CN114262822A

CN114262822A - 一种镍基粉末高温合金及其制备方法和应用

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Publication number: CN114262822A
Application number: CN202111626776.0A
Authority: CN
Inventors: 闫婷; 冀红艳; 贾建; 荣昆; 刘明东; 陶宇
Original assignee: Gaona Aero Material Co Ltd
Current assignee: Gaona Aero Material Co Ltd
Priority date: 2021-12-28
Filing date: 2021-12-28
Publication date: 2022-04-01
Anticipated expiration: 2041-12-28
Also published as: CN114262822B

Abstract

本发明涉及粉末高温合金技术领域，具体而言，涉及一种镍基粉末高温合金及其制备方法和应用。镍基粉末高温合金，包括以下质量百分比的化学成分：C 0.025％～0.045％，Cr 10.0％～11.0％，Ta 0.7％～1.1％，Co 14.55％～15.5％，W 5.9％～6.3％，Mo 2.6％～3.0％，Nb 1.6％～2.0％，Al 3.55％～3.9％，Ti 3.7％～4.1％，Zr 0.08％～0.12％，B 0.025％～0.035％，余量为Ni。本发明的镍基粉末高温合金具有优异的高温强度和高蠕变强度。

Description

一种镍基粉末高温合金及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及粉末高温合金技术领域，具体而言，涉及一种镍基粉末高温合金及其制备方法和应用。

背景技术

粉末高温合金作为高推重比发动机重要热端部件，工作条件苛刻，工作环境复杂，要求其既具有高温强度，又具有良好的高温蠕变性能及高损伤容限性。现有粉末高温合金或具有较高温强度但高温蠕变性能较差，或具有良好的蠕变性能但服役温度较低。因此，如何获得兼具高温强度、高温蠕变性能的粉末高温合金至关重要。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种镍基粉末高温合金，以解决现有技术中的粉末高温合金具有较高温强度但高温蠕变性能较差，或具有良好的蠕变性能但服役温度较低的技术问题；本发明的镍基粉末高温合金兼具高温强度和高蠕变强度。

本发明的另一个目的在于提供一种镍基粉末高温合金的制备方法，简单易行。得到的镍基粉末高温合金具有优异的高温强度和高蠕变强度。

本发明的另一个目的在于提供一种所述的镍基粉末高温合金在航空设备中的应用。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

一种镍基粉末高温合金，所述镍基粉末高温合金包括以下质量百分比的化学成分：

C 0.025％～0.045％，Cr 10.0％～11.0％，Ta 0.7％～1.1％，Co 14.55％～15.5％，W 5.9％～6.3％，Mo 2.6％～3.0％，Nb 1.6％～2.0％，Al 3.55％～3.9％，Ti3.7％～4.1％，Zr 0.08％～0.12％，B 0.025％～0.035％，余量为Ni。

优选地，所述镍基粉末高温合金，包括以下质量百分比的化学成分：

C 0.03％～0.04％，Cr 10.3％～10.7％，Ta 0.8％～1％，Co 14.8％～15.2％，W6％～6.2％，Mo 2.7％～2.9％，Nb 1.7％～1.9％，Al 3.6％～3.8％，Ti 3.8％～4％，Zr0.09％～0.11％，B 0.028％～0.032％，余量为Ni。

C 0.035％，Cr 10.5％，Ta 0.9％，Co 15.0％，W 6.1％，Mo 2.8％，Nb 1.8％，Al3.7％，Ti 3.9％，Zr 0.1％，B 0.03％，余量为Ni。

优选地，所述镍基粉末高温合金的γ'相含量为53％～56％；

所述γ'相完全溶解的温度为1185～1195℃。

所述的镍基粉末高温合金的制备方法，包括以下步骤：

按照镍基粉末高温合金的化学成分和质量百分比配制原料，采用真空感应熔炼工艺制备母合金棒材，将所述母合金棒材制备成合金粉末，对所述合金粉末进行热等压成型处理，得到锭坯，对所述锭坯进行热处理；

所述热处理依次包括固溶盐淬、稳定化处理和时效处理。

优选地，所述固溶盐淬包括固溶和盐淬；

所述固溶包括亚固溶、近固溶或过固溶；

优选地，所述亚固溶的温度为1155～1165℃；

优选地，所述近固溶的温度为1175～1185℃；

优选地，所述过固溶的温度为1195～1210℃；

优选地，所述盐淬的温度为600～650℃。

优选地，所述稳定化处理的温度为860～875℃，保温时间为3.5～4.5h；

优选地，所述时效处理的温度为750～765℃，保温时间为15～16.5h。

优选地，采用氩气雾化的方式将所述母合金棒材制备成合金粉末；

优选地，所述合金粉末的粒径为0.01～53μm；

优选地，所述热等压成型处理的温度为1190～1210℃，所述热等压成型处理的压力不低于120MPa，所述热等压成型处理的时间不低于2h。

优选地，在所述热等压成型处理和所述热处理之间还包括：热挤压处理和等温锻造处理。

优选地，所述热挤压处理的温度为1000～1120℃；

优选地，所述等温锻造处理的温度为1000～1120℃。

所述的镍基粉末高温合金在航空设备中的应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明的镍基粉末高温合金，以解决现有技术中的粉末高温合金具有较高温强度但高温蠕变性能较差，或具有良好的蠕变性能但服役温度较低的技术问题；本发明的镍基粉末高温合金兼具高温强度和高蠕变强度。

(2)本发明的镍基粉末高温合金的制备方法，简单易行。得到的镍基粉末高温合金具有优异的高温强度和高蠕变强度。

(3)本发明针对不同发动机及其用途可采用不同制备工艺，可根据使用要求在合金性能与价格成本之间进行最优选择。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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的附图。

图1为本发明实施例1中的粉末高温合金热等静压态的光学纤维组织图；

图2为本发明实施例1中的粉末高温合金亚固溶的光学纤维组织图；

图3为本发明实施例2中的粉末高温合金近固溶的光学纤维组织图；

图4为本发明实施例3中的粉末高温合金过固溶的光学纤维组织图；

图5为本发明实施例4中的粉末高温合金亚固溶的光学纤维组织图；

图6为本发明实施例5中的粉末高温合金近固溶的光学纤维组织图；

图7为本发明实施例6中的粉末高温合金过固溶的光学纤维组织图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明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发明，而不应视为限制本发明的范围。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，均为可以通过市购获得的常规产品。

根据本发明的一个方面，本发明涉及一种镍基粉末高温合金，所述镍基粉末高温合金包括以下质量百分比的化学成分：

本发明将W元素含量提高至5.9％以上以提高γ'相稳定性、增强γ'相固溶强化效果；略微降低了C含量以减轻PPB，同时提高Zr元素含量，净化晶界提高碳化物稳定性，增强合金蠕变强度与断裂韧性。通过各化学成分的协调配合作用，以获得兼具高温强度和高蠕变强度的镍基粉末高温合金。

在一种实施方式中，以质量百分比计，C的含量包括但不限于0.028％、0.03％、0.032％、0.035％、0.037％、0.04％、0.042％或0.045％。Cr的含量包括但不限于10.1％、10.2％、10.3％、10.4％、10.5％、10.6％、10.7％、10.8％、10.9％、11％。Ta的含量包括但不限于0.75％、0.8％、0.9％、0.95％、1％、1.1％。Co的含量包括但不限于14.6％、14.8％、15％、15.1％、15.2％、15.3％、15.4％。W的含量包括但不限于5.9、6％、6.1％、6.2％、6.3％。Mo的含量包括但不限于2.6、2.7％、2.75％、2.8％、2.9％、2.95％。Nb的含量包括但不限于1.6％、1.7％、1.8％或1.9％。Al的含量包括但不限于3.55％、3.6％、3.65％、3.7％、3.75％、3.8％、3.85％。Ti的含量包括但不限于3.7％、3.8％、3.9％、3.95％、4％、4.05％。Zr的含量包括但不限于0.08％、0.09％、0.1％、0.11％、0.12％。B的含量包括但不限于0.027％、0.029％、0.03％、0.031％、0.032％、0.033％、0.034％或0.035％。

在一种实施方式中，所述镍基粉末高温合金包括以下质量百分比的化学成分：C0.03％～0.04％，Cr 10.3％～10.7％，Ta 0.8％～1％，Co 14.8％～15.2％，W 6％～6.2％，Mo 2.7％～2.9％，Nb 1.7％～1.9％，Al 3.6％～3.8％，Ti 3.8％～4％，Zr 0.09％～0.11％，B 0.028％～0.032％，余量为Ni。

在一种实施方式中，所述镍基粉末高温合金包括以下质量百分比的化学成分：C0.035％，Cr 10.5％，Ta 0.9％，Co 15.0％，W 6.1％，Mo 2.8％，Nb 1.8％，Al 3.7％，Ti3.9％，Zr 0.1％，B 0.03％，余量为Ni。

通过进一步优选各化学成分的比例关系，进一步获得兼具更加优异的高温强度和高蠕变强度的镍基粉末高温合金。

在一种实施方式中，所述镍基粉末高温合金的γ'相含量为53％～56％。在一种实施方式中，所述镍基粉末高温合金的γ'相含量包括但不限于54％、55％、56％。

γ'相完全溶解温度为1185～1195℃。例如，1187℃、1190℃、1193℃。

根据本发明的一个方面，本发明涉及所述的镍基粉末高温合金的制备方法，包括以下步骤：

所述热处理依次包括固溶盐淬、稳定化处理和时效处理。

本发明的镍基粉末高温合金的制备方法，简单易行，通过各步骤的配合，以获得兼具优异的高温强度和高蠕变强度的镍基粉末高温合金。

在一种实施方式中，所述固溶盐淬包括固溶和盐淬。

所述固溶包括亚固溶、近固溶或过固溶。

在一种实施方式中，所述亚固溶的温度为1155～1165℃。在一种实施方式中，所述亚固溶的温度为包括但不限于1156℃、1157℃、1158℃、1159℃、1160℃、1161℃、1162℃、1163℃或1164℃。

在一种实施方式中，所述近固溶的温度为1175～1185℃。在一种实施方式中，所述近固溶的温度包括但不限于1176℃、1177℃、1178℃、1179℃、1180℃、1181℃、1182℃、1183℃、1184℃、1185℃。

在一种实施方式中，所述过固溶的温度为1195～1210℃。在一种实施方式中，所述过固溶的温度包括但不限于1196℃、1197℃、1198℃、1199℃、1200℃、1203℃、1205℃、1207℃。

本发明通过采用适宜的固溶温度，进而提高粉末合金的高温强度和高蠕变强度。

在一种实施方式中，所述盐淬的温度为600～650℃。在一种实施方式中，所述盐淬的温度包括但不限于610℃、615℃、620℃、625℃、630℃、635℃、640℃、645℃或650℃。

在一种实施方式中，所述稳定化处理的温度为860～875℃，保温时间为3.5～4.5h。在一种实施方式中，所述稳定化处理的温度包括但不限于862℃、865℃、866℃、868℃、870℃、872℃、874℃。稳定化处理的保温时间包括但不限于3.6h、3.7h、3.8h、3.9h、4h、4.2h、4.4h。

在一种实施方式中，所述时效处理的温度为750～765℃，保温时间为15～16.5h。在一种实施方式中，所述时效处理的温度包括但不限于752℃、755℃、757℃、760℃、762℃或764℃。所述时效处理的保温时间包括但不限于15.3h、15.5h、15.7h、16h、16.2h或16.5h。本发明通过采用适宜的时效处理温度和时间，以提高得到的高温高温合金的强度。

在一种实施方式中，采用氩气雾化的方式将所述母合金棒材制备成合金粉末。氩气雾化指气化法制粉，氩气全程保护，以隔绝空气。

在一种实施方式中，所述合金粉末的粒径为0.01～53μm。在一种实施方式中，在一种实施方式中，所述合金粉末的粒径包括但不限于0.1μm、1μm、3μm、5μm、10μm、12μm、15μm、17μm、20μm、25μm、30μm、35μm、40μm、45μm、50μm或53μm。

在一种实施方式中，所述热等压成型处理的温度包括但不限于1192℃、1195℃、1197℃、1200℃、1202℃、1205℃、1207℃或1209℃。在一种实施方式中，所述热等压成型处理的压力包括但不限于122MPa、125MPa、127MPa、130MPa、135MPa、140MPa、145MPa、150MPa、160MPa、180MPa或200MPa；例如可以为120～180MPa。在一种实施方式中，所述热等压成型处理的时间包括但不限于2.2h、2.5h、2.7h、3h、3.2h、3.5h、3.7h或4h。

在一种实施方式中，在所述热等压成型处理和所述热处理之间还包括：热挤压处理和等温锻造处理。

在一种实施方式中，所述热挤压处理的温度为1000～1120℃。在一种实施方式中，所述热挤压处理的温度包括但不限于1010℃、1050℃、1060℃、1070℃、1090℃、1100℃、1110℃或1120℃。

在一种实施方式中，所述等温锻造处理的温度为1000～1120℃。在一种实施方式中，所述等温锻造处理的温度包括但不限于1010℃、1050℃、1060℃、1070℃、1090℃、1100℃、1110℃或1120℃。

根据本发明的一个方面，本发明涉及所述的镍基粉末高温合金在航空设备中的应用。

本发明针对不同发动机及其用途可采用不同制备工艺，可根据使用要求在合金性能与价格成本之间进行最优选择。

下面将结合具体的实施例和对比例对本发明作进一步的解释说明。

图1为本发明实施例1中的粉末高温合金热等静压态的光学纤维组织图；图2为本发明实施例1中的粉末高温合金亚固溶的光学纤维组织图；图3为本发明实施例2中的粉末高温合金近固溶的光学纤维组织图；图4为本发明实施例3中的粉末高温合金过固溶的光学纤维组织图；图5为本发明实施例4中的粉末高温合金亚固溶的光学纤维组织图；图6为本发明实施例5中的粉末高温合金近固溶的光学纤维组织图；图7为本发明实施例6中的粉末高温合金过固溶的光学纤维组织图。

实施例1

一种镍基粉末高温合金，包括以下质量百分比的化学成分：

上述镍基粉末高温合金的制备方法，包括以下步骤：

按照镍基粉末高温合金的化学成分和质量百分比配制原料，采用真空感应熔炼工艺制备母合金棒材，采用氩气雾化的方式将所述母合金棒材制备成合金粉末，对所述合金粉末进行热等压成型处理，得到锭坯，对所述锭坯进行热处理；

所述热处理依次包括固溶盐淬、稳定化处理和时效处理；

所述固溶盐淬包括固溶和盐淬；所述固溶为亚固溶，所述亚固溶的温度为1160℃；所述盐淬的温度为620℃。

所述稳定化处理的温度为870℃，保温时间为4h；

所述时效处理的温度为760℃，保温时间为16h；

所述合金粉末的粒径为17～50μm；

所述热等压成型处理的温度为1200℃，所述热等压成型处理的压力为145MPa，所述热等压成型处理的时间为2.5h。

实施例2

一种镍基粉末高温合金，化学组成同实施例1。

镍基粉末高温合金的制备方法，除所述固溶为近固溶，温度为1180℃，其他条件同实施例1。

实施例3

一种镍基粉末高温合金，化学组成同实施例1。

镍基粉末高温合金的制备方法，除所述固溶为过固溶，温度为1200℃，其他条件同实施例1。

实施例4

一种镍基粉末高温合金，化学组成同实施例1。

镍基粉末高温合金的制备方法，除在热等压成型处理和热处理之间依次包括：热挤压处理和等温锻造处理；热挤压处理的温度为1090℃；等温锻造处理的温度为1105℃，其他条件同实施例1。

实施例5

一种镍基粉末高温合金，化学组成同实施例4。

镍基粉末高温合金的制备方法，除所述固溶为近固溶，温度为1180℃，其他条件同实施例4。

实施例6

一种镍基粉末高温合金，化学组成同实施例4。

镍基粉末高温合金的制备方法，除所述固溶为过固溶，温度为1200℃，其他条件同实施例4。

实施例7

一种镍基粉末高温合金，包括以下质量百分比的化学成分：

C 0.025％，Cr 11.0％，Ta 0.7％，Co 15.5％，W 5.9％，Mo 3.0％，Nb 1.6％，Al3.9％，Ti 3.7％，Zr 0.12％，B 0.025％，余量为Ni。

镍基粉末高温合金的制备方法，同实施例1。

实施例8

一种镍基粉末高温合金，包括以下质量百分比的化学成分：

C0.045％，Cr 10.0％，Ta 1.1％，Co 14.55％，W 6.3％，Mo 2.6％，Nb 2.0％，Al3.55％，Ti 4.1％，Zr 0.08％，B 0.035％，余量为Ni。

对比例1

按照申请号为CN202011636624.4的专利申请中实施例1的组成、方法制备镍基粉末高温合金。

对比例2

按照申请号为CN201910676421.9的专利中实施例1的方法制备得到镍基粉末高温合金。

实验例

将实施例和对比例中的镍基粉末高温合金进行力学性能测试，结果如表1～表5所示。

表1室温拉伸性能测试结果

实施例和对比例	σ<sub>b</sub>(MPa)	σ<sub>0.2</sub>(MPa)	δ(％)	Ψ(％)
					实施例1	1598	1125	18.0	24
实施例2	1600	1156	17.5	22
					实施例3	1595	1177	20.0	27
实施例4	1657	1285	12.5	23
					实施例5	1667	1209	20.0	29
实施例6	1560	1234	16.5	26
					对比例1	1669	1217	/	/
对比例2	1620	1260	9	10.5

表2 650℃拉伸性能测试结果

表3 700℃拉伸性能测试结果

热处理工艺	σ<sub>b</sub>(MPa)	σ<sub>0.2</sub>(MPa)	δ(％)	Ψ(％)
					实施例1	1360	1080	19.0	18.0
实施例2	1420	1110	18.5	18.5
					实施例3	1510	1130	16.5	16.5
实施例4	1330	1130	11.5	10.5
					实施例5	1310	1050	19.0	15.5
实施例6	1380	1060	12.0	14.5
					对比例1	1442	1117	/	/
对比例2(750℃拉伸性能)	1420	1220	6.5	8.0

表4蠕变性能测试结果

表5持久性能LMP

由以上可知，本发明相比于对比例1，降低了Co、Cr、Mo元素含量，同时增加了W元素含量提高其来提高γ'相稳定性，增强γ'相固溶强化效果，同时提高了Zr元素，可净化晶界提高碳化物稳定性，同时可增强合金蠕变强度与断裂韧性。

本发明相比于对比例2，略微降低了C含量以减轻PPB，同时提高Zr元素含量，增强合金蠕变强度与断裂韧性。本发明中高温合金的室温及高温拉伸塑性优于对比例2，且具有更好的高温蠕变性能。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，但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发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种镍基粉末高温合金，其特征在于，所述镍基粉末高温合金包括以下质量百分比的化学成分：

C 0.025％～0.045％，Cr 10.0％～11.0％，Ta 0.7％～1.1％，Co 14.55％～15.5％，W5.9％～6.3％，Mo 2.6％～3.0％，Nb 1.6％～2.0％，Al 3.55％～3.9％，Ti 3.7％～4.1％，Zr 0.08％～0.12％，B 0.025％～0.035％，余量为Ni。

2.根据权利要求1所述的镍基粉末高温合金，其特征在于，所述镍基粉末高温合金，包括以下质量百分比的化学成分：

C 0.03％～0.04％，Cr 10.3％～10.7％，Ta 0.8％～1％，Co 14.8％～15.2％，W 6％～6.2％，Mo 2.7％～2.9％，Nb 1.7％～1.9％，Al 3.6％～3.8％，Ti 3.8％～4％，Zr0.09％～0.11％，B 0.028％～0.032％，余量为Ni。

3.根据权利要求2所述的镍基粉末高温合金，其特征在于，所述镍基粉末高温合金，包括以下质量百分比的化学成分：

4.根据权利要求1所述的镍基粉末高温合金，其特征在于，所述镍基粉末高温合金的γ'相含量为53％～56％；

所述γ'相完全溶解的温度为1185～1195℃。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的镍基粉末高温合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

所述热处理依次包括固溶盐淬、稳定化处理和时效处理。

6.根据权利要求5所述的镍基粉末高温合金的制备方法，其特征在于，所述固溶盐淬包括固溶和盐淬；

所述固溶包括亚固溶、近固溶或过固溶；

优选地，所述亚固溶的温度为1155～1165℃；

优选地，所述近固溶的温度为1175～1185℃；

优选地，所述过固溶的温度为1195～1210℃；

优选地，所述盐淬的温度为600～650℃。

7.根据权利要求5所述的镍基粉末高温合金的制备方法，其特征在于，所述稳定化处理的温度为860～875℃，保温时间为3.5～4.5h；

8.根据权利要求5所述的镍基粉末高温合金的制备方法，其特征在于，采用氩气雾化的方式将所述母合金棒材制备成合金粉末；

优选地，所述合金粉末的粒径为0.01～53μm；

9.根据权利要求5～8中任一项所述的镍基粉末高温合金的制备方法，其特征在于，在所述热等压成型处理和所述热处理之间还包括：热挤压处理和等温锻造处理；

优选地，所述热挤压处理的温度为1000～1120℃；

优选地，所述等温锻造处理的温度为1000～1120℃。

10.权利要求1～4中任一项所述的镍基粉末高温合金在航空设备中的应用。