V元素的M2(CN)型碳氮化物。通过该技术特征，可使得制备的高强镍基变形高温合金，能够在室温~800℃温度范围内稳定存在，起到改善合金高温持久性能的作用。
更进一步地，在前述的高强镍基变形高温合金中，所述含V元素的M2(CN)型碳氮化物，以弥散的颗粒状在所述镍基变形高温合金中分布。通过该技术特征，可改善高强镍基变形高温合金的组织性能均匀性，提高部件的使用可靠性。
进一步地，在所述镍基变形高温合金中，所述W和Mo含量大于7wt.%。通过该技术特征，可使高强镍基变形高温合金具有足够的固溶强化效果，能够在室温~800℃温度范围内获得优异的高温持久性能。
本发明还提供一种高铌含量的高强镍基变形高温合金的制备方法，所述的制备方法包括以下步骤：
步骤一、根据前述高强镍基变形高温合金的制备成分配比，称取原材料；
步骤二、对所述的原材料进行真空感应熔炼和至少一次的重熔精炼，得到真空自耗重熔锭；
步骤三、对所述的真空自耗重熔锭进行高温扩散均匀化处理，再进行自由锻造开坯得到棒坯，然后对所述棒坯进行二次均匀化处理，再进行自由锻造，达到5~20的锻比后，获得高铌含量的高强镍基变形高温合金棒材。
通过上述方法步骤，采用铸-锻的工艺方法，制备出可在室温~800℃温度范围内使用个具有优异的拉伸强度和持久性能的高强镍基变形高温合金。
进一步地，对于前述的的制备方法，在步骤二中，所述的合金原材料中的Nb采用NiNb中间合金形式添加，且添加的原则是：在金属Ni、金属Mo、金属Co、金属W、VFe合金在真空感应炉中熔化后，再向真空感应炉炉内添加金属Cr，然后再添加NiNb中间合金，得到钢液；然后将钢液升温至1400~1550℃，电磁搅拌15~60min，然后停止搅拌1430~1520℃保温30min~90min，取样进行成分分析合格后，调整钢液温度至1450~1550℃，将钢液倒入铁质模具内，获得真空感应锭；通过该技术处理，可以利用优化后的真空感应炉冶炼获得本专利配比的高铌含量的高强镍基变形高温合金的真空感应锭，尤其是铌元素的分布更为均匀。
进一步地，对于前述的的制备方法，所述的真空感应锭经车光后制备电极再进行自耗重熔，初始稳态熔速控制为3.0~4.0kg/min，在进入稳态熔速冶炼完成钢锭重量达到500kg~1500kg后开始按照0.05~0.5kg/min/h的速率无极变速调低熔速，当熔速降低至2.5~3.5kg/min后保持稳定熔速；当剩余电极质量为200kg~800kg时，将熔速调低至0.5~2.0kg/min，开始热封顶，获得真空自耗重熔锭。通过该技术处理，可以利用优化后的真空自耗重熔炉冶炼获得本专利配比合金的真空自耗锭，能够有效降低元素的偏析程度，同时无黑斑、白斑等冶金缺陷。
进一步地，对于前述的的制备方法，所述的合金原材料在真空感应熔炼过程的添加顺序为：冶炼开始前首先向真空感应炉中加入金属Ni、金属Mo、金属Co、金属W、VFe合金和元素C，抽真空后开始熔炼，当炉内的初始料熔化后再向炉内添加金属Cr，然后再添加NiNb中间合金，然后将钢液升温至1400~1550℃，电磁搅拌15~60min，然后停止搅拌，1430~1520℃保温30min~90min，然后加入金属Al和金属Ti，电磁搅拌5~30min，取样进行成分分析合格后，加入BFe和金属Zr，电磁搅拌5~30min，调整钢液温度至1450~1550℃，将钢液倒入铁质模具内，获得真空感应锭。通过该技术处理，可以利用优化后的真空感应炉冶炼获得本专利配比合金的真空感应锭，尤其是Al、Ti、B、Zr元素的控制更为准确，进而使合金获得满意的性能。
进一步地，对于前述的制备方法，在步骤三中，所述的真空自耗重熔锭经1180℃~1210℃保温24~72h高温扩散均匀化处理后，采用镦粗和拔长的方式进行自由锻造开坯，锻比达到1~5后，进而1150℃~1190℃保温4~24h二次均匀化处理，然后再采用镦粗和拔长的方式进行自由锻造开坯，锻比达到5~20后，获得高铌含量的高强镍基变形高温合金棒材。通过该技术处理，可以利用优化后的锻造处理工艺结合二次均匀化处理工艺，降低合金的成分偏析程度，改善组织性能均匀性，进而使合金获得满意的800℃热暴露3000h的长时组织性能稳定性。
本发明创造的有益效果：
本发明提供一种高铌含量的高强镍基变形高温合金及其制备方法，得到的高铌含量的高强镍基变形高温合金无黑斑和白斑等冶金缺陷，室温拉伸抗拉强度1550~1630MPa、屈服强度1150~1280MPa；800℃/450MPa持久寿命93~150h；800℃长时热暴露后3000h后，室温拉伸抗拉强度1493~1580MPa、屈服强度1126~1295MPa，显微组织分析发现无明显有害TCP相析出。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明合金棒材的晶粒组织和其中弥散分布的碳化物组织图。
具体实施方式
下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照国家标准测定。若没有相应的国家标准，则按照通用的国际标准、常规条件、或按照制造厂商所建议的条件进行。
可对本发明提到的特征或实施例提到的特征进行组合。本说明书所揭示的所有特征可与任何组合物形式并用，说明书中所揭示的各个特征，可以任何可提供相同、均等或相似目的的替代性特征取代。因此除有特别说明，所揭示的特征仅为均等或相似特征的一般性例子。
在本发明中，如果没有特别的说明，本文所提到的所有技术特征以及优选特征可以相互组合形成新的技术方案。
在本发明中，如果没有特别的说明，本文所提到的取样进行成分分析合格是指达到所述的合金原材料的制备成分配比要求。
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明，但本发明包括但不限于这些实施例。
实施例1、一种高铌含量的高强镍基变形高温合金的制备方法
本实施例主要描述一种高铌含量的高强镍基变形高温合金的制备方法，所述的高强镍基变形高温合金的制备成分配比，以质量百分比计，包括：Cr 9.5，Co 15.3，Mo 4.5，W3.8，Nb 4.2，Ti 2.2，Al 3.5，C 0.05，B 0.01，Zr 0.035，V 0.7，Fe 0.12，Ni 余量。
原材料采用全新金属原材料，金属原材料包括：金属Ni、金属Cr或NiCr合金、金属Ti、金属Al、金属Mo、金属Co、金属W、NiNb中间合金、VFe合金（钒铁）、C（碳）电极、BFe（硼铁）和金属Zr。金属原材料按照成分配比配入。
该新型镍基变形高温合金轮盘材料的制备方法，包括以下步骤：
按照高铌含量的高强镍基变形高温合金成分称取原材料，进行真空感应熔炼。冶炼开始前首先向真空感应炉中加入金属Ni、金属Mo、金属Co、金属W和VFe合金和元素C，抽真空后开始熔炼，当炉内的初始料熔化后再向炉内添加金属Cr，然后再添加NiNb中间合金，然后将钢液升温至1480℃，电磁搅拌20min，然后停止搅拌，1450℃保温60min，然后加入金属Al和金属Ti，电磁搅拌20min，取样进行成分分析合格后，加入BFe和金属Zr，电磁搅拌20min，调整钢液温度至1450~1550℃，将钢液倒入铁质模具内，获得真空感应锭。
真空感应锭经车光后制备电极再进行自耗重熔，初始稳态熔速控制为3.8kg/min，在进入稳态熔速冶炼完成钢锭重量达到500kg后开始按照0.1kg/min/h的速率无极变速调低熔速（熔速无极变速），当熔速降低至2.8kg/min后保持稳定熔速。当剩余电极质量为200kg时，将熔速调低至0.8kg/min，开始热封顶，获得真空自耗重熔锭。
铸锭经1180℃保温48h高温扩散均匀化处理后，采用镦粗和拔长的方式进行自由锻造开坯，锻比达到3后，然后进行1180℃保温8h二次均匀化处理（二次均匀化处理，工艺为1150℃~1190℃保温4~24h），然后再采用镦粗和拔长的方式进行自由锻造开坯，锻比达到15后，获得高铌含量的高强镍基变形高温合金棒材。
对制备得到高铌含量的高强镍基变形高温合金棒材进行组织性能测试，测试结果表明：无冶金缺陷；室温拉伸抗拉强度σb=1630MPa、屈服强度σ0.2=1280MPa；800℃/450MPa持久寿命τ=150h；800℃长时热暴露后3000h后，室温拉伸抗拉强度σb=1580MPa、屈服强度σ0.2=1185MPa，显微组织分析发现无明显有害TCP相析出。所述的高强镍基变形高温合金还包括杂质元素，在所述的杂质元素中，P≤0.010%、Mn≤0.15%、Si≤0.15%、S≤0.005%、O≤0.002%、N≤0.006%、Ag≤0.0005%、Ca≤0.005%、Sn≤0.005%、Pb≤0.0005%，Cu≤0.1%、Ta≤0.1%。
实施例2、一种高铌含量的高强镍基变形高温合金的制备方法
本实施例主要描述一种高铌含量的高强镍基变形高温合金的制备方法，所述的高强镍基变形高温合金的制备成分配比，以质量百分比计，包括：Cr 9，Co 14，Mo 4，W 3.1，Nb4，Ti 2，Al 3，C 0.04，B 0.005，Zr 0.01，V 0.4，Fe 0.05，Ni 余量。
原材料采用全新金属原材料，金属原材料包括：金属Ni、金属Cr或NiCr合金、金属Ti、金属Al、金属Mo、金属Co、金属W、NiNb中间合金、VFe合金（钒铁）、C（碳）电极、BFe（硼铁）和金属Zr。金属原材料按照成分配比配入。
该新型镍基变形高温合金轮盘材料的制备方法，包括以下步骤：
按照高铌含量的高强镍基变形高温合金成分称取原材料，进行真空感应熔炼。冶炼开始前首先向真空感应炉中加入金属Ni、金属Mo、金属Co、金属W、VFe合金和元素C，抽真空后开始熔炼，当炉内的初始料熔化后再向炉内添加金属Cr，然后再添加NiNb中间合金，然后将钢液升温至1400℃，电磁搅拌15min，然后停止搅拌，1430℃保温30min，然后加入金属Al和金属Ti，电磁搅拌30min，取样进行成分分析合格后，加入BFe和金属Zr，电磁搅拌5min，调整钢液温度至1450℃，将钢液倒入铁质模具内，获得真空感应锭。
真空感应锭经车光后制备电极再进行自耗重熔，初始稳态熔速控制为3.0kg/min，在进入稳态熔速冶炼完成钢锭重量达到500kg后开始按照0.05kg/min/h的速率无极变速调低熔速，当熔速降低至2.5kg/min后保持稳定熔速。当剩余电极质量为200kg时，将熔速调低至0.5kg/min，开始热封顶，获得真空自耗重熔锭。
铸锭经1180℃保温24h高温扩散均匀化处理后，采用镦粗和拔长的方式进行自由锻造开坯，锻比达到1后，进而1150℃保温4h二次均匀化处理，然后再采用镦粗和拔长的方式进行自由锻造开坯，锻比达到5后，获得高铌含量的高强镍基变形高温合金棒材。
对制备得到高铌含量的高强镍基变形高温合金棒材进行组织性能测试，测试结果表明：无冶金缺陷；室温拉伸抗拉强度σb=1580MPa、屈服强度σ0.2=1205MPa；
800℃/450MPa持久寿命τ=93h；800℃长时热暴露后3000h后，室温拉伸抗拉强度σb=1490MPa、屈服强度σ0.2=1295MPa，显微组织分析发现无明显有害TCP相析出。
实施例3、一种高铌含量的高强镍基变形高温合金的制备方法
本实施例主要描述一种高铌含量的高强镍基变形高温合金的制备方法，所述的高强镍基变形高温合金的制备成分配比，以质量百分比计，包括：Cr 14，Co 16，Mo 6，W 4，Nb6，Ti 4，Al 5，C 0.12，B 0.02，Zr 0.05，V 1.5，Fe 2.0，Ni 余量。
原材料采用全新金属原材料，金属原材料包括：金属Ni、金属Cr或NiCr合金、金属Ti、金属Al、金属Mo、金属Co、金属W、NiNb中间合金、VFe合金（钒铁）、C（碳）电极、BFe（硼铁）和金属Zr。金属原材料按照成分配比配入。
该新型镍基变形高温合金轮盘材料的制备方法，包括以下步骤：
按照高铌含量的高强镍基变形高温合金成分称取原材料，进行真空感应熔炼。冶炼开始前首先向真空感应炉中加入金属Ni、金属Mo、金属Co、金属W、VFe合金、C不易氧化金属，抽真空后开始熔炼，当炉内的初始料熔化后再向炉内添加金属Cr，然后再添加NiNb中间合金，然后将钢液升温至1550℃，电磁搅拌60min，然后停止搅拌，1520℃保温90min，然后加入金属Al和金属Ti，电磁搅拌5min，取样进行成分分析合格后，加入BFe和金属Zr，电磁搅拌30min，调整钢液温度至1550℃，将钢液倒入铁质模具内，获得真空感应锭。
真空感应锭经车光后制备电极再进行自耗重熔，初始稳态熔速控制为4.0kg/min，在进入稳态熔速冶炼完成钢锭重量达到1500kg后开始按照0.5kg/min/h的速率无极变速调低熔速，当熔速降低至3.5kg/min后保持稳定熔速。当剩余电极质量为800kg时，将熔速调低至2.0kg/min，开始热封顶，获得真空自耗重熔锭。
铸锭经1210℃保温72h高温扩散均匀化处理后，采用镦粗和拔长的方式进行自由锻造开坯，锻比达到5后，进而1190℃保温24h二次均匀化处理，然后再采用镦粗和拔长的方式进行自由锻造开坯，锻比达到20后，获得高铌含量的高强镍基变形高温合金棒材。
对制备得到高铌含量的高强镍基变形高温合金棒材进行组织性能测试，测试结果表明：无冶金缺陷；室温拉伸抗拉强度σb=1550MPa、屈服强度σ0.2=1150MPa；
800℃/450MPa持久寿命τ=118h；800℃长时热暴露后3000h后，室温拉伸抗拉强度σb=1495MPa、屈服强度σ0.2=1115MPa，显微组织分析发现无明显有害TCP相析出。所述的高强镍基变形高温合金还包括杂质元素，在所述的杂质元素中，P≤0.010%、Mn≤0.15%、Si≤0.15%、S≤0.005%、O≤0.002%、N≤0.006%、Ag≤0.0005%、Ca≤0.005%、Sn≤0.005%、Pb≤0.0005%，Cu≤0.1%、Ta≤0.1%。
实施例4、一种高铌含量的高强镍基变形高温合金的制备方法
本实施例主要描述一种高铌含量的高强镍基变形高温合金的制备方法，所述的高强镍基变形高温合金的制备成分配比，以质量百分比计，包括：Cr 9，Co 14，Mo5.2，W 2，Nb4，Ti 2，Al 3，C 0.04，B 0.005，Zr 0.01，V 0.4，Fe 0.05，Ni 余量。
原材料采用全新金属原材料，金属原材料包括但不限于：金属Ni、金属Cr或NiCr合金、金属Ti、金属Al、金属Mo、金属Co、金属W、NiNb中间合金、VFe合金（钒铁）、C（碳）电极、BFe（硼铁）和金属Zr。金属原材料按照成分配比配入。
该新型镍基变形高温合金轮盘材料的制备方法，包括以下步骤：
按照高铌含量的高强镍基变形高温合金成分称取原材料，进行真空感应熔炼。冶炼开始前首先向真空感应炉中加入金属Ni、金属Mo、金属Co、金属W、VFe合金、C不易氧化金属，抽真空后开始熔炼，当炉内的初始料熔化后再向炉内添加金属Cr，然后再添加NiNb中间合金，然后将钢液升温至1400℃，电磁搅拌15min，然后停止搅拌，1430℃保温30min，然后加入金属Al和金属Ti，电磁搅拌20min，取样进行成分分析合格后，调整钢液温度至1450℃，将钢液倒入铁质模具内，获得真空感应锭；
真空感应锭经车光后制备电极再进行自耗重熔，初始稳态熔速控制为3.0kg/min，在进入稳态熔速冶炼完成钢锭重量达到500kg后开始按照0.05kg/min/h的速率无极变速调低熔速，当熔速降低至2.5kg/min后保持稳定熔速。当剩余电极质量为200kg时，将熔速调低至0.5kg/min，开始热封顶，获得真空自耗重熔锭。
铸锭经1180℃保温24h高温扩散均匀化处理后，采用镦粗和拔长的方式进行自由锻造开坯，锻比达到1后，进而1150℃保温4h二次均匀化处理，然后再采用镦粗和拔长的方式进行自由锻造开坯，锻比达到5后，获得高铌含量的高强镍基变形高温合金棒材。
组织性能测试结果表明：
无冶金缺陷；
室温拉伸抗拉强度σb=1618MPa、屈服强度σ0.2=1235MPa；
800℃/450MPa持久寿命τ=115h；
800℃长时热暴露后3000h后，室温拉伸抗拉强度σb=1493MPa、屈服强度σ0.2=1126MPa，显微组织分析发现无明显有害TCP相析出。
实施例5、一种高铌含量的高强镍基变形高温合金的制备方法
本实施例主要描述一种高铌含量的高强镍基变形高温合金的制备方法，所述的高强镍基变形高温合金的制备成分配比，以质量百分比计，包括：Cr 14，Co 16，Mo 6，W 4，Nb6，Ti 4，Al 5，C 0.12，B 0.02，Zr 0.05，V 1.5，Fe 2.0，Ni 余量。
原材料采用全新金属原材料，金属原材料包括但不限于：金属Ni、金属Cr或NiCr合金、金属Ti、金属Al、金属Mo、金属Co、金属W、NiNb中间合金、VFe合金（钒铁）、C（碳）电极、BFe（硼铁）和金属Zr。金属原材料按照成分配比配入。
该新型镍基变形高温合金轮盘材料的制备方法，包括以下步骤：
按照高铌含量的高强镍基变形高温合金成分称取原材料，进行真空感应熔炼。冶炼开始前首先向真空感应炉中加入金属Ni、金属Mo、金属Co、金属W、VFe合金、C不易氧化金属，抽真空后开始熔炼，当炉内的初始料熔化后再向炉内添加金属Cr，然后再添加NiNb中间合金，然后将钢液升温至1550℃，电磁搅拌60min，然后停止搅拌，1520℃保温90min，调整钢液温度至1550℃，将钢液倒入铁质模具内，获得真空感应锭；
真空感应锭经车光后制备电极再进行自耗重熔，初始稳态熔速控制为4.0kg/min，在进入稳态熔速冶炼完成钢锭重量达到1500kg后开始按照0.5kg/min/h的速率无极变速调低熔速，当熔速降低至3.5kg/min后保持稳定熔速。当剩余电极质量为800kg时，将熔速调低至2.0kg/min，开始热封顶，获得真空自耗重熔锭。
铸锭经1210℃保温72h高温扩散均匀化处理后，采用镦粗和拔长的方式进行自由锻造开坯，锻比达到5后，进而1190℃保温24h二次均匀化处理，然后再采用镦粗和拔长的方式进行自由锻造开坯，锻比达到20后，获得高铌含量的高强镍基变形高温合金棒材。
组织性能测试结果表明：
无冶金缺陷；
室温拉伸抗拉强度σb=1603MPa、屈服强度σ0.2=1212MPa；
800℃/450MPa持久寿命τ=98h；
800℃长时热暴露后3000h后，室温拉伸抗拉强度σb=1498MPa、屈服强度σ0.2=1135MPa，显微组织分析发现无明显有害TCP相析出。
在本发明中，发明人经研究发现，本发明提供一种高铌含量的高强镍基变形高温合金的成分，本发明的合金的按重量百分比计，其成分优选为：Cr 9~14，Co 14~16，Mo 4~6，W 2~4，Nb 4~6，Ti 2~4，Al 3~5，C 0.04~0.12，B 0.005~0.02，Zr 0.01~0.05，V 0.4~1.5，Fe0.05~2.0，Ni 余量。优选地，所述的的合金的按重量百分比计，其成分更优选为：Cr 9~12，Co 14~16，Mo 4~5，W 2~4，Nb 4~5，Ti 2~3，Al 3~4，C 0.04~0.09，B 0.005~0.015，Zr 0.01~0.05，V 0.4~1，Fe 0.05~2.0，Ni 为余量。
进一步地，发明人研究发现，本发明所述的高强镍基变形高温合金，以Ni-Co-Cr为基体，添加Al+Ti+Nb为γ'相沉淀强化元素，添加W+Mo为固溶强化元素。为了保证足够优异的室温强度，确保含有足够量的强化相γ'相，但是为了兼顾铸-锻工艺性能，Ti、Al元素含量不变，增加Nb元素质量分数为17~23%，一方面Nb元素主要进入γ'相中，可减缓γ'相在铸造和锻造过程中的析出速度有利于锻造工艺性能，同时可适当提高γ'相含量（由50~53%增至54~56%）；另一方面Nb元素是强碳化物形成元素，可形成富Nb、Ti的MC型碳化物，可改善800℃高温下的热强性。为了改善合金在800℃具有优异的高温长时热稳定性，提高Co元素含量以降低合金的层错能，降低Cr元素含量以降低有害的TCP相（拓扑秘排相）析出倾向，使Ni-Co-Cr比例由58-64:6-10:10-15调整为50-60:12-17:8-13，还可改善合金的抗疲劳裂纹扩展能力，改善合金的损伤容限能力；同时调整W、Mo元素含量配比（增高Mo元素含量，降低W元素含量），由于W元素的原子序数较大，原子半径更大，调低W增高Mo可降低TCP相的析出倾向，但W+Mo含量仍大于7wt.%。
发明人研究发现，由于本专利所述的高强镍基变形高温合金，采用铸-锻工艺制备，合金钢锭在冶炼过程中会残留一定量的N元素，N元素会与合金的Ti元素形成富钛的氮化物，这种氮化物易于聚集并形成链状，会成为疲劳裂纹萌生源，尤其不利于合金的低周疲劳性能。鉴于此，本专利合金中添加适量的V元素，一方面在熔炼过程中优先于Ti与C、N元素结合形成热力学更为稳定的M2(CN)型碳氮化物，且以弥散的颗粒状在合金中分布，这可起到改善合金热强性能的作用，见图1。
在本发明中，发明人考虑到所述的高强镍基变形高温合金，采用工业化的冶炼工艺生产，熔炼坩埚可能会生产含Fe的合金，对于不含Fe的合金，为了避免Fe元素污染，在生产前需要用纯Ni金属熔炼清洗坩埚，不仅影响生产效率，还会增加生产成本。为了提高冶炼生产效率，合金中允许混入少量Fe元素，上限为2.0%。但是Fe元素的添加会增加合金中σ相等TCP相的析出倾向。本专利采用热力学计算了不同Fe元素加入量σ相的析出动力学，并结合试验验证，本专利成分配比的合金经800℃长时热暴露3000h后无σ相析出。所述的高强镍基变形高温合金中加入B、Zr元素改善晶界性能，但是由于B、Zr元素在凝固过程中易出现枝晶偏聚，不利于铸锭开坯过程的热加工塑性，因此发明人尝试添加少量Mg元素，改善了合金铸锭的热加工塑性。
在本发明中，发明人多次的实验研究结果表明：如果需保证合金采用铸-锻工艺具备优异的工艺性能和良好的力学性能，对杂质元素的含量需进行限定。S元素含量过高会直接影响钢锭的热塑性，因此S元素的最优选上限为0.0012%；O、N为气体元素，O、N含量过高会形成较多的氧化物与氮化物，不利于钢锭的热塑性与合金的疲劳性能，因此O+N含量的最优选上限为0.005%。
在本发明中，发明人经研究发现，新合金的成分仍然具有较高的合金化水平，采用传统的铸造+锻造工艺制备同样会出现一定的凝固偏析。为此，本专利优化了铸造+锻造工艺的制备方法：1）传统含Nb的高温合金熔炼，Nb元素采用Nb金属的方式添加，由于Nb的熔点较高，易出现Nb元素的偏析问题。为了解决高含量Nb元素的偏析问题，本专利合金冶炼中Nb元素采用低熔点的中间合金NiNb的方式加入，能够改善Nb元素在钢锭中的均匀性；2）本专利合金钢锭采用真空自耗重熔工艺精炼，自耗重熔过程针对合金高合金化的成分特点，优化确定了熔速窗口。传统高合金化的高温合金真空自耗重熔稳态熔炼阶段的熔速控制一般采用恒熔速控制；本发明采用熔速无极变速的控制工艺，随着重熔的进行铸锭的冷却效果减弱，随着冷却效果的减弱调低熔速，可以改善钢锭的凝固效果，进而能够有效的抑制黑斑和白斑缺陷的形成。3）为了降低合金元素偏析程度，传统高合金化的高温合金在锻造开坯前采用高温扩散均匀化处理，工艺为1180℃~1210℃保温24~72h。然而对于高Nb的高合金化高温合金，Nb元素很难通过高温扩散均匀化处理有效降低偏析。本专利在开坯过程中实施二次均匀化处理，工艺为1150℃~1190℃保温4~24h，不仅能够有效降低Nb元素的偏析程度，而且能够改善合金在室温~800℃温度范围内的长时热暴露后的组织稳定性，有效抑制TCP相的析出。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种高铌含量的高强镍基变形高温合金的制备方法,其特征在于, 所述的制备方法包括以下步骤:
步骤一、根据高强镍基变形高温合金的制备成分配比,称取原材料;
步骤二、对所述的原材料进行真空感应熔炼和至少一次的重熔精炼,得到真空自耗重熔锭;
步骤三、对所述的真空自耗重熔锭进行高温扩散均匀化处理,再进行自由锻造开坯得到棒坯,然后对所述棒坯进行二次均匀化处理,再进行自由锻造,达到5~20的锻比后,获得高铌含量的高强镍基变形高温合金棒材；
制备成分配比以质量百分比计:Cr 9~14,Co 14~16,Mo 4~6,W 2~4,Nb 4~6,Ti 2~4,Al3~5,C 0.04~0.12,B 0. 005~0.02,Zr 0.01~0.05,V 0.4~1.5,Fe 0.05~2.0,Ni 余量。
2.根据权利要求1所述的高铌含量的高强镍基变形高温合金的制备方法,其特征在于,所述的高强镍基变形高温合金还包括杂质元素,在所述的杂质元素中,P≤0.010%、Mn≤0.15%、Si≤0.15%、S≤0.005%、0≤0.002%、N≤0.006%、Ag≤0.0005%、Ca≤0.005%、Sn≤0.005%、Pb≤0.0005%,Cu≤0.1%、Ta≤0.1%。
3.根据权利要求1所述的镍基变形高温合金的制备方法,其特征在于,所述镍基变形高温合金包括含V元素的M2 (CN)型碳氮化物。
4.根据权利要求1所述的镍基变形高温合金的制备方法,其特征在于,所述含V元素的M2(CN)型碳氮化物,以弥散的颗粒状在所述镍基变形高温合金中分布。
5.根据权利要求1所述的镍基变形高温合金的制备方法,其特征在于,在所述镍基变形高温合金中,所述W和Mo的含量之和大于7wt.%。
6.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,在步骤二中,合金原材料中的Nb采用NiNb中间合金形式添加,且添加的原则是:在金属Ni、金属Mo、金属Co、金属W、VFe合金在真空感应炉中熔化后,再向真空感应炉炉内添加金属Cr,然后再添加NiNb中间合金,得到钢液;然后将钢液升温至1400~1550℃ ,电磁搅拌15~60min,然后停止搅拌1430~1520℃保温30min~90min,取样进行成分分析合格后，调整钢液温度至1450~1550℃ ,将钢液倒入铁质模具内，获得真空感应锭。
7.根据权利要求6所述的制备方法,其特征在于,所述的真空感应锭经车光后制备电极再进行自耗重熔,初始稳态熔速控制为3.0~4.0kg/min,在进入稳态熔速冶炼完成钢锭重量达到500kg~1500kg后开始按照0.05~0.5kg/min/h的速率无极变速调低熔速,当熔速降低至2.5~3.5kg/min后保持稳定熔速;当剩余电极质量为200kg~800kg时,将熔速调低至0.5~2.0kg/min,开始热封顶,获得真空自耗重熔锭。
8.根据权利要求6所述的制备方法,其特征在于,合金原材料在熔炼过程的添加顺序为:冶炼开始前首先向真空感应炉中加入金属Ni、金属Mo、金属Co、金属W、VFe合金和元素C,抽真空后开始熔炼，当炉内的初始料熔化后再向炉内添加金属Cr,然后再添加NiNb中间合金,然后将钢液升温至1400~1550℃,电磁搅拌15~60min,然后停止搅拌,1430~1520℃保温30min~90min,然后加入金属A1和金属Ti,电磁搅拌5~30min,取样进行成分分析合格后,加入BFe和金属Zr,电磁搅拌5~30min,调整钢液温度至1450~1550℃,将钢液倒入铁质模具内,获得真空感应锭。
9.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,在步骤三中,所述的真空自耗重熔锭经1180℃~1210℃保温24~72h高温扩散均匀化处理后,采用镦粗和拔长的方式进行自由锻造开坯,锻比达到1~5后,进而1150℃~1190℃保温4~24h二次均匀化处理,然后再采用镦粗和拔长的方式进行自由锻造开坯,锻比达到5~20后,获得高铌含量的高强镍基变形高温合金棒材。
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