CN115433853B - 一种抗氧化、抗裂纹镍基高温合金及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于高温合金技术领域，具体涉及一种抗氧化、抗裂纹镍基高温合金及其制备方法和应用。本发明提供的镍基高温合金，包括C：0.01‑0.1％、Cr：25.00‑27.00％、Co：8.00‑11.00％、Mo：5.50‑7.00％、Al：1.2‑1.8％、Ti：1.2‑1.7％、Nb：0.9‑1.6％、B：0.001‑0.01％、Y：0.08‑0.25％、Sc：0.001‑0.009％、Zr：0‑0.05％、W：0‑0.05％，余量为镍和不可避免的杂质，以质量百分含量计。该合金具有良好的抗蠕变性能、抗氧化性能、热塑性以及持久寿命。

Description

一种抗氧化、抗裂纹镍基高温合金及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于高温合金技术领域，具体涉及一种抗氧化、抗裂纹镍基高温合金及其制备方法和应用。
背景技术
高温合金材料按基体元素主要可分为铁基高温合金、镍基高温合金和钴基高温合金。由于铁基高温合金组织不够，稳定抗氧化性较差，高温强度不足，不能在更高温度条件下应用，只能在中等温度(600～800℃)条件下使用；而钴是一种重要的战略资源，世界上大多数国家缺钴，以至于钴基合金的发展受到了钴资源的限制。因而，以镍为基体的镍基高温合金成为了目前高温合金中应用最广、高温强度最高的一类合金，其在650～1000℃范围内具有较的强度和良好的抗氧化性、抗腐蚀能力。
镍基高温合金是指镍含量为40～65％的奥氏体高温合金。该合金在730～1100℃条件下具有一定的高温强度、良好的抗热腐蚀和抗氧化能力，适于制作航空喷气发动机、工业燃气轮机、舰船燃气轮机的导向叶片和喷嘴导叶以及柴油机喷嘴等。
发明内容
本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的：
镍基高温合金主要用于航空航天领域950-1050℃下工作的结构部件，如航空发动机的工作叶片、涡轮盘、燃烧室等。尽管镍基高温合金具有高温组织稳定性、抗疲劳、耐腐蚀及抗氧化等性能，但是高温长期服役的镍基合金在疲劳强度、屈服强度和极限抗拉强度等力学性能方面均会出现明显下降。因而，如何提高高温长期服役的镍基合金的稳定性和高温力学性能，成了亟待解决的关键问题。
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种抗氧化、抗裂纹镍基高温合金，该合金不仅具有良好的抗蠕变性能、抗氧化性能以及热塑性，而且还具有优异的持久寿命，能够满足航空发动机和燃气轮机设计和使用的要求。
本发明实施例的抗氧化、抗裂纹镍基高温合金，包括C：0.01-0.1％、Cr：25.00-27.00％、Co：8.00-11.00％、Mo：5.50-7.00％、Al：1.2-1.8％、Ti：1.2-1.7％、Nb：0.9-1.6％、B：0.001-0.01％、Y：0.08-0.25％、Sc：0.001-0.009％、Zr：0-0.05％、W：0-0.05％，余量为镍和不可避免的杂质，以质量百分含量计。
本发明实施例的抗氧化、抗裂纹镍基高温合金带来的优点和技术效果，1、本发明实施例中，大幅提高了Cr元素的含量，Cr元素一部分熔入γ'相起到强化作用，其余大部分溶解于γ基体中起到固溶强化作用，还能形成Cr2O3型氧化膜以提高合金的抗氧化性能；2、本发明实施例中，降低了元素Al的含量，Al虽然能起到强化效果，但是当Al元素含量过多时，会降低合金的持久寿命，因此，本发明中将Al元素的含量控制在1.2-1.8％范围内，不仅能降低成本，还能获得综合性能更好的合金；3、本发明实施例中，加入了Y元素，能够有效降低合金中的氧氮硫含量，起到净化晶界的作用，并且，Y元素能够抑制裂纹的形成和扩展，进而提高合金的持久性能，同时Y元素还能提高氧化膜的致密性，改善合金的抗氧化性能，进而提高合金的表面稳定性；4、本发明实施例中，调配了各个元素的含量，使制备的合金具有良好的抗蠕变性能、抗氧化性能以及热塑性，而且还具有优异的持久寿命，能够满足先进航空发动机和燃气轮机设计和使用的要求。
在一些实施例中，所述镍基高温合金还包括质量分数为0.05-0.25％的Nd。
在一些实施例中，所述Nd的质量百分含量为0.07-0.21％。
在一些实施例中，所述Al、Y和Nd的质量百分含量满足关系式0.68％<Al-2.8Y-1.5Nd<1.25％。
在一些实施例中，所述Al、Y和Nd的质量百分含量满足关系式0.69％<Al-2.8Y-1.5Nd<1.06％。
在一些实施例中，所述镍基高温合金包括C：0.02-0.074％、Cr：25.72-26.67％、Co：8.95-10.37％、Mo：5.86-6.50％、Al：1.22-1.74％、Ti：1.25-1.67％、Nb：0.95-1.6％、B：0.001-0.009％、Y：0.09-0.23％、Sc：0.001-0.009％、Zr：0-0.02％、W：0.028-0.042％，余量为镍和不可避免的杂质，以质量百分含量计。
本发明实施例还提供了抗氧化、抗裂纹镍基高温合金在航空发动机中的应用。
本发明实施例还提供了抗氧化、抗裂纹镍基高温合金在燃气轮机中的应用。
本发明实施例还提供了一种抗氧化、抗裂纹镍基高温合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)将原料按设计配比放入真空感应熔炼炉中，在1550～1650℃下熔炼10～30min；
(2)将得到的熔体降温至1500～1600℃进行浇注，得到铸锭；
(3)对步骤(2)得到的铸锭进行扩散退火处理。
本发明实施例的抗氧化、抗裂纹镍基高温合金的制备方法带来的优点和技术效果，1、本发明实施例中，采用该方法制备得到的镍基高温合金不仅具有良好的抗蠕变性能、抗氧化性能以及热塑性，而且还具有优异的持久寿命，能够满足先进航空发动机和燃气轮机设计和使用的要求；2、本发明实施例中，该制备方法节约能耗，操作简单，生产效率较高。
在一些实施例中，所述扩散退火处理是首先在1140～1160℃下处理24～48h，然后在1160～1200℃下处理10～20h，冷却至室温。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例。下面描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明实施例的一种抗氧化、抗裂纹镍基高温合金，包括C：0.01-0.1％、Cr：25.00-27.00％、Co：8.00-11.00％、Mo：5.50-7.00％、Al：1.2-1.8％、Ti：1.2-1.7％、Nb：0.9-1.6％、B：0.001-0.01％、Y：0.08-0.25％、Sc：0.001-0.009％、Zr：0-0.05％、W：0-0.05％，余量为镍和不可避免的杂质，以质量百分含量计。
本发明实施例的抗氧化、抗裂纹镍基高温合金，大幅提高了Cr元素的含量，Cr元素一部分熔入γ'相起到强化作用，其余大部分溶解于γ基体中起到固溶强化作用，还能形成Cr2O3型氧化膜以提高合金的抗氧化性能；降低了元素Al的含量，Al虽然能起到强化效果，但是当Al元素含量过多时，会降低合金的持久寿命，因此，本发明中将Al元素的含量控制在1.2-1.8％范围内，不仅能降低成本，还能获得综合性能更好的合金；本发明实施例中，加入了Y元素，能够有效降低合金中的氧氮硫含量，起到净化晶界的作用，并且，Y元素能够抑制裂纹的形成和扩展，进而提高合金的持久性能，同时Y元素还能提高氧化膜的致密性，改善合金的抗氧化性能，进而提高合金的表面稳定性；本发明实施例中，调配了各个元素的含量，使制备的合金具有良好的抗蠕变性能、抗氧化性能以及热塑性，而且还具有优异的持久寿命，能够满足先进航空发动机和燃气轮机设计和使用的要求。
本发明实施例中镍基高温合金中元素Cr、Al、Y的作用如下：
Cr元素的作用：Cr是高温合金中不可缺少的合金化元素，加入高温合金中的Cr元素一部分熔入γ'相起到强化作用，并形成少量的碳化物，起到碳化物强化作用。其余大部分溶解于γ基体中，溶于基体中的Cr元素会引起晶格畸变，产生弹性应力场，起到固溶强化作用。同时，Cr元素还降低固溶体堆垛成错能，提高合金的高温持久强度。并且，当Al+Ti含量在4.54wt％以下时，合金强度随Cr元素含量的增加呈上升趋势。
此外，高温合金中Cr元素最主要的作用是形成Cr2O3型氧化膜，提高合金的抗氧化和抗腐蚀性能，Cr元素含量越高，抗氧化性越好，Cr含量太低时，抗氧化性能不足；但是Cr含量太高时，合金热塑性降低。因此，本发明实施例中将Cr的含量控制在25-27％范围内。
Al元素的作用：Al元素是γ'相的基本形成元素，加入合金中的Al元素约80％与Ni元素形成Ni3Al，进行沉淀强化。而且，随着Al元素含量的增加，γ'相的数量增加，同时也影响着γ'相中其他元素的溶解度，并且也增加γ'相的反相畴界，增强切割机制的强化效果。其次，Al元素的添加也会增大γ'/γ两相的错配度，引起γ'相周围共格应变场增强，从而增加强化效果。但是，当Al元素含量过多时，合金中会析出大块的Laves相和NiAl相，增加裂纹形核位点、并促进裂纹扩展，进而降低合金的持久寿命，起到不利影响。因此，需要合理控制合金中的Al元素含量。
总之，Al含量太低时合金强度不足，Al含量过高时降低合金的持久寿命。因此，本发明实施例中将Al的含量控制在1.2-1.8％范围内。
Y元素的作用：稀土元素Y与O、N、S的形成自由能很低，极易形成含Y的氧化物、氮化物、硫化物和氧硫化物，在冶炼时在合金液中上浮去除，进而降低合金中的氧氮硫含量，起到净化晶界的作用。其次，Y元素可以作为微合金化元素偏聚于晶界，起到强化晶界的作用，可以抑制裂纹的形成和扩展，进而提高合金的持久性能。再次，Y作为活性元素改善合金的抗氧化性能，其通过降低氧化后期的氧化激活能，降低合金的氧化增重和氧化速率，提高氧化膜的致密性，进而提高合金的表面稳定性。
Y含量太低时合金持久寿命和抗氧化性能不足，Y含量过高时损害合金热加工性能(容易产生锻造裂纹)。因此，本发明实施例中将Y的含量控制在0.08-0.25％范围内。
在一些实施例中，优选地，所述镍基高温合金包括C：0.02-0.074％、Cr：25.72-26.67％、Co：8.95-10.37％、Mo：5.86-6.50％、Al：1.22-1.74％、Ti：1.25-1.67％、Nb：0.95-1.6％、B：0.001-0.009％、Y：0.09-0.23％、Sc：0.001-0.009％、Zr：0-0.02％、W：0.028-0.042％，余量为镍和不可避免的杂质，以质量百分含量计。
在一些实施例中，优选地，所述镍基高温合金还包括质量分数为0.05-0.25％的Nd，优选为0.07～0.21％。
本发明实施例中，在镍基高温合金中添加元素Nd，Nd是镧系稀土元素，以往人们普遍关注并在镍基高温合金中得到应用的稀土元素主要有La和Ce，对于稀土元素Nd在镍基变形高温合金中作用的研究和应用鲜有报道。Nd元素具有强的脱氧、脱硫能力，可净化钢液，延缓碳化物沿晶界析出和聚集长大，还能阻碍晶界裂纹的形成和扩展，并可削弱或消除杂质元素在晶界的偏聚，从而强化晶界，起到提高合金高温持久寿命和抗蠕变能力的作用。Nd的特点是添加量很少(0.002wt％以上)就能明显提高合金高温性能，添加量过多时则会形成稀土夹杂物，反而对合金的性能有害。
综上分析，Nd含量过高时容易形成稀土夹杂物且在锻造时引起开裂。因此，本发明实施例中将Nd的含量控制在0.05-0.25％范围内。
在一些实施例中，优选地，所述Al、Y和Nd的质量百分含量满足关系式0.68％<Al-2.8Y-1.5Nd<1.25％，进一步优选地，0.69％<Al-2.8Y-1.5Nd<1.06％。
本发明实施例中，进一步限定了元素Al、Y和Nd的质量百分含量满足关系式0.68％<Al-2.8Y-1.5Nd<1.25％，限定三种元素的含量满足该关系式，能使元素之间的协同作用发挥到最大，合金在89MPa、927℃条件下的持久寿命基本能达到370h以上，室温拉伸屈服强度均能超过770MPa，室温拉伸抗拉强度均能超过1160MPa，在816℃、221MPa、100h条件下的蠕变塑性伸长率能降低至0.150％以下，该合金具有更好的综合性能。
本发明实施例还提供了抗氧化、抗裂纹镍基高温合金在航空发动机中的应用。本发明实施例中的镍基高温合金满足了先进航空发动机设计和使用的要求，能够应用在先进航空发动机的精密设备中。
本发明实施例还提供了抗氧化、抗裂纹镍基高温合金在燃气轮机中的应用。本发明实施例中的镍基高温合金满足了燃气轮机设计和使用的要求，能够应用在燃气轮机的精密设备中。
本发明实施例还提供了一种抗氧化、抗裂纹镍基高温合金的制备方法，包括如下步骤：
(1)将原料按设计配比放入真空感应熔炼炉中，在1550～1650℃下熔炼10～30min；
(2)将得到的熔体降温至1500～1600℃进行浇注，得到铸锭；
(3)对步骤(2)得到的铸锭进行扩散退火处理。
本发明实施例的抗氧化、抗裂纹镍基高温合金的制备方法，制备得到的镍基高温合金不仅具有良好的抗蠕变性能、抗氧化性能以及热塑性，而且还具有优异的持久寿命，能够满足先进航空发动机和燃气轮机设计和使用的要求；该制备方法节约能耗，操作简单，生产效率较高。
在一些实施例中，优选地，所述扩散退火处理是首先在1140～1160℃下处理24～48h，然后在1160～1200℃下处理10～20h，冷却至室温。
本发明实施例中，进一步优选了热处理的条件，热处理工艺对合金组织的影响较为敏感，固溶处理能够获得均匀的晶粒尺寸，时效处理能使合金基体中析出一定数量和大小的强化相，以达到合金最大强化效果。
下面结合实施例详细描述本发明。
实施例1
(1)将原料按设计配比放入真空感应熔炼炉中，在1550℃下熔炼20min；
(2)将得到的熔体降温至1600℃进行浇注，得到铸锭；
(3)对步骤(2)得到的铸锭进行扩散退火处理，扩散退火处理是在1150℃下处理24h，然后在1180℃下处理20h，冷却至室温。
实施例1制得的合金成分见表1，性能见表2。
实施例2～5与实施例1的制备方法相同，不同之处在于合金成分中，实施例2-5制得的合金成分见表1，性能见表2。
实施例6
实施例6与实施例1的制备方法相同，不同之处在于合金成分中，其中，Al-2.8Y-1.5Nd＝1.37％，实施例6制得的合金成分见表1，性能见表2。
实施例7
实施例7与实施例1的制备方法相同，不同之处在于合金成分中，其中，Al-2.8Y-1.5Nd＝0.52％，实施例7制得的合金成分见表1，性能见表2。
实施例8
实施例8与实施例1的制备方法相同，不同之处在于合金成分中，且不含元素Nd，实施例8制得的合金成分见表1，性能见表2。
对比例1
对比例1与实施例1的制备方法相同，不同之处在于合金成分中，元素Y的含量为0.02％，对比例1制得的合金成分见表1，性能见表2。
对比例2
对比例2与实施例1的制备方法相同，不同之处在于合金成分中，元素Nd的含量为0.31％，对比例2制得的合金成分见表1，性能见表2。
对比例3
对比例3与实施例1的制备方法相同，不同之处在合金成分中，元素Y的含量为0.34％，对比例3制得的合金成分见表1，性能见表2。
对比例4
对比例4与实施例1的制备方法相同，不同之处在于合金成分中，元素Cr的含量为29.56％，Al的含量为1.89％，对比例4制得的合金成分见表1，性能见表2。
表1对比例及实施例合金成分(wt.％)
注：Mn、Si含量小于0.50％。
表2实施例与对比例合金性能
注：1、εp为时效态合金在816℃、221MPa、100h条件下的蠕变塑性伸长率；
2、τ为时效态合金在89MPa、927℃条件下的持久寿命，δ为时效态合金在89MPa、927℃条件下的持久断后伸长率；
3、Rp0.2为时效态合金的室温拉伸屈服强度、Rm为时效态合金的室温拉伸抗拉强度，A为时效态合金的室温拉伸断后伸长率；
4、锻造裂纹的检测条件为：10kg锭型的小钢锭以30％的压下率沿径向锻造，观察钢锭表面是否出现裂纹。
通过表1和表2可以看出，实施例中控制各元素的含量在合适的范围内，制备得到的镍基高温合金不仅在89MPa、927℃条件下的持久寿命τ能达到300h以上，室温拉伸屈服强度均达到755MPa以上，室温拉伸抗拉强度也能达到1170MPa，同时还具有优异的抗氧化性能，平均氧化速度能降低至0.028g/m2·h以下，锻造没有裂纹生成，综合性能优异。
对比例1中Y含量过低，导致合金的抗氧化性能不足，同时抗蠕变性能和高温持久寿命明显下降。
对比例2中Nd的加入量为0.31％，含量过多的Nd会形成稀土夹杂物，使合金的持久寿命τ和持久延伸率δ明显偏低，抗蠕变性能较差，且出现锻造裂纹，虽然室温拉伸屈服强度和室温拉伸抗拉强度受到的影响较小，但是综合性能已经不能满足使用的要求。
对比例3中Y的加入量为0.34％，较高含量的Y元素使合金的平均氧化速度降至0.021g/m2·h，具有较高的抗氧化性能，但是合金持久寿命τ和持久延伸率δ明显偏低，且出现锻造裂纹。
对比例4中，Cr的含量为29.56％，Al的含量为1.89％，Cr、Al偏高，虽然可以使合金的室温拉伸强度明显升高，但延伸率(A)严重下降，合金持久寿命降低，并且出现锻造裂纹，加工性能变差。
在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管已经示出和描述了上述实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域普通技术人员对上述实施例进行的变化、修改、替换和变型均在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种抗氧化、抗裂纹镍基高温合金，其特征在于，包括C：0.01-0.1%、Cr：25.72-27.00%、Co：8.00-11.00%、Mo：5.50-7.00%、Al：1.2-1.8%、Ti：1.2-1.7%、Nb：0.9-1.6%、B：0.001-0.01%、Y：0.08-0.25%、Sc：0.001-0.009%、Zr：0-0.05%、W：0-0.05%、Nd：0.07-0.21%，余量为镍和不可避免的杂质，以质量百分含量计，其中，所述Al、Y和Nd的质量百分含量满足关系式0.68%<Al-2.8Y-1.5Nd<1.25%。
2.根据权利要求1所述的抗氧化、抗裂纹镍基高温合金，其特征在于，所述Al、Y和Nd的质量百分含量满足关系式0.69%<Al-2.8Y-1.5Nd<1.06%。
3.根据权利要求1所述的抗氧化、抗裂纹镍基高温合金，其特征在于，所述镍基高温合金包括C：0.02-0.074%、Cr：25.72-26.67%、Co：8.95-10.37%、Mo：5.86-6.50%、Al：1.22-1.74%、Ti：1.25-1.67%、Nb：0.95-1.6%、B：0.001-0.009%、Y：0.09-0.23%、Sc：0.001-0.009%、Zr：0-0.02%、W：0.028-0.042%、Nd：0.07-0.21%，余量为镍和不可避免的杂质，以质量百分含量计。
4.权利要求1-3中任一项所述的抗氧化、抗裂纹镍基高温合金在航空发动机中的应用。
5.权利要求1-3中任一项所述的抗氧化、抗裂纹镍基高温合金在燃气轮机中的应用。
6.一种权利要求1-3中任一项所述的抗氧化、抗裂纹镍基高温合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将原料按设计配比放入真空感应熔炼炉中，在1550~1650℃下精炼10~30min；
（2）将得到的熔体降温至1500~1600℃进行浇注，得到铸锭；
（3）对步骤（2）得到的铸锭进行扩散退火处理。
7.根据权利要求6所述的抗氧化、抗裂纹镍基高温合金的制备方法，其特征在于，所述扩散退火处理是首先在1140~1160℃下处理24~48h，然后在1160~1200℃下处理10~20h，冷却至室温。
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