CN115011856A

CN115011856A - 一种低膨胀高温合金及其制备方法

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Publication number: CN115011856A
Application number: CN202210561712.5A
Authority: CN
Inventors: 朱景川; 油如月; 刘勇; 范晓烁; 孙兵; 曹勇; 廖名情
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2022-05-23
Filing date: 2022-05-23
Publication date: 2022-09-06

Abstract

一种低膨胀高温合金及其制备方法。本发明属于高温合金及其制备领域。本发明为解决现有高温合金热膨胀系数较高和抗氧化性能较差的技术问题。本发明的一种低膨胀高温合金的化学成分及其质量分数为Fe：33％～37％，Ni：26％～30％，Co：25％～30％，Nb：3％～5％，W≤1.0％，Ti：1％～2％，Al≤1.0％，Si≤0.5％。制备方法：步骤1：按低膨胀高温合金成分及其含量依次将金属原料放入炉腔，然后抽真空，并在氩气气氛下进行熔炼，得到合金铸锭；步骤2：对合金铸锭进行热处理，所述热处理具体为先进行二次固溶，再进行二次时效，得到低膨胀高温合金。本发明的高温合金经热处理后居里点温度为450℃，合金的线膨胀系数为8.4218×10^‑6/℃，在650℃下属于完全抗氧化级别。

Description

一种低膨胀高温合金及其制备方法

技术领域

本发明属于高温合金及其制备领域，具体涉及一种低膨胀高温合金及其制备方法。

背景技术

低膨胀合金因其热膨胀系数对温度不同寻常的变化应用于面罩，测量仪器，集成电路及其它精确度较高的仪器中。然而，低膨胀合金的强度和硬度较低，很难被用做结构材料。尽管传统的因瓦合金组成成分我们已经熟知，但它们的某些性能较差，例如热膨胀性，硬度，阻尼，耐腐蚀性等。较差的机械性能使得我们很难在高载荷或者大的结构件中使用。

上世纪七十年代以来国外开发了如Incoloy903、Incoloy907、EXP4005、Incone1783、Thermo-span和Haynes24等多种典型商用低膨胀高温合金，并且这些合金的抗氧化性能逐步得到了提高，其中Incone1783已经被国外某些先进航空发动机所采用。国内研制出了一系列低膨胀高温合金，主要有GH903、GH907和GH909等一系列的低膨胀高温合金。目前，这几种合金都己经在发动机上得到广泛的应用，但上述合金的抗氧化性能较差，制约了它们在更高推重比发动机中的应用。因此，设计一种新的低膨胀高温合金具有重要的科学意义和应用价值。

发明内容

本发明为解决现有高温合金热膨胀系数较高和抗氧化性能较差的技术问题，而提供了一种低膨胀高温合金及其制备方法。

本发明的一种低膨胀高温合金的化学成分及其质量分数为Fe：33％～37％、Ni：26％～30％、Co：25％～30％、Nb：3％～5％、W≤1.0％、Ti：1％～2％、Al≤1.0％、Si≤0.5％。

进一步限定，所述低膨胀高温合金的化学成分及其质量分数为Fe：36.1％、Ni：29％、Co：27.5％、Nb：4％、W：0.8％、Ti：1.2％、Al：1％、Si：0.4％。

本发明的一种低膨胀高温合金的制备方法按以下步骤进行：

步骤1：按合金成分配比将金属原料放入炉腔，然后抽真空，并在氩气气氛下进行熔炼，得到合金铸锭；

步骤2：对合金铸锭先进行二次固溶处理，再进行二次时效处理，得到低膨胀高温合金。进一步限定，步骤1中将金属原料放入炉腔时按照熔点由低到高的顺序放置。

进一步限定，步骤1中抽真空3次。

进一步限定，步骤1中所述熔炼温度为1900～2100℃，熔炼时间为1h～1.1h。

进一步限定，步骤2中所述二次固溶具体为：先在1150～1200℃下固溶处理4h～6h，随炉冷却后，于1200～1250℃下固溶处理1.5h～2.5h，随炉冷却。

进一步限定，步骤2中所述二次固溶具体为：先在1170℃下固溶处理5h，随炉冷却后，于1220℃下固溶处理2h，随炉冷却。

进一步限定，步骤2中所述二次时效具体为：先在650～700℃下固溶处理7h～9h，随炉冷却后，于600～650℃下固溶处理7h～9h，随炉冷却。

进一步限定，步骤2中所述二次时效具体为：先在680℃下固溶处理8h，随炉冷却后，于640℃下固溶处理8h，随炉冷却。

本发明与现有技术相比具有的显著效果：

本发明的低膨胀合金体系为Fe-Ni-Co-W系，本发明通过严格的体系成分设计和精确的成分含量控制，使合金的获得了优异的物理性质(热膨胀系数，弹性模量和密度等)，具体优点如下：

1)经本发明的研究发现，当Ni的含量低于25wt％时Fe-Ni-Co系合金的基体γ相将不再稳定，因此为了保证基体的稳定性，需保证Ni含量大于25wt％。此外，在设计低膨胀合金中铁的含量时，需严格控制Fe的含量，以确保基体存在因瓦效应保障合金的低膨胀性能。同时，由于Co会强化奥氏体的稳定性，并且能提高居里点温度，但是其价格比较贵，因此，本申请通过其他成分及其含量的合理控制，在显著降低Co含量的同时保证了合金的优异性能。

2)本发明的合金中铝和钛作为强化相形成元素，铝元素在γ和γ′相中的分配比为1:0.24，钛元素在γ和γ′相中的分配比为1:0.1。由于γ′相的沉淀强化作用，使得高温合金在高温下有更高的强度。当铝元素或钛元素的含量较高时，会形成有害相。钛元素可以促进碳化物的形成，并且可以提高合金的稳定性。

3)本发明通过在合金成分中加入适量的铌，使γ′相析出量增加，同时也使得γ′相聚集长大过程得到延缓，因而使得合金的高温强度得以提高。

4)本发明通过在合金中合理的加入Si元素有效的控制晶粒尺寸，从而改善合金的力学性能，使得合金的强度、韧性及抗晶界氧化脆性有了良好的结合。当合金中硅元素含量较高时，会析出一些其他相，例如Leves相。通常硅元素的含量应控制在0.5％以下。

5)W是一种顺磁性元素，并且具有细化晶粒的作用且其膨胀系数较低，可以在合金中加入W元素来提高合金的强度。当W含量在一定范围内增加时，试样的晶粒尺寸随之减少，其显微硬度随着W含量的升高由了较大幅度的提升，此外，由于W本身具有较低的膨胀系数，且合金的磁滞伸缩效应使合金的体积膨胀被抵消掉，使得W合金化后的因瓦合金具有较低的膨胀系数。虽然W元素的引入有利于降低合金的膨胀系数，但W含量不宜过高，当W元素含量过高时，在合金熔炼过程中形成偏析，对合金的性能产生影响，因此，W元素的含量应控制在1％以下。

6)本发明的高温合金经热处理后居里点温度为450℃，合金的线膨胀系数为8.4218×10^-6/℃。经试验验证，新型低膨胀高温合金与现有合金体系相比具有较低的线膨胀系数，较高的居里点温度，并且在650℃下属于完全抗氧化级别。

附图说明

图1为实施例1与对比例1-4的高温合金的热膨胀曲线图。

具体实施方式

实施例1、本实施例的一种低膨胀高温合金的化学成分及其质量分数为Fe：36.1％、Ni：29％、Co：27.5％、Nb：4％、W：0.8％、Ti：1.2％、Al：1％、Si：0.4％。

制备实施例1的一种低膨胀高温合金的方法按以下步骤进行：

步骤1：按低膨胀高温合金成分及其分配比将金属原料按照熔点由低到高的顺序放入炉腔，然后抽真空3次，并在氩气气氛下于2100℃下熔炼1.1h，得到合金铸锭；

步骤2：对合金铸锭先进行二次固溶处理，再进行二次时效处理，所述二次固溶具体为：先在1170℃下固溶处理5h，随炉冷却后，于1220℃下固溶处理2h，随炉冷却，所述二次时效具体为：先在680℃下固溶处理8h，随炉冷却后，于640℃下固溶处理8h，随炉冷却，得到低膨胀高温合金。

对比例1、本实施例的一种高温合金的化学成分及其质量分数为Fe：34.5％、Ni：29％、Co：27.5％、Nb：4％、W：2.4％、Ti：1.2％、Al：1％、Si：0.4％。

制备对比例1的一种高温合金的方法按以下步骤进行：

步骤1：按高温合金成分及其分配比将金属原料按照熔点由低到高的顺序放入炉腔，然后抽真空3次，并在氩气气氛下于2100℃下熔炼1.1h，得到合金铸锭；

步骤2：对合金铸锭先进行二次固溶处理，再进行二次时效处理，所述二次固溶具体为：先在1170℃下固溶处理5h，随炉冷却后，于1220℃下固溶处理2h，随炉冷却，所述二次时效具体为：先在680℃下固溶处理8h，随炉冷却后，于640℃下固溶处理8h，随炉冷却，得到高温合金。

对比例2、本实施例的一种高温合金的化学成分及其质量分数为Fe：33.9％、Ni：29％、Co：27.5％、Nb：4％、Ce/Ta：0.5％/1.0％、Ti：1.2％、Al：1％、Si：0.4％。

制备对比例2的一种高温合金的方法按以下步骤进行：

对比例3、本实施例的一种高温合金的化学成分及其质量分数为Fe：33.9％、Ni：29％、Co：27.5％、Nb：4％、Ce/Ta：0.75％/0.75％、Ti：1.2％、Al：1％、Si：0.4％。

制备对比例3的一种高温合金的方法按以下步骤进行：

对比例4、本实施例的一种高温合金的化学成分及其质量分数为Fe：33.9％、Ni：29％、Co：27.5％、Nb：4％、Ce/Ta：1.0％/0.5％、Ti：1.2％、Al：1％、Si：0.4％。

制备对比例4的一种高温合金的方法按以下步骤进行：

检测试验

试验一、线膨胀系数检测：

根据GB4339-2008，使用德国制造的402C Expedis Supreme热膨胀仪，试样尺寸为Φ4×10mm，平均线膨胀系数通过下式来计算：

α＝(L_T-L_R)/[L_R·(T-T_R)]

式中L_T——温度是T时试样的长度，(μm)；

L_R——室温时试样长度，(μm)；

T——指测试温度，(K)；

T_R——表示室温温度，(K)。

结果：如图1所示，从图1可以看出，实施例1的高温合金经热处理后居里点温度为450℃，合金的线膨胀系数为8.4218×10^-6/℃。本申请实施例1的高温合金与对比例1-4相比，在显著降低了成本的基础上获得了极低的线膨胀系数。

试验二：抗氧化性能检验：

采用HB5258-2000，试样尺寸10×10×10mm。高温抗氧化实验在箱式电阻炉中进行的，合金氧化增重的计算公式：

Δm＝(m_t-m₁)/S

式中m₁——测试前坩埚与试样的总重量，(mg)；

m_t——t℃后坩埚与试样的总重量，(mg)；

S——试样表面积，(cm²)。

通常情况下，计算合金的氧化增重选择50～100h时间段内的平均氧化速率，计算公式如下。

K⁺＝Δm/t

表1实施例1的高温合金在不同温度下抗氧化性能等级

氧化温度(℃)	氧化速率(g/m<sup>2</sup>·h)	抗氧化性能等级
			600	0.071	完全抗氧化(＜0.1)
650	0.085	完全抗氧化(＜0.1)
			700	0.104	抗氧化(0.1～1.0)

结果：如表1所示，从表1可以看出，实施例1的高温合金在600℃及650℃下为完全抗氧化级别，在700℃下为抗氧化性级别，抗氧化性能优于传统的Incoloy900系列低膨胀高温合金。

Claims

1.一种低膨胀高温合金，其特征在于，该高温合金的化学成分及其质量分数为Fe：33％～37％、Ni：26％～30％、Co：25％～30％、Nb：3％～5％、W≤1.0％、Ti：1％～2％、Al≤1.0％、Si≤0.5％。

2.根据权利要求1所述的一种低膨胀高温合金，其特征在于，所述低膨胀高温合金的化学成分及其质量分数为Fe：36.1％、Ni：29％、Co：27.5％、Nb：4％、W：0.8％、Ti：1.2％、Al：1％、Si：0.4％。

3.如权利要求1或2所述的一种低膨胀高温合金的制备方法，其特征在于，该方法按以下步骤进行：

步骤2：对合金铸锭先进行二次固溶处理，再进行二次时效处理，得到低膨胀高温合金。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤1中将金属原料放入炉腔时按照熔点由低到高的顺序放置。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤1中抽真空3次。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤1中熔炼温度为1900～2100℃，熔炼时间为1h～1.1h。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤2中所述二次固溶具体为：先在1150～1200℃下固溶处理4h～6h，随炉冷却后，于1200～1250℃下固溶处理1.5h～2.5h，随炉冷却。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，先在1170℃下固溶处理5h，随炉冷却后，于1220℃下固溶处理2h，随炉冷却。

9.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤2中所述二次时效具体为：先在650～700℃下固溶处理7h～9h，随炉冷却后，于600～650℃下固溶处理7h～9h，随炉冷却。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，先在680℃下固溶处理8h，随炉冷却后，于640℃下固溶处理8h，随炉冷却。