CN115074557A

CN115074557A - 一种超高塑性低屈强比的高密度镍合金及其制备方法

Info

Publication number: CN115074557A
Application number: CN202210527529.3A
Authority: CN
Inventors: 郑磊; 赵鑫
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2022-05-16
Filing date: 2022-05-16
Publication date: 2022-09-20

Abstract

本发明提供一种超高塑性且低屈强比的高密度镍合金及其制备方法。高密度镍合金的制备方法，包括：将所述镍合金的原料置于真空感应炉中进行冶炼并浇铸成铸锭，对获得的铸锭进行均匀化处理，然后将均匀化处理后的铸锭加热进行锻造，最后对高密度镍合金锻材进行热处理，保温温度1100～1450℃，保温0.2～10h，保温结束后空冷至室温；所述镍合金以质量百分比计算包括：35.5％‑45％的钨、0‑25％的钴和30％‑64.5％的镍。本发明提供的高密度镍合金的冶炼方法制得的高密度镍合金，密度10‑12g/cm³，准静态室温拉伸的伸长率可达65％以上，屈强比小于0.45。

Description

一种超高塑性低屈强比的高密度镍合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及冶金领域，尤其涉及一种超高塑性且低屈强比的高密度镍合金及其制备方法。

背景技术

镍基合金由于其优异的综合性能而广泛应用于能源、化工、航空、勘探及爆破等领域。作为金属结构材料，强度与塑性是评价其性能的重要指标。随着科学技术飞速发展，某些领域对提升镍基合金塑性的需求越来越突出，但是由于镍基合金的合金化程度较高，大量合金元素的加入使得材料得到强化，导致它的塑性较低，因此目前大部分镍基合金的室温拉伸伸长率很少超过60％，因此获得超高塑性的镍基合金是当前的重要研究方向。

屈强比是指材料屈服强度和抗拉强度的比值，对于结构材料或机械零件，屈强比可以看作是衡量钢材强度储备的一个系数，屈强比越大越好(考虑节约材料，减轻重量)。而对于需要二次加工成形(例如冲压)类材料，屈强比越低越好，此时需要利用屈服强度到抗拉强度的这一段可塑性对材料进行塑性加工的，过高的屈强比使得塑性加工的这一段较短，加工硬化严重，产生塑性变形后进一步加工变得困难，导致材料开裂。

镍基合金的性能与组织状态密切相关，通常情况下细晶粒更容易获得良好的塑性，因为变形过程中数量较多的小晶粒更容易通过协调晶粒取向而避免应力局部集中产生开裂。为此提高材料塑性的常见途径是细化晶粒。对于镍基合金，由于加热/冷却过程中不发生固态相变，无法利用材料的相变细化晶粒组织，只能采用形变热处理的方式。即通过热变形过程中的动态再结晶方式实现晶粒细化。但是这种方法对变形过程的操作要求非常高。由于镍基合金的合金化程度较高，其加工工艺窗口较窄，为了获取细晶组织还需要降低加工温度或提高应变速率，进一步提升了制备难度。

申请人通过添加高比重钨元素提高了镍基合金密度，获得了一种高密度的镍基合金。但是，由于添加大量的强固溶元素钨，导致合金的热加工性能急剧恶化，加工窗口非常窄，获得均匀超细晶组织状态的难度极大。并且制备成本较高，限制了材料的推广应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有超高塑性且低屈强比的高密度镍合金及其制备方法，以解决上述问题。

在实验探索过程中，申请人惊奇地发现，通过熔炼、均匀化、变形与热处理的工艺组合，获得了一种具有超高塑性的高密度镍基合金，同时材料还具备非常低的屈强比。超高的塑性可以保证材料在大变形条件下保持完整结构而不破裂，较低的屈强比可以保证在外力作用下，虽然产生较显著变形而不被破坏。由于该镍基合金具有超高的塑性、较低的屈强比和较高的密度，是一种非常有潜力的新型材料，可推广应用于药型罩领域。

有鉴于此，特提出本发明。

为实现以上目的，本发明特采用以下技术方案：

第一方面，提供一种超高塑性且低屈强比的高密度镍合金的制备方法，包括：

所述镍合金以质量百分比计包括：35.5％-45％的钨、0-25％的钴、 30％-64.5％的镍和≤0.02％的碳，制备方法包括：

(1)将所述镍合金的组成配比原料进行冶炼，然后浇铸成铸锭，控制浇铸温度1530～1580℃；所述冶炼优于真空感应炉中进行；在所述冶炼中添加碳脱氧剂；在所述冶炼中添加碳脱氧剂，所述碳脱氧剂的用量为所述镍合金总质量的0.005～0.02％；

(2)将步骤(1)获取的高密度镍合金铸锭进行均匀化处理，控制铸锭均匀化处理的初始温度(即装炉温度)≤300℃，控制升温速度10～80℃/h，加热升温至1180～1250℃，保温≥15h；所述均匀化处理优选在热处理炉中进行；

(3)将均匀化处理后的高密度镍合金铸锭加热至1150～1250℃，对高密度镍合金进行锻造，每火次变形量15～30％，总变形量≥100％，终锻温度≥1000℃；

(4)将高密度镍合金锻材装入热处理炉进行热处理，保温温度 1100～1450℃，保温0.2～10h，保温结束后空冷至室温。

本发明提供的上述方法充分考虑了对材料密度的要求、对合金的超高塑性要求、易于变形且产生较显著变形而不被破坏的要求，最终经大量创造性研究后提出的；具体主要是从以下几个方面研究的：1.什么样的合金适合用于超高塑性与低屈强比；2.什么样的工艺步骤及参数可以得到目标合金；3.弄清楚合金中的组织状态会导致合金性能受限而达不到目标要求；4. 如何去调控合金组织；5.工艺参数对合金性能是否有重大影响。上述方法中，配方、工艺等多方面的配合具有协同作用，最终达到超高塑性且低屈强比的高密度的需求。其中，由于冶炼原材料不可避免地会带入少量的氧，在真空冶炼环境下，特别的添加适量的碳作为一种高效脱氧剂，能够有效去除合金熔液中的氧；并且与其他脱氧剂相比，反应产物[CO]↑可以通过挥发去除，合金熔液中氧化物残留少，避免了合金变形过程中氧化产物引起的裂纹萌生开裂。

可选地，所述镍合金以质量百分比计，钨的含量可以是35.5％、36％、 37％、38％、39％、40％、41％、42％、43％、44％、45％以及35.5％-45％之间的任一值；钴的含量可以是0％、5％、10％、15％、20％、25％以及0-25％之间的任一值；镍的含量可以是30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、 64.5％以及30％-64.5％之间的任一值。

本发明所述冶炼采用现有的方法进行，例如真空感应熔炼、真空感应熔炼+电渣重熔双联冶炼、真空感应熔炼+真空自耗重熔双联冶炼、真空感应熔炼+电渣重熔+真空自耗重熔三联冶炼及真空电弧熔炼，本发明在此不再赘述。

优选地，所述碳脱氧剂的用量为所述镍合金的总质量的0.010～0.02％，例如可以为0.010、0.015、0.017、0.02％中的任意值以及相邻点值之间的任意值。优选方案下，更利于超高塑性且低屈强比的综合性能。

优选地，步骤(4)所述热处理中，保温温度与时间控制满足：

其中，T为保温温度(单位：K)，t为保温时间(单位：h)。该优选方案，能够保证晶粒组织的均匀长大，一方面，单位体积晶界比例降低，可降低晶界强化引起的加工硬化效果；另一方面，较大的晶粒更利于保证晶粒内部充足的位错存储裕度，避免变形过程中位错过早塞积晶界，从而延缓晶界处萌生裂纹引起合金宏观开裂。

优选地，步骤(4)所述保温温度例如可以为1150、1200、1250、1300、 1350、1400、1450℃中的任意值以及相邻点值之间的任意值，优选在1200℃以上，进一步优选1200-1400℃。优选方案下，更利于超高塑性且低屈强比的综合性能。

步骤(4)所述保温0.2～10h，例如可以为0.2、0.5、1、1.5、2、3、5、 7、8、9、10h中的任意值以及相邻点值之间的任意值。

优选地，步骤(1)所述真空感应熔炼的浇铸温度控制在1550～1570℃。

优选地，步骤(2)所述均匀化处理时间不小于120D/T小时，其中，D为铸锭最大截面处直径(mm)，T为加热温度(℃)。

优选地，步骤(3)所述锻造过程加热温度控制在1200～1220℃，总变形量100～150％。该优选方案，更利于形成均匀的再结晶组织，避免了变形温度过低而引起的合金开裂和变形量过小而产生的混晶组织。

第二方面，提供第一方面所述的方法制备得到的高密度镍合金，所述高密度镍合金的性能满足：屈强比不大于0.45，室温拉伸工程下的断后伸长率在60％以上，密度为10-12g/cm³。

优选地，所述高密度镍合金的性能满足：屈强比不大于0.43，室温拉伸工程下的断后伸长率在65％以上，密度为10-12g/cm³。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：

本发明基于对镍合金的成分的选择，通过熔炼、均匀化、锻造及热处理等工序，尤其是适宜的原料配比协同适宜的工艺及其工艺参数，在保证高密度的基础上，提高合金纯净度、消除元素偏析、优化晶界组织、净化晶界、改善合金塑性，室温拉伸工程应变可达60％以上，屈强比不大于0.45；同时合金的制备流程稳定性高，弱化了对热加工参数控制的要求，进而降低了镍合金的加工成本，具有高效、低成本的优点。

使用本发明提供的方法制得的镍合金，密度高达10-12g/cm³，并且在获得超高塑性的同时具有低屈强比，既保证了材料在大变形量成型时不发生断裂，满足超大变形量需求，还使得材料具有一定的承受能力，从而应用于承力结构。其高密度、超高塑性和低屈强比的完美结合，可用于制备药型罩，中等强度使得罩体易于成形，超高塑性的低屈强比保证了罩体大变形后不发生断裂，高密度与中等强度保证了变形后构件的高动能与穿透力，最终大幅提升侵彻威力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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发明的某些实施例，因此不应被看作是对本发明范围的限定。

图1为实施例1得到的合金的准静态室温拉伸示意图；

图2为实施例1得到的合金的晶粒组织示意图；

图3为实施例2得到的合金的准静态室温拉伸示意图；

图4为对比例1得到的合金的准静态室温拉伸示意图；

图5为实施例1步骤(4)得到的合金锻材在不同温度条件下热处理1h 后合金的准静态室温拉伸屈强比与断后伸长率。

具体实施方式

下面将结合具体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，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例1

本实施例提供一种超高塑性且低屈强比高密度镍合金的制备方法，具体步骤如下：

(1)以质量百分比称取合金原料：0.015wt.％的石墨块、37wt.％的金属钨条、18.5wt.％的金属钴板及余量的金属镍板；

(2)将步骤(1)得到的原材料装入真空感应炉中熔炼，依次进行抽真空、化料及精炼，精炼结束后调整合金溶液温度至1550℃后浇铸成

铸锭；

(3)将步骤(2)得到的铸锭装入热处理炉进行均匀化处理，装炉温度200℃，按50℃/h升温速度加热至1200℃，保温35h；

(4)将均匀化处理后的高密度镍合金铸锭加热至1200±10℃，对高密度镍合金进行锻造，每火次变形量15～30％，总变形量100％；

(5)将高密度镍合金锻材装入热处理炉进行最终热处理，加热温度 1250℃，保温1h，保温结束后空冷至室温。

本实施例得到的高密度镍合金的密度为11.2g/cm³，准静态室温拉伸曲线如图1所示，金相组织如图2所示。从图1和图2可以看出，合金的断后伸长率达到73.0％，屈强比为0.41，晶粒的平均尺寸大于100μm。

此外，将实施例1步骤(4)得到的合金锻材在不同温度(900～1350℃) 条件下热处理1h后，测试合金准静态室温拉伸性能，具体结果如图5所示。从图5可以看出，热处理温度对断后伸长率、屈强比影响较大，而在本发明适宜优选范围的方案，能获得较高的塑性的同时具有低屈强比的综合效果。

实施例2

(1)以质量百分比称取合金原料：0.010wt.％的石墨块、37wt.％的金属钨条、19wt.％的金属钴板及余量的金属镍板；

(2)将步骤(1)得到的原材料装入真空感应炉中熔炼，依次进行抽真空、化料及精炼，精炼结束后调整合金溶液温度至1570℃后浇铸成25kg 级铸锭(最大直径200mm)；

(3)将步骤(2)得到的铸锭装入热处理炉进行均匀化处理，装炉温度250℃，按50℃/h升温速度加热至1220℃，保温20h；

(4)将均匀化处理后的高密度镍合金铸锭加热至1200±10℃，对高密度镍合金进行锻造，每火次变形量20～30％，总变形量120％；

(5)将高密度镍合金锻材装入热处理炉进行最终热处理，加热温度1350℃，保温2h，保温结束后空冷至室温。

本实施例得到的高密度镍合金的密度为11.2g/cm³，室温拉伸检测结果见表1，准静态室温拉伸曲线如图3所示。从表1和图3可以看出，合金的断后伸长率高达76.0％，屈强比仅为0.38，晶粒的平均尺寸155μm。

实施例3

(1)以质量百分比称取合金原料：0.020wt.％的石墨块、37wt.％的金属钨条、19wt.％的金属钴板及余量的金属镍板；

(2)将步骤(1)得到的原材料装入真空感应炉中熔炼，依次进行抽真空、化料及精炼，精炼结束后调整合金溶液温度至1540℃后浇铸成

铸锭；

(3)将步骤(2)得到的铸锭装入热处理炉进行均匀化处理，装炉温度300℃，按40℃/h升温速度加热至1210℃，保温30h；

(4)将均匀化处理后的高密度镍合金铸锭加热至1200±10℃，对高密度镍合金进行锻造，每火次变形量20～30％，总变形量130％；

(5)将高密度镍合金锻材装入热处理炉进行最终热处理，加热温度 1200℃，保温15分钟，保温结束后空冷至室温。

本实施例得到的高密度镍合金的密度为11.2g/cm³，室温拉伸检测结果见表1，准静态室温拉伸曲线如图4所示。从表1和图4可以看出，合金的断后伸长率高达66.0％，屈强比为0.42，晶粒的平均尺寸75μm。

实施例4

按照实施例1提供的方法进行，不同的是，将高密度镍合金锻材装入热处理炉进行最终热处理，加热温度1150℃，保温15分钟，保温结束后空冷至室温。

本实施例得到的高密度镍合金的密度为11.2g/cm³，从其室温拉伸检测结果和准静态室温拉伸测试结果可以看出，合金的断后伸长率为63.5％，屈强比0.45，与实施例1相比，断后伸长率降低13％，屈强比升高9.8％，晶粒的平均尺寸60μm。

实施例5

按照实施例1提供的方法进行，不同的是，以质量百分比称取合金原料：0.005wt.％的石墨块。

本实施例得到的高密度镍合金的密度为11.2g/cm³，从其室温拉伸检测结果和准静态室温拉伸测试结果可以看出，断后伸长率69.5％，屈强比为 0.43，与实施例1相比断后伸长率降低5％，屈强比升高5％，晶粒的平均尺寸100μm。

实施例6

按照实施例1提供的方法进行，不同的是，热处理中保温时间为0.3h，即保温温度T与时间t不满足：

本实施例得到的高密度镍合金的密度为11.2g/cm³，从其室温拉伸检测结果和准静态室温拉伸测试结果可以看出，断后伸长率64.5％，屈强比为 0.45，与实施例1相比断后伸长率降低11.6％，屈强比升高9.8％；晶粒的平均尺寸50μm。

表1准静态室温拉伸结果

对比例1

按照实施例1提供的合金配比进行对照试验，

(1)按合金的元素配比称取原材料，包括：金属钨条、金属钴板及金属镍板。然后在真空感应炉中熔炼，浇铸成25kg铸锭。

(2)将步骤(1)得到的合金铸锭在加热炉加热，加热温度1200℃，保温时间1h，然后进行锻造，经过锻造5火次锻成

圆柱棒料，每火次变形量控制在20％～35％，每火次回炉保温时间30min～60min。

(3)晶粒度6.5级(晶粒的平均尺寸36μm)；

本对比例得到的高密度镍合金的密度为11.2g/cm³，室温拉伸检测结果见表1。从表1可以看出，合金的断后伸长率仅60％，屈强比高达0.59，表明合金在变形过程中存在严重的加工硬化效果。

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，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。

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发明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发明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

1.一种超高塑性且低屈强比的高密度镍合金的制备方法，其特征在于，所述镍合金以质量百分比计包括：35.5％-45％的钨、0-25％的钴、30％-64.5％的镍和≤0.02％的碳，所述镍合金的制备方法包括：

(1)将所述镍合金的组成配比原料进行冶炼，然后浇铸成铸锭，控制浇铸温度1530～1580℃；在所述冶炼中添加碳脱氧剂，所述碳脱氧剂的用量为所述镍合金总质量的0.005～0.02％；

(2)将步骤(1)得到的高密度镍合金铸锭进行均匀化处理，控制铸锭均匀化处理的初始温度≤300℃，控制升温速度10～80℃/h，然后加热升温至1180～1250℃，保温≥15h；

(3)将均匀化处理后的高密度镍合金铸锭加热至1150～1250℃进行锻造，每火次变形量15～30％，总变形量≥100％，终锻温度≥1000℃；

(4)将步骤(3)得到的高密度镍合金锻材进行热处理，保温温度1100～1450℃，保温0.2～10h，保温结束后空冷至室温。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳脱氧剂的用量为所述镍合金总质量的0.010～0.02％。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述真空感应熔炼的浇铸温度控制在1550～1570℃。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述均匀化处理时间不小于120D/T小时，其中，D为铸锭最大截面处直径，mm；T为加热温度，℃。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)所述锻造中加热温度控制在1200～1220℃，总变形量100～150％。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)所述热处理中，保温温度与时间控制满足：

其中，T为保温温度，K；t为保温时间，h。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)所述保温温度控制在1200℃以上。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤(4)所述保温温度为1200-1400℃。

9.根据权利要求1-7中任一项所述的方法制备得到的高密度镍合金，其特征在于，所述高密度镍合金的性能满足：屈强比不大于0.45，室温拉伸工程下的断后伸长率在60％以上，密度为10-12g/cm³。

10.根据权利要求9所述的高密度镍合金，其特征在于，所述高密度镍合金的性能满足：屈强比不大于0.43，室温拉伸工程下的断后伸长率在65％以上，密度为10-12g/cm³。