CN113249620B - δ相强化镍基高温合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种新型δ相强化镍基高温合金及其制备方法。新型δ相强化镍基高温合金，以质量百分比计算，包括：8%‑18%Cr、8%‑18%Co、2.5%‑6.5%W、3%‑6%Mo、30%‑45.5%Nb、3%‑10%Al和30%‑45%Ni；其中，新型δ相强化镍基高温合金以金属间化合物Nb₃Al作为强化相。新型δ相强化镍基高温合金的制备方法，包括：将基体合金粉末和金属间化合物Nb₃Al粉末混合，处理后通过热等静压法成型得到镍基高温合金。该镍基高温合金具有稳定的组织，合金中强化相在基体中分布均匀并且与γ‑基体形成了良好的冶金结合，可以满足更高的使用温度。

Description

δ相强化镍基高温合金及其制备方法

技术领域

本申请涉及冶金领域，尤其涉及一种新型δ相强化镍基高温合金及其制备方法。

背景技术

随着航空发动机朝着高推重比，高可靠性的方向发展，对航空发动机的热端如涡轮盘使用的镍基高温合金的承温能力提出了更高的需求。目前涡轮盘常用的合金如Inconel718合金、Waspaloy合金、U720Li合金等均为γ’相强化合金。

目前提高其承温能力的方法主要有两种：一是通过调整合金的成分如提高Ti+Al含量或加入Ta等合金元素，这种方式的问题在于导致合金的可加工性能下降，合金密度升高，强化相稳定性下降；另一种方式是在镍基高温合金中引入氧化物颗粒，这种方法的问题是合金中的氧化物颗粒与基体界面容易形成裂纹源导致合金动态力学性能下降。

因此要想进一步提升涡轮盘用高温合金的承温能力需要同时避免目前以上两方面的问题。

发明内容

本申请的目的在于提供一种新型δ相强化镍基高温合金及其制备方法，以解决上述问题。

为实现以上目的，本申请采用以下技术方案：

一种新型δ相强化镍基高温合金，以质量百分比计算，包括：

8%-18%Cr、8%-18%Co、2.5%-6.5%W、3%-6%Mo、30%-45.5%Nb、3%-10%Al和30%-45%Ni；

其中，所述新型δ相强化镍基高温合金以金属间化合物Nb₃Al作为强化相。

优选地，所述强化相占所述新型δ相强化镍基高温合金的体积分数大于0小于等于60%。

本申请还提供一种所述的新型δ相强化镍基高温合金的制备方法，包括：

将基体合金粉末和金属间化合物Nb₃Al粉末混合，处理后通过热等静压法成型得到所述新型δ相强化镍基高温合金。

优选地，所述基体合金粉末以质量百分比计算，包括：

8%-20%Cr、10%-18%Co、3%-8%W、4%-8%Mo和50%-65%Ni。

优选地，所述基体合金粉末通过氩气雾化法制得。

优选地，所述金属间化合物Nb₃Al通过电弧熔炼法制备得到；

制备所述金属间化合物Nb₃Al的原料中，Nb和Al的质量比为（10.5-11.5）：1。

优选地，所述基体合金粉末和所述金属间化合物Nb₃Al粉末的粒度各自独立的小于等于75μm。

优选地，所述处理包括球磨；

所述球磨的球料质量比为（8-10）：1，转速为120-150r/min，时间为2-4h。

优选地，所述热等静压法成型的温度为1100-1200℃，压力为110-130Mpa，时间为1-3h。

与现有技术相比，本申请的有益效果包括：

本申请提供的新型δ相强化镍基高温合金，基体合金中，Co能降低合金基体的堆垛层错能，引起固溶强化；Cr能够引起合金基体晶格畸变，产生弹性应力场强化，使固溶体强度提高，另外还能明显提高合金的抗氧化性能；W能明显降低基体层错能，有效改善合金的蠕变性能；Mo能明显增大基体晶格常数，增大长程弹性应力场；同时利用Nb₃Al具有密度相对较小、熔点高、化学稳定性好、高温屈服强度高、能够与γ-基体形成良好的冶金结合等优点，将Nb₃Al作为强化相加入到镍基高温合金中能够兼顾强化相的高稳定性和与强化相基体的有效结合两方面优势；从而得到δ相强化镍基高温合金，该合金具有稳定的组织，可以满足更高的使用温度，抗氧化性能明显提高。

该合金主要适用于高温高应力下使用的零部件，如航空发动机的涡轮盘。

本申请提供的新型δ相强化镍基高温合金的制备方法，是基于“由于Nb₃Al熔点远高于镍基合金并且与γ-基体非共格，因此无法通过直接固溶析出的方式添加到镍基合金中”的考虑，因此需要通过粉末冶金的方式将Nb₃Al添加到镍基高温合金中；合金中强化相在基体中分布均匀并且与γ-基体形成了良好的冶金结合。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，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申请的某些实施例，因此不应被看作是对本申请范围的限定。

图1为基体合金粉末的SEM图；

图2为Nb₃Al（δ相）粉末的SEM图；

图3为实施例1得到的δ相强化镍基高温合金的微观组织SEM图；

图4为实施例1得到的δ相强化镍基高温合金中δ相与基体之间形成的扩散区域；

图5为对比例1得到的合金的微观组织SEM图；

图6为对比例3得到的合金的微观组织SEM图。

具体实施方式

如本文所用之术语：

“由……制备”与“包含”同义。本文中所用的术语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”或其任何其它变形，意在覆盖非排它性的包括。例如，包含所列要素的组合物、步骤、方法、制品或装置不必仅限于那些要素，而是可以包括未明确列出的其它要素或此种组合物、步骤、方法、制品或装置所固有的要素。

连接词“由……组成”排除任何未指出的要素、步骤或组分。如果用于权利要求中，此短语将使权利要求为封闭式，使其不包含除那些描述的材料以外的材料，但与其相关的常规杂质除外。当短语“由……组成”出现在权利要求主体的子句中而不是紧接在主题之后时，其仅限定在该子句中描述的要素；其它要素并不被排除在作为整体的所述权利要求之外。

当量、浓度、或者其它值或参数以范围、优选范围、或一系列上限优选值和下限优选值限定的范围表示时，这应当被理解为具体公开了由任何范围上限或优选值与任何范围下限或优选值的任一配对所形成的所有范围，而不论该范围是否单独公开了。例如，当公开了范围“1～5”时，所描述的范围应被解释为包括范围“1～4”、“1～3”、“1～2”、“1～2和4～5”、“1～3和5”等。当数值范围在本文中被描述时，除非另外说明，否则该范围意图包括其端值和在该范围内的所有整数和分数。

在这些实施例中，除非另有指明，所述的份和百分比均按质量计。

“质量份”指表示多个组分的质量比例关系的基本计量单位，1份可表示任意的单位质量，如可以表示为1g，也可表示2.689g等。假如我们说A组分的质量份为a份，B组分的质量份为b份，则表示A组分的质量和B组分的质量之比a：b。或者，表示A组分的质量为aK，B组分的质量为bK（K为任意数，表示倍数因子）。不可误解的是，与质量份数不同的是，所有组分的质量份之和并不受限于100份之限制。

“和/或”用于表示所说明的情况的一者或两者均可能发生，例如，A和/或B包括(A和B)和(A或B)。

一种新型δ相强化镍基高温合金，以质量百分比计算，包括：

8%-18%Cr、8%-18%Co、2.5%-6.5%W、3%-6%Mo、30%-45.5%Nb、3%-10%Al和30%-45%Ni；

其中，所述新型δ相强化镍基高温合金以金属间化合物Nb₃Al作为强化相。

可选地，新型δ相强化镍基高温合金以质量百分比计算，Cr 的含量可以是8%、10%、15%、18%以及8%-18%之间的任一值；Co的含量可以是8%、10%、15%、18%以及8%-18%之间的任一值； W的含量可以是2.5%、3%、3.5%、4%、4.5%、5%、5.5%、6%、6.5%以及2.5%-6.5%之间的任一值；Mo的含量可以是3%、4%、5%、6%以及3%-6%之间的任一值；Nb的含量可以是30%、32%、34%、36%、38%、40%、42%、44%、45.5%以及30%-45.5%之间的任一值；Al的含量可以是3%、4%、5%、6%、7%、8%、9%、10%以及3%-10%之间的任一值； Ni的含量可以是30%、31%、32%、33%、34%、35%、36%、37%、38%、39%、40%、41%、42%、43%、44%、45%以及30%-45%之间的任一值。

在一个可选的实施方式中，所述强化相占所述新型δ相强化镍基高温合金的体积分数大于0小于等于60%。

可选的，所述强化相占所述新型δ相强化镍基高温合金的体积分数可以是1%、5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%以及大于0小于等于60%之间的任一值。

一种所述的新型δ相强化镍基高温合金的制备方法，包括：

将基体合金粉末和金属间化合物Nb₃Al粉末混合，处理后通过热等静压法成型得到所述新型δ相强化镍基高温合金。

热等静压工艺是将制品放置到密闭的容器中，向制品施加各向同等的压力，同时施以高温，在高温高压的作用下，制品得以烧结和致密化。热等静压是高性能材料生产和新材料开发不可或缺的手段；热等静压可以直接粉末成型，粉末装入包套中，包套可以采用金属或陶瓷制作（低碳钢、Ni、Mo、玻璃等），然后使用氮气、氩气作加压介质，使粉末直接加热加压烧结成型的粉末冶金工艺。

在一个可选的实施方式中，所述基体合金粉末以质量百分比计算，包括：

8%-20%Cr、10%-18%Co、3%-8%W、4%-8%Mo和50%-65%Ni。

可选的，所述基体合金粉末以质量百分比计算，Cr的含量可以为8%、10%、15%、18%、20%以及8%-20%之间的任一值；Co的含量可以为10%、11%、12%、13%、14%、15%、16%、17%、18%以及10%-18%之间的任一值；W的含量可以为3%、4%、5%、6%、7%、8%以及3%-8%%之间的任一值；Mo的含量可以为4%、5%、6%、7%、8%以及4%-8%之间的任一值；Ni的含量可以为50%、51%、52%、53%、54%、55%、56%、57%、58%、59%、60%、61%、62%、63%、64%、65%以及50%-65%之间的任一值。

在一个可选的实施方式中，所述基体合金粉末通过氩气雾化法制得。

在一个可选的实施方式中，所述金属间化合物Nb₃Al通过电弧熔炼法制备得到；

制备所述金属间化合物Nb₃Al的原料中，Nb和Al的质量比为（10.5-11.5）：1。

控制原料比是为了克服成分难以控制、化学均匀性差的问题。具体的：一方面由于Nb₃Al室温单相平衡区的范围是20.6-23%Al(原子比)，成分区间很窄，并且由于Nb和Al的熔点相差很大，熔炼过程中造成熔点较低的Al的挥发损失导致Nb/Al比失衡生成Nb₂Al和NbAl₃等杂相。本申请将低熔点金属5-10%的质量损失考虑在内，适当增加Al的含量，保证最后Nb/Al比落在Nb₃Al的成分区间内，得到了纯度非常高的Nb₃Al。

可选的，制备所述金属间化合物Nb₃Al的原料中，Nb和Al的质量比可以为10.5：1、11.0：1、11.5：1以及（10.5-11.5）：1之间的任一值。

在一个可选的实施方式中，所述基体合金粉末和所述金属间化合物Nb₃Al粉末的粒度各自独立的小于等于75μm。

在一个可选的实施方式中，所述处理包括球磨；

所述球磨的球料质量比为（8-10）：1，转速为120-150r/min，时间为2-4h。

可选的，所述球磨的球料质量比可以为8：1、9：1、10：1以及（8-10）：1之间的任一值，转速可以为120r/min、130r/min、140r/min、150r/min以及120-150r/min之间的任一值，时间可以为2h、3h、4h以及2-4h之间的任一值。

在一个可选的实施方式中，所述热等静压法成型的温度为1100-1200℃，压力为110-130Mpa，时间为1-3h。

可选的，所述热等静压法成型的温度可以为1100℃、1150℃、1200℃以及1100-1200℃之间的任一值，压力可以为110Mpa、120Mpa、130Mpa以及110-130Mpa之间的任一值，时间可以为1h、2h、3h以及1-3h之间的任一值。

下面将结合具体实施例对本申请的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本申请，而不应视为限制本申请的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例1

一种新型δ相强化镍基高温合金，其化学成分为：10.0%Cr、14.5Co、6.0%W、5.0%Mo、35%Nb、5%Al，其余为Ni。其中，强化相Nb₃Al粉末的体积分数为40%。

其制备的具体步骤为：使用氩气雾化法制备基体合金粉末，基体合金的成分为10.0%Cr、14.5%Co、6.0%W、5.0%Mo，其余为Ni；使用电弧熔炼法制备Nb₃Al粉末，原料Nb和Al的质量比为11:1；将基体合金粉末与Nb₃Al粉末使用200目的标准筛筛分得到粒度为~75μm的粉末。将基体合金粉末与Nb₃Al粉末按照体积比1:1的比例使用球磨混合均匀，球磨混合的工艺参数为球料比10:1，转速150r/min，球磨时间3h；将混合均匀合金粉末使用热等静压法成型得到新型δ相强化镍基高温合金。

热等静压工艺参数为温度1100℃、压力120Mpa、时间2h。

图1为基体合金粉末的SEM图；图2为Nb₃Al（δ相）粉末的SEM图；（基体合金粉末由氩气雾化法制备为球形，δ相合金粉末通过电弧炉熔炼破碎筛分制备，为不规则形状）图3为实施例1得到的δ相强化镍基高温合金的微观组织SEM图；图4为实施例1得到的δ相强化镍基高温合金中δ相与基体之间形成的扩散区域。

由图3可知，δ相在基体中均匀分布；由图4可知，δ相与基体之间实现了良好的冶金结合。

该合金承温能力达到850℃，室温硬度为563HV，室温屈服强度为1366Mpa。

实施例2

一种新型δ相强化镍基高温合金，其化学成分为： 5.6%Cr； 7.9%Co；3.4%W；3.0%Mo；45.5Nb%；4.7%Al，其余为Ni。其中，强化相Nb₃Al粉末的体积分数为40%。

其制备的具体步骤为：使用氩气雾化法制备基体合金粉末，基体合金的成分为10.2%Cr、14.9%Co、6.2%W、5.2%Mo，其余为Ni；使用电弧熔炼法制备Nb₃Al粉末，原料Nb和Al的质量比为11:1；将基体合金粉末与Nb₃Al粉末使用200目的标准筛筛分得到粒度为~75μm的粉末。将基体合金粉末与Nb₃Al粉末按照体积比1:1的比例使用球磨混合均匀，球磨混合的工艺参数为球料比10:1，转速120r/min，球磨时间3h；将混合均匀合金粉末使用热等静压法成型得到新型δ相强化镍基高温合金。

热等静压工艺参数为温度1200℃、压力120Mpa、时间2h。

该合金承温能力达到840℃，室温硬度为560HV，室温屈服强度为1356Mpa。

实施例3

本发明实施例的一种新型δ相强化镍基高温合金，其化学成分为：5.5%Cr； 7.8%Co；3.3%W；2.9%Mo；44.5Nb%；4.6%Al；其余为Ni。其中，强化相Nb₃Al粉末的体积分数为50%。

其制备的具体步骤为：使用氩气雾化法制备基体合金粉末，基体合金的成分为10.1Cr、14.6Co、6.1W、5.1Mo；其余为Ni；使用电弧熔炼法制备Nb₃Al粉末，原料Nb和Al的质量比为11:1；将基体合金粉末与Nb₃Al粉末使用200目的标准筛筛分得到粒度为~75μm的粉末。将基体合金粉末与Nb₃Al粉末按照体积比1:1的比例使用球磨混合均匀，球磨混合的工艺参数为球料比10:1，转速130r/min，球磨时间3h；将混合均匀合金粉末使用热等静压法成型得到新型δ相强化镍基高温合金。

热等静压工艺参数为温度1100℃、压力120Mpa、时间2h。

该合金承温能力达到845℃，室温硬度为565HV，室温屈服强度为1376Mpa。

对比例1

与实施例1不同的是，强化相Nb₃Al粉末的体积分数为30%。

所得合金的承温能力达到810℃，室温硬度为499HV，室温屈服强度为1261Mpa。

所得合金的SEM图如图5所示。

实施例1和对比例1相比，随着强化相Nb₃Al粉末的添加量的减少，所得合金的各项性能均有所下降。

对比例2

与实施例1不同的是，不添加强化相Nb₃Al粉末。

所得合金的承温能力达到710℃，室温硬度为495HV，室温屈服强度为1098Mpa。实施例1和对比例2相比，表明不添加强化相Nb₃Al粉末，所得合金的各项性能均有大幅下降。

对比例3

与实施例1不同的是，热等静压的温度为1000℃。

所得合金的承温能力达到830℃，室温硬度为572HV，室温屈服强度为1283Mpa。

所得合金的SEM图如图6所示。

实施例1和对比例3相比，热等静压的温度对合金的性能也存在一定的影响。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本申请的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在上面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本申请的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

Claims (8)

1.一种δ相强化镍基高温合金，其特征在于，以质量百分比计算，由以下组分组成：

8%-18%Cr、8%-18%Co、2.5%-6.5%W、3%-6%Mo、30%-45.5%Nb、3%-10%Al和30%-45%Ni；

其中，所述δ相强化镍基高温合金以金属间化合物Nb₃Al作为强化相，所述强化相占所述δ相强化镍基高温合金的体积分数大于0小于等于60%。

2.一种权利要求1所述的δ相强化镍基高温合金的制备方法，其特征在于，包括：

将基体合金粉末和金属间化合物Nb₃Al粉末混合，处理后通过热等静压法成型得到所述δ相强化镍基高温合金。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述基体合金粉末以质量百分比计算，包括：

8%-20%Cr、10%-18%Co、3%-8%W、4%-8%Mo和50%-65%Ni。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述基体合金粉末通过氩气雾化法制得。

5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述金属间化合物Nb₃Al通过电弧熔炼法制备得到；

制备所述金属间化合物Nb₃Al的原料中，Nb和Al的质量比为（10.5-11.5）：1。

6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述基体合金粉末和所述金属间化合物Nb₃Al粉末的粒度各自独立的小于等于75μm。

7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述处理包括球磨；

所述球磨的球料质量比为（8-10）：1，转速为120-150r/min，时间为2-4h。

8.根据权利要求2-7任一项所述的制备方法，其特征在于，所述热等静压法成型的温度为1100-1200℃，压力为110-130MPa ，时间为1-3h。

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