CN114921688A - 一种难变形镍基高温合金带材、钣金件及难变形镍基高温合金带材的制备方法 - Google Patents

一种难变形镍基高温合金带材、钣金件及难变形镍基高温合金带材的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种难变形镍基高温合金带材、钣金件及难变形镍基高温合金带材的制备方法，属于高温合金技术领域，所述难变形镍基高温合金带材的化学成分包括：Cr、Co、W、Mo、Al、Fe、Ti、C、Si、Mn、Ni及来自制备所述难变形镍基高温合金带材的杂质；其中，以质量分数计，(Ti/Al)的值为0.40～0.50，且，(Al+Ti)的值为3.50％～4.50％。该难变形镍基高温合金带材具有优异的高温强度、抗氧化性和可焊性，使用温度达1000℃的难变形镍基高温合金带材，可用于制备航空发动机挡板、隔热屏、加强筋等零部件，具有广泛的实际应用价值。

Description

一种难变形镍基高温合金带材、钣金件及难变形镍基高温合 金带材的制备方法
技术领域
本申请涉及高温合金技术领域，尤其涉及一种难变形镍基高温合金带材、钣金件及难变形镍基高温合金带材的制备方法。
背景技术
镍基高温合金是一种复杂的合金，其具有耐高温和高强度的特点。因此，在现代宇航工业和燃气轮机工业中，镍基高温合金的使用范围最广泛，使用量最大，地位最重要。
但是，由于镍基高温合金需要不断提高强度和使用温度，就需要不断增加合金元素的含量，提高合金化程度，这就造成熔点不断降低，再结晶温度不断提高，由于热加工是在再结晶温度以上温度进行，所以再结晶温度的提高，必将提高热加工温度的下限温度。此外，随着合金化程度的提高，凝固偏析不断加重，使热加工变形性能愈来愈差。
因此，现有镍基高温合金带材制备过程中存在镍基高温合金冷热加工变形性能差的问题。
发明内容
本申请实施例提供了一种难变形镍基高温合金带材、钣金件及难变形镍基高温合金带材的制备方法，以解决现有难变形镍基高温合金带材制备过程中存在镍基高温合金冷热加工难变形的技术问题。
第一方面，本申请实施例提供了一种难变形镍基高温合金带材，所述难变形镍基高温合金带材的化学成分包括：Cr、Co、W、Mo、Al、Fe、Ti、C、Si、Mn、Ni及来自制备所述难变形镍基高温合金带材的杂质；
其中，以质量分数计，(Ti/Al)的值为0.40～0.50，且，(Al+Ti)的值为3.50％～4.50％。
进一步地，以质量分数计，所述难变形镍基高温合金带材的化学成分为：Cr：15.50～22.50wt.％；Co：5.00～7.00wt.％；W：6.00～7.00wt.％；Mo：3.50～5.00wt.％；Al：2.50～3.00wt.％；
Fe：≤2.50wt.％；Ti：1.00～1.50wt.％；C：0.05～0.10wt.％；Si：≤0.30wt.％；Mn：≤0.30wt.％；其余为Ni及来自制备所述难变形镍基高温合金带材的杂质。
进一步地，所述Cr的质量分数为17.50～19.50wt.％。
进一步地，以体积分数计，所述难变形镍基高温合金带材的显微组织包括γ'相28～35％；碳化物1～2％；其余为γ基体。
第二方面，本申请实施例提供了一种第一方面所述的难变形镍基高温合金带材的制备方法，所述制备方法包括：
将Cr、Co、W、Mo、Al、Fe、Ti、C、Si、Mn和Ni单质金属原料进行合金熔炼，后浇注成型，得到合金铸锭；
将所述合金铸锭进行第一锻造，后重熔，得到重熔合金；
将所述重熔合金进行第二锻造，得到合金扁坯；
将所述合金扁坯进行热轧，得到合金板材；
将所述合金板材进行冷轧，后退火热处理，得到难变形镍基高温合金带材成品。
进一步地，将所述合金铸锭进行第一锻造，后重熔，得到重熔合金具体包括：
将所述合金铸锭进行第一锻造，得到电极棒；
将所述电极棒进行真空自耗重熔或电渣重熔，得到重熔合金；
其中，第一锻造的工艺参数包括：保温温度为：1200～1240℃，保温时间：60～90min，锻造比为3～6。
进一步地，将所述重熔合金进行第二锻造，得到合金扁坯具体包括：
将所述重熔合金于1200～1240℃温度下进行第二锻造，得到60～80mm厚的合金扁坯。
进一步地，所述热轧的工艺参数包括：轧制道次为8～12道次，终轧温度≥800℃，每道次变形量为20～25％。
进一步地，将所述合金板材进行冷轧，后退火热处理，得到难变形镍基高温合金带材具体包括：
将所述合金板材进行6～10火次轧制，每次轧制后进行中间退火，得到0.3～1.0mm厚的难变形镍基高温合金带材；
将所述难变形镍基高温合金带材进行退火热处理，得到难变形镍基高温合金带材成品；
其中，中间退火的工艺参数包括：温度为1100～1150℃，速度为1.0～4.0m/min；
退火热处理的工艺参数包括：温度为1150～1260℃，速度为3.0～8.0m/min。
本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：
本申请实施例提供的难变形镍基高温合金带材，该难变形镍基高温合金带材具体为一种难变形沉淀硬化型Ni基高温合金带材，通过对难变形镍基高温合金带材的各合金成分研究，限定(Ti/Al)的值为0.40～0.50，且，(Al+Ti)的值为3.50％～4.50％，提高镍基合金的热加工性，从而成功制得使用温度达1000℃的难变形沉淀硬化型Ni基高温合金带材，有效解决了现有难变形镍基高温合金带材制备过程中存在镍基高温合金热加工变形性能差的技术问题。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例1提供的难变形镍基高温合金带材的显微组织图；
图2为本申请实施例1提供的难变形镍基高温合金带材的表面宏观形貌图。
具体实施方式
下面将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本发明，本发明的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解，这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明，而非限制本发明。
在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
镍基高温合金是一种复杂的合金，在现代宇航工业和燃气轮机工业中使用最广泛，使用量最大，地位最重要。镍基高温合金以镍为基体，加入固溶强化、第二相强化和晶界强化元素进行充分强化，并且它的相对使用温度在所有普通合金系中是最高的。按成形方式镍基合金可分为变形和铸造合金两类，按强化方式又可分为沉淀硬化型和固溶强化型。沉淀硬化镍基变形高温合金棒材、板材、带材等主要用作涡轮叶片、涡轮盘、火焰筒、环形件等高温零部件。采用变形高温合金带材制备的钣金冲压件在先进航空、航天等装备上占有一定的比重，并且这类钣金件呈现出结构集成度越来越高、结构越来越复杂、壁厚更薄以适于减重。目前，我国冷轧高温合金带材如GH4145、GH4169、GH4738等牌号带材，使用温度在800℃以下。而作为四大热端部件之一的燃烧室内燃气温度高达1650℃，因此需要发展更耐高温、高强度的高温材料。而镍基高温合金具有相对较高的使用温度，因此是最佳候选材料之一。
但是，由于镍基高温合金需要不断提高强度和使用温度，就需要不断增加合金元素的含量，提高合金化程度，这就造成熔点不断降低，再结晶温度不断提高，由于热加工是在再结晶温度以上温度进行，所以再结晶温度的提高，必将提高热加工温度的下限温度。此外，随着合金化程度的提高，凝固偏析不断加重，使冷热加工变形性能愈来愈差。
因此，现有难变形镍基高温合金带材制备过程中存在镍基高温合金冷热加工变形性能差的问题。
本发明实施例提供的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
第一方面，本申请实施例提供了一种难变形镍基高温合金带材，所述难变形镍基高温合金带材的化学成分包括：Cr、Co、W、Mo、Al、Fe、Ti、C、Si、Mn、Ni及来自制备所述难变形镍基高温合金带材的杂质；
其中，以质量分数计，(Ti/Al)的值为0.40～0.50，且，(Al+Ti)的值为3.50％～4.50％。
本申请实施例提供的难变形镍基高温合金带材，Al和Ti元素作为高温合金中强化相γ'相的主要形成元素，其含量的增加将对材料强度性能的提升带来显著影响。然而，随着Al、Ti元素含量提高的同时，γ'相体积分数也会增加，提高了合金冷热加工变形的难度。因此，通过对难变形镍基高温合金带材进行成分调整，限定(Ti/Al)的值为0.40～0.50，且，(Al+Ti)的值为3.50％～4.50％，提高镍基合金的热加工性，从而成功制得使用温度达1000℃的难变形沉淀硬化型Ni基高温合金带材。
作为本发明实施例的一种实施方式，以质量分数计，所述难变形镍基高温合金带材的化学成分为：Cr：15.50～22.50wt.％；Co：5.00～7.00wt.％；W：6.00～7.00wt.％；Mo：3.50～5.00wt.％；Al：2.50～3.00wt.％；Fe：≤2.50wt.％；Ti：1.00～1.50wt.％；C：0.05～0.10wt.％；Si：≤0.30wt.％；Mn：≤0.30wt.％；其余为Ni及来自制备所述难变形镍基高温合金带材的杂质。
本申请通过调整难变形镍基高温合金带材的成分，首先，Co、Cr、Mo优先进入γ基体，强化γ固溶体。而W既可进入γ'相，又可进入γ基体，双方各占50％左右，都产生强化作用。其次，使得γ'相溶解较多合金化元素，其中Co可以置换Ni，而Fe、Cr既可置换Ni，也可置换Al。且当Ti/Al比较低(<1)时，合金组织具有较优的长时组织稳定性，并且可以抑制TCP相的析出。
作为本发明实施例的一种实施方式，所述Cr的质量分数为17.50～19.50wt.％。
本申请通过进一步限定Cr的质量分数为17.50～19.50wt.％，以保证零件在氧化性环境中形成Cr2O3为主的氧化膜，使合金具有良好的抗氧化和抗热腐蚀性能。而Co作为合金化元素加入到镍基高温合金中，可以降低基体的堆垛层错能。层错能低，形成层错就容易，层错出现的几率也高，层错的宽度加宽，这种扩展了的位错运动十分困难，必须收缩为一个全位错才行，也就是层错能的降低使交滑移更加困难，这就需要更大的外力，表现为合金强度的提高。
作为本发明实施例的一种实施方式，以体积分数计，所述难变形镍基高温合金带材的显微组织包括γ'相28～35％；碳化物1～2％；其余为γ基体。在一些具体实施例中，γ'相为30％左右、碳化物为1.5％左右；其中，碳化物主要为M23C6和M6C型碳化物。
本申请实施例提供的难变形镍基高温合金带材的显微组织的比例适宜，提高了该合金的冷热加工性。
第二方面，基于同一发明构思，本申请实施例提供了一种与第一方面所述的难变形镍基高温合金带材的制备方法，所述制备方法包括：
将Cr、Co、W、Mo、Al、Fe、Ti、C、Si、Mn和Ni单质金属原料进行合金熔炼，后浇注成型，得到合金铸锭；
将所述合金铸锭进行第一锻造，后重熔，得到重熔合金；
将所述重熔合金进行第二锻造，得到合金扁坯；
将所述合金扁坯进行热轧，得到合金板材；
将所述合金板材进行冷轧，后退火热处理，得到难变形镍基高温合金带材成品。
本申请实施例提供的难变形镍基高温合金带材的制备方法，通过优化制备工艺参数，如锻造温度及时间，热轧火次、温度及变形量，冷轧中间退火制度、火次及变形量，减少不均匀变形，获得组织均匀、使用温度达1000℃、表面质量稳定、强度合格的难变形沉淀硬化型Ni基高温合金带材。在一些具体实施例中，单质金属原料的纯度为99.0～99.999％。
作为本发明实施例的一种实施方式，将所述合金铸锭进行第一锻造，后重熔，得到重熔合金具体包括：
将所述合金铸锭进行第一锻造，得到电极棒；
将所述电极棒进行真空自耗重熔或电渣重熔，得到重熔合金；
其中，第一锻造的工艺参数包括：保温温度为：1200～1240℃，保温时间：60～90min，锻造比为3～6。
对于γ'相强化合金，其热加工温度要高于γ'相的析出温度，以减小变形抗力。
作为本发明实施例的一种实施方式，将所述重熔合金进行第二锻造，得到合金扁坯具体包括：
将所述重熔合金于1200～1240℃温度下进行第二锻造，得到60～80mm厚的合金扁坯。
本专利涉及合金具有较高数量的γ'相，不易加工变形，为减小变形开裂倾向，中间需回炉保温，采用多火次小变形的方式进行锻造加工。
作为本发明实施例的一种实施方式，所述热轧的工艺参数包括：轧制道次为8～12道次，终轧温度≥800℃，每道次变形量为20～25％。
经实践表明，当热轧温度低于800℃或变形量超过25％时，将会发生热轧开裂，导致热轧变形失败，造成经济损失。
作为本发明实施例的一种实施方式，将所述合金板材进行冷轧，后退火热处理，得到难变形镍基高温合金带材具体包括：
将所述合金板材进行6～10火次轧制，每次轧制后进行中间退火，得到0.3～1.0mm厚的难变形镍基高温合金带材；
将所述难变形镍基高温合金带材进行退火热处理，得到难变形镍基高温合金带材成品；
其中，中间退火的工艺参数包括：温度为1100～1150℃，速度为1.0～4.0m/min；
退火热处理的工艺参数包括：温度为1150～1260℃，速度为3.0～8.0m/min。
冷轧变形后，合金内部存在变形抗力，为进行合金下一步加工变形，故采用中间退火热处理。
第三方面，基于同一发明构思，本申请实施例提供了一种钣金件，所述钣金件由第一方面所述的难变形镍基高温合金带材制备而成。
本申请实施例提供的钣金件，具有耐高温、高强度的特点，可应用于航空、航天等装备上，尤其是可用于航空航天发动机、挡板、隔热屏、加强筋等核心零部件中。需要说明的是，本申请实施例提供的钣金件的具体制备方法并未特殊限定，按照现有技术公开内容及实际需要进行制备即可。
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。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。
实施例1
本例提供了一种厚度为0.6mm的难变形镍基高温合金带材的制备方法，该难变形镍基高温合金带材由沉淀硬化型Ni基高温合金1(简称合金1)制得，包括以下步骤：
1、根据合金1化学特征进行化学成分设定，具体成分如表1所示；
表1时效强化型Ni基高温合金1成分(wt.％)
Figure BDA0003638782440000071
2、根据合金1的成分要求，进行合金的冶炼，具体熔炼步骤如下：
(1)根据权利1的化学成分比例进行Cr、Co、W、Mo、Al、Fe、Ti、C、Si、Mn、Ni单质金属材料的称量；其中，单质金属的纯度为99.0～99.999％；
(2)采用料斗将配好的单质金属材料按照冶炼工艺要求依次加入真空感应熔炼炉中进行合金熔炼，精炼温度为1600℃，精炼时长为25min，之后浇注成型，得到合金铸锭；
3、对2制备的合金铸锭进行电极棒的锻造，锻造后进行真空自耗重熔的双联加工工艺；本次锻造历经2火次，锻造加热温度为1160℃±10℃，保温时间50min，锻造比为4；
4、对重熔后的合金，在1170℃±10℃保温约50min，经历2火次，锻造成80mm厚的扁坯；
5、将80mm扁坯在1200℃保温60min，进行热轧变形，当轧制温度低于850℃时回炉保温，经过2火次，12道次，轧至5.0mm厚的板材。其中，每道次变形量约为22％；
6、继续采用冷轧变形，经过8火次轧制，将合金1轧至0.6mm。其特征在于中间退火需要连续炉进行退火，中间退火温度为：1130℃，速度为2.0m/min，且每火次变形量约为28％。
7、采用退火热处理，对第6步冷轧变形后的沉淀硬化型Ni基高温合金带材采用连续炉退火热处理，退火热处理温度为1140℃，速度为：3.0m/min，得到难变形镍基高温合金带材成品。
本例得到的难变形镍基高温合金带材成品的室温性能如表2所示。同时，图1为本申请实施例1提供的难变形镍基高温合金带材的显微组织图，以体积分数计，γ'相30％；碳化物1.5％；其余为γ基体；图2为本申请实施例1提供的难变形镍基高温合金带材的表面宏观形貌图。
表2实施例1制备的带材室温性能
Figure BDA0003638782440000072
实施例2
本例提供了一种厚度为0.6mm的难变形镍基高温合金带材的制备方法，该难变形镍基高温合金带材由沉淀硬化型Ni基高温合金2(简称合金2)制得，与实施例1的区别仅在于：所使用的合金2的化学成分不同，其余步骤及参数均相同。
合金2的具体成分如表3所示。
表3沉淀硬化型Ni基高温合金2成分(wt.％)
Figure BDA0003638782440000081
本实施例制备的带材的室温性能如表4所示。
表4实施例2制备的带材室温性能
Figure BDA0003638782440000082
实施例3
本例提供了一种厚度为0.6mm的难变形镍基高温合金带材的制备方法，该难变形镍基高温合金带材由沉淀硬化型Ni基高温合金3(简称合金3)制得，与实施例1的区别仅在于：所使用的合金3的化学成分不同，其余步骤及参数均相同。
合金3的具体成分如表5所示。
表5沉淀硬化型Ni基高温合金3成分(wt.％)
Figure BDA0003638782440000083
本实施例制备的带材的室温性能如表6所示。
表6实施例3制备的带材室温性能
Figure BDA0003638782440000084
对比例1
本例提供一种厚度为0.6mm的难变形镍基高温合金带材的制备方法，该难变形镍基高温合金带材由沉淀硬化型Ni基高温合金4(简称合金4)制得，与实施例1的区别仅在于：所使用的合金4的化学成分不同，其余步骤及参数均相同。
合金4的具体成分如表7所示。
表7沉淀硬化型Ni基高温合金3成分(wt.％)
Figure BDA0003638782440000091
本实施例制备的带材的室温性能如表8所示。
表8对比例1制备的带材室温性能
Figure BDA0003638782440000092
综上所述，本申请实施例提供了一种难变形镍基高温合金带材及其制备方法，该难变形镍基高温合金带材具有优异的高温强度、抗氧化性和可焊性，使用温度达1000℃的难变形镍基高温合金带材，可用于制备钣金件，尤其适用于航空发动机挡板、隔热屏、加强筋等零部件，具有广泛的实际应用价值。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种难变形镍基高温合金带材，其特征在于，所述难变形镍基高温合金带材的化学成分包括：Cr、Co、W、Mo、Al、Fe、Ti、C、Si、Mn、Ni及来自制备所述难变形镍基高温合金带材的杂质；
其中，以质量分数计，(Ti/Al)的值为0.40～0.50，且，(Al+Ti)的值为3.50％～4.50％。
2.根据权利要求1所述的难变形镍基高温合金带材，其特征在于，以质量分数计，所述难变形镍基高温合金带材的化学成分为：Cr：15.50～22.50wt.％；Co：5.00～7.00wt.％；W：6.00～7.00wt.％；Mo：3.50～5.00wt.％；Al：2.50～3.00wt.％；Fe：≤2.50wt.％；Ti：1.00～1.50wt.％；C：0.05～0.10wt.％；Si：≤0.30wt.％；Mn：≤0.30wt.％；其余为Ni及来自制备所述难变形镍基高温合金带材的杂质。
3.根据权利要求2所述的难变形镍基高温合金带材，其特征在于，所述Cr的质量分数为17.50～19.50wt.％。
4.根据权利要求1～3任一项所述的难变形镍基高温合金带材，其特征在于，以体积分数计，所述难变形镍基高温合金带材的显微组织包括γ'相28～35％；碳化物1～2％；其余为γ基体。
5.一种权利要求1～4任一项所述的难变形镍基高温合金带材的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
将Cr、Co、W、Mo、Al、Fe、Ti、C、Si、Mn和Ni单质金属原料进行合金熔炼，后浇注成型，得到合金铸锭；
将所述合金铸锭进行第一锻造，后重熔，得到重熔合金；
将所述重熔合金进行第二锻造，得到合金扁坯；
将所述合金扁坯进行热轧，得到合金板材；
将所述合金板材进行冷轧，后退火热处理，得到难变形镍基高温合金带材成品。
6.根据权利要求5所述的难变形镍基高温合金带材的制备方法，其特征在于，将所述合金铸锭进行第一锻造，后重熔，得到重熔合金具体包括：
将所述合金铸锭进行第一锻造，得到电极棒；
将所述电极棒进行真空自耗重熔或电渣重熔，得到重熔合金；
其中，第一锻造的工艺参数包括：保温温度为：1200～1240℃，保温时间：60～90min，锻造比为3～6。
7.根据权利要求5所述的难变形镍基高温合金带材的制备方法，其特征在于，将所述重熔合金进行第二锻造，得到合金扁坯具体包括：
将所述重熔合金于1200～1240℃温度下进行第二锻造，得到60～80mm厚的合金扁坯。
8.根据权利要求5所述的难变形镍基高温合金带材的制备方法，其特征在于，所述热轧的工艺参数包括：轧制道次为8～12道次，终轧温度≥800℃，每道次变形量为20～25％。
9.根据权利要求5所述的难变形镍基高温合金带材的制备方法，其特征在于，将所述合金板材进行冷轧，后退火热处理，得到难变形镍基高温合金带材具体包括：
将所述合金板材进行6～10火次轧制，每次轧制后进行中间退火，得到0.3～1.0mm厚的难变形镍基高温合金带材；
将所述难变形镍基高温合金带材进行退火热处理，得到难变形镍基高温合金带材成品；
其中，中间退火的工艺参数包括：温度为1100～1150℃，速度为1.0～4.0m/min；
退火热处理的工艺参数包括：温度为1150～1260℃，速度为3.0～8.0m/min。
10.一种钣金件，其特征在于，所述钣金件由权利要求1～4任一项所述的难变形镍基高温合金带材制备而成。
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