CN112322939A

CN112322939A - 一种镍基高温合金及其制备方法

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Publication number: CN112322939A
Application number: CN202011214909.9A
Authority: CN
Inventors: 蒋力; 李志军; 雷特; 黎超文; 梁建平; 玉昆; 陈双建
Original assignee: Shanghai Institute of Applied Physics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Applied Physics of CAS
Priority date: 2020-11-04
Filing date: 2020-11-04
Publication date: 2021-02-05

Abstract

本发明公开了一种镍基高温合金，按重量百分比，该合金成分为：C≤0.18%，Cr 6.0‑8.0%，Mo 0‑14%，W 2‑22%，Nb≤3%，Mn 0‑2%，Si<0.5%，Ni余量；其中，Mo+W≤22%。本发明还公开了该合金的制备方法。相比现有技术，本发明所提出的镍基高温合金同时含W、Mo和Nb，并通过组分优化，使得该合金的组织结构含有大量的细小MC碳化物，从而保证其良好的抗氦脆能力，同时具有显著改善的高温强度和塑性，可以满足有较高使用温度和性能要求的辐照环境使用，适用于熔盐反应堆的高温结构材料。

Description

一种镍基高温合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种镍基高温合金，尤其涉及一种可用于高温辐照环境的镍基高温合金及其制备方法。

背景技术

在第四代核反应堆熔盐堆中，常用的Hastelloy N合金存在严重的氦脆问题，合金中的杂质硼以及基体镍原子通过嬗变反应形成氦气泡，聚集在晶界上严重恶化合金辐照后的力学性能。研究人员通过添加Nb在合金组织中引入细小MC碳化物吸附氦气泡，可以显著改善上述氦脆问题，然而该系列合金存在高温力学性能较差的问题。

发明内容

本发明所要解决技术问题在于克服现有技术不足，提供一种镍基高温合金，其具有良好的抗氦脆性能，并且具有优异的高温强度和塑性，可以满足有较高使用温度和性能要求的辐照环境使用，适用于熔盐反应堆的高温结构材料。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种镍基高温合金，按重量百分比，该合金成分为：C≤0.18％，Cr 6.0-8.0％，Mo0-14％，W 2-22％，Nb≤3％，Mn 0-2％，Si<0.5％，Ni余量；其中，Mo+W≤22％。

进一步优选地，Mo的重量百分比大于0，且14％≤Mo+W≤22％。

优选地，该合金用于高温辐照环境；

进一步优选地，所述高温辐照环境为熔盐反应堆。

如上任一技术方案所述镍基高温合金的制备方法，在1200℃-1300℃温度区间对母合金进行10小时-30小时的均匀化处理，再在900℃-1200℃温度区间内热加工，最后进行固溶热处理。

优选地，所述母合金使用真空感应炉浇铸而成。

相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：

本发明针对含Nb合金高温性能较差的问题，添加一定含量的W，在保证其抗氦脆性能的前提下显著改善了其高温力学性能。

本发明合金具有良好高温力学性能、抗氦脆性能，同时其成分设计还能保证抗熔盐腐蚀性能和抗碲脆性能，适用于于熔盐核反应堆的高温结构材料，在高达750C°工作温度下表现出优异的综合性能。

附图说明

图1为标准合金以及实施例1～4合金在750C°下的高温拉伸力学性能；

图2为标准合金以及实施例1～4合金在750C°下时效处理100小时后的显微维氏硬度；

图3为标准合金以及实施例1～4合金中的MC碳化物形态，其中(a)～(e)依次为标准合金、实施例1、实施例2、实施例3、实施例4。

具体实施方式

针对含Nb合金高温力学性能差的问题，本发明的解决思路是设计一种同时含W、Mo和Nb的镍基高温合金，并通过组分优化，使得该合金的组织结构含有大量的细小MC碳化物，从而保证其良好的抗氦脆能力，同时具有显著改善的高温强度和塑性。

具体而言，本发明所提出的镍基高温合金，按重量百分比，该合金成分为：C≤0.18％，Cr 6.0-8.0％，Mo 0-14％，W 2-22％，Nb≤3％，Mn 0-2％，Si<0.5％，Ni余量；其中，Mo+W≤22％。

需要特别说明的是：以上成分描述中，“元素≤*％”表示该元素的含量不为0且小于等于*％，“元素0-*％”表示该元素的含量可以为0到*％。

所述镍基高温合金的制备方法，在1200℃-1300℃温度区间对母合金进行10小时-30小时的均匀化处理，再在900℃-1200℃温度区间内热加工，最后在1150℃-1250℃温度区间内进行固溶热处理。

按照上述成分设计的本发明合金为变形镍基高温合金，由于W和Nb的同时加入，能够形成稳定性更好的MC类碳化物，起到氦吸附作用，且具有良好的热稳定性；同时W的加入可以改善合金的高温强度；并进一步通过控制W+Mo≤22％及Si<0.5％，以确保不会形成M₆C碳化物，进而影响到MC碳化物的析出。

为了验证本发明技术方案的技术效果，下面通过若干实施例与现有标准合金的对比来进行进一步详细说明：

本发明合金材料的制备方法为：采用真空感应炉浇铸合金，在1200℃-1300℃温度区间对母合金进行10小时-30小时的均匀化处理，再在900℃-1200℃温度区间内热加工获得板材，进一步通过固溶热处理获得最终的成品合金板材。制备的合金的成分见表1。

合金的力学测试过程为：将标准合金和不同W含量和Mo含量的合金加工成拉伸试样，尺寸为8mm*2mm*1mm，加热到750℃后保温15分钟后开始拉伸。拉伸速率为屈服前0.06mm/min屈服后0.6mm/min。每种合金拉伸2件。

为了评估合金中MC析出相的析出程度，对标准合金和不同W含量和Mo含量的合金进行750℃的100小时的时效处理后，进行显微硬度测试。其显微硬度数值代表了MC析出相的析出程度。显微硬度测试是在500克力的维氏硬度仪上完成。

表1

	Ni	Mo	Cr	Mn	Si	C	W	Nb
									标准合金	Bal.	12	7.10	0.21	0.22	0.06	0	1.78
实施例1	Bal.	10.01	6.89	0.55	0.13	0.058	3.42	1.80
									实施例2	Bal.	8.36	7.05	0.45	0.21	0.063	6.29	1.81
实施例3	Bal.	6.74	6.97	0.56	0.22	0.061	9.07	1.75
									实施例4	Bal.	0	7.21	0.46	0.31	0.057	20.71	1.84

标准合金：

含Nb的Hastelloy N合金具有优良的室温塑性、高温组织稳定性和较高的高温力学性能，同时具有良好的抗熔盐腐蚀性能，适用于熔盐核反应堆的高温结构材料，在650-700℃工作温度下表现出优异的综合性能，但其使用温度有待进一步提高(更详细信息参见中国专利CN201310041486)。

标准合金的成分见表1。该合金的高温拉伸力学性能见图1，屈服强度128.5MPa，抗拉强度198MPa，延伸率11％。该合金时效后的显微维氏硬度见图2，为231.1。该合金中MC碳化物形态见图3中的(a)。

实施例1：

实施例1合金的成分见表1。该合金的高温拉伸力学性能见图1，屈服强度156MPa，抗拉强度337MPa，延伸率22％，显著优于标准合金。该合金时效后的显微维氏硬度见图2，为212，略低于标准合金。该合金中MC碳化物形态见图3中的(b)。

实施例2：

实施例2合金的成分见表1。该合金的高温拉伸力学性能见图1，屈服强度262.5MPa，抗拉强度426.5MPa，延伸率21％，显著优于标准合金。该合金时效后的显微维氏硬度见图2，为229，考虑测试误差，与标准合金相当。该合金中MC碳化物形态见图3中的(c)。

实施例3：

实施例3合金的成分见表1。该合金的高温拉伸力学性能见图1，屈服强度260.5MPa，抗拉强度456.5MPa，延伸率14.25％，显著优于标准合金。该合金时效后的显微维氏硬度见图2，为231，考虑测试误差，与标准合金相当。该合金中MC碳化物形态见图3中的(d)。

实施例4：

实施例3合金的成分见表1。该合金的高温拉伸力学性能见图1，屈服强度207.5MPa，抗拉强度360.5MPa，延伸率18.38％，显著优于标准合金。该合金时效后的显微维氏硬度见图2，为213，略低于标准合金。该合金中MC碳化物形态见图3中的(e)。

对比标准合金与实施例合金可以发现，添加W后合金的力学性能显著提升，同时硬度测试结果和组织分析表明合金中MC碳化物的析出程度与标准合金相当。以上证明该合金是具有抗氦脆性能的高强度的高塑性的镍基高温合金。

比较各实施例的合金，可以发现实施例2、3的合金在保持抗氦脆性能与标准合金相当的同时，其高温力学性能远远超出，因此，本发明合金的进一步优选组分为：Mo的重量百分比大于0，且14％≤Mo+W≤22％。

Claims

1.一种镍基高温合金，其特征在于，按重量百分比，该合金成分为：C≤0.18%，Cr 6.0-8.0 %，Mo 0-14%，W 2-22%，Nb≤3%，Mn 0-2%，Si<0.5%，Ni余量；其中，Mo+W≤22%。

2.如权利要求1所述镍基高温合金，其特征在于，Mo的重量百分比大于0，且14%≤Mo+W≤22%。

3.如权利要求1或2所述镍基高温合金，其特征在于，该合金用于高温辐照环境。

4.如权利要求1所述镍基高温合金，其特征在于，所述高温辐照环境为熔盐反应堆。

5.如权利要求1～4任一项所述镍基高温合金的制备方法，其特征在于，在1200℃-1300℃温度区间对母合金进行10小时-30小时的均匀化处理，再在900℃-1200℃温度区间内热加工，最后进行固溶热处理。

6.如权利要求5所述镍基高温合金的制备方法，其特征在于，所述母合金使用真空感应炉浇铸而成。