CN115449670B - 一种无中温脆性的高强镍基变形高温合金 - Google Patents

一种无中温脆性的高强镍基变形高温合金 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无中温脆性的高强镍基变形高温合金，其特征在于，按质量百分比计，包括：Cr：13.0～18.0％，Fe：7.0～11.0％，Co：1.0～3.0％，W：0.3～0.7％，Ti：0.5～3.0％，Al：1.0～2.0％，B：≤0.005％，Zr：≤0.04％，C：0.03～0.1％，余量为Ni。本发明的无中温脆性的高强镍基变形高温合金的基体为γ，利用Cr、W等元素形成固溶强化，并利用γ′(Ni3(Ti、Al))沉淀相强化晶内；同时使晶界上析出细小、不连续的M23C6型碳化物强化晶界，并进一步调控C、B、Zr等元素保证晶界的强度，在保证合金优异的高温强度，以及良好的组织稳定性与热加工成型能力的前提下，使合金不出现中温脆性。

Description

一种无中温脆性的高强镍基变形高温合金
技术领域
本发明属于高温合金领域，尤其是涉及一种无中温脆性的高强镍基变形高温合金。
背景技术
镍基变形高温合金是一种先进的金属结构材料，主要用于高参数超超临界电站、航空发动机、燃气轮机与核电等领域，也广泛应用于化工、石油和汽车等行业。基于合金成分的发展和加工工艺的不断改进，该类合金已具备了良好的高温拉伸强度、高温抗蠕变性能、高温抗氧化及耐蚀性能等，成为了高参数超超临界电站热通道部件制备的核心材料。然而，在实际的应用过程中，该类合金在中温区(600-900℃)存在脆性，即在拉伸试验中，中温的延伸率比低温(≤600℃)和高温(≥900℃)的延伸率要小，往往不到10％。中温脆性是许多镍基高温合金普遍存在的现象和共性问题，如IN-738LC合金在650℃的延伸率不足6％；Inconel 718合金在650℃的延伸率约为15％，在750℃的延伸率只有5％。当前国家正在发展高参数超超临界电站，其锅炉和汽轮机的关键服役温度范围为650℃-750℃，镍基高温合金的中温脆性将会威胁高温部件的安全服役。因此，需要发展满足高参数超超临界电站需求的无中温脆性的高强镍基变形高温合金。
关于中温脆性产生的机理解释主要是基于晶间沉淀、晶界剪切与滑动、气相脆化、动态应变时效和晶界偏析等，但尚未有一个统一的定论。本发明基于特殊的合金设计实现了晶界与晶内强度的优化，避免合金在中温区出现脆性
发明内容
本发明的目的在于提供一种无中温脆性的高强镍基变形合金。
为了实现以上发明目的，本发明所采用的技术方案为：
一种无中温脆性的高强镍基变形高温合金，其特征在于，按质量百分比计，包括：Cr：13.0～18.0％，Fe：7.0～11.0％，Co：1.0～3.0％，W：0.3～0.7％，Ti：0.5～3.0％，Al：1.0～2.0％，B：≤0.005％，Zr：≤0.04％，C：0.03～0.1％，余量为Ni。
进一步的，该合金中Cr元素的质量百分比为13.5～17.0％。
进一步的，该合金中Fe元素的质量百分比为8.5～10.0％。
进一步的，该合金中Ti元素的质量百分比为1.5～3.0％。
进一步的，该合金中Ti与Al的总质量百分数为2.5～4.0％。
进一步的，该合金中C、B、Zr的质量百分数之和为0.05～0.10％。
进一步的，当Cr的质量百分比不超过15％时，Al的质量百分比不低于1.4％。
进一步的，合金的平衡态组织包括奥氏体基体、晶内γ′强化相及晶界碳化物三相；其中，合金在650℃平衡态时γ′强化相体积分数在20％左右。
本发明的有益效果是：本发明的无中温脆性的高强镍基变形高温合金的基体为γ，利用Cr、W等元素形成固溶强化，并利用γ′(Ni3(Ti、Al))沉淀相强化晶内；同时使晶界上析出细小、不连续的M23C6型碳化物强化晶界，并进一步调控C、B、Zr等元素保证晶界的强度。
通常Ti、Al元素会与基体Ni元素形成强化相γ′，且γ′相的体积分数随Ti+Al的含量而增加，可以提高合金的强度；但过高的Ti含量会形成η有害相，降低合金的强度；同时一定的Al含量可以提高抗氧化能力；因此需要调控Ti、Al元素的含量，本发明提出Ti与Al的总的质量百分数为2.5～4.0％，保障合金在650℃平衡态时γ′强化相体积分数在20％左右。
W、Mo是重要的固溶强化元素，可以为合金提供一定的高温强度，但过高W、Mo含量，容易形成σ等有害相，合金熔炼时容易造成严重的偏析；且过高Mo元素会形成易挥发的氧化物，不利于提高合金的抗高温氧化性能，且会降低合金的加工性能；因此，在本合金中，不含Mo元素，且只添加少量的W元素，保证合金的高温强度。
C、B、Zr是高温合金中常用的晶界强化元素，可消除有害气体和杂质元素，强化晶界。C在合金中主要在晶界形成M23C6型碳化物，钉轧晶界的滑移。B元素在晶界偏聚，改变晶界状态，降低其他元素在晶界上的扩散，并改善碳化物分布，但过量的B会形成低熔点共晶相，影响合金性能。Zr对强化晶界强度有一定作用，但过量的Zr会引入夹杂降低合金的强度。因此需要整体调控C、B、Zr的含量，本发明合金中C、B、Zr的质量百分数之和为0.05～0.10％。
Cr、Al是重要的抗高温氧化元素，在高温环境中会与氧元素形成致密的(Cr,Al)2O3氧化物，阻止合金的进一步氧化，提高合金的抗氧化能力；因此本合金中，适当提高了Cr元素的含量，保证其具有一定的抗高温氧化性能，本发明合金中当Cr的质量百分比不超过15％时，Al的质量百分比应不低于1.4％，保障合金的抗氧化性能。
本发明采用固溶强化、沉淀强化与晶界强化相结合的方式确保合金具备良好的高温强度，同时控制Cr、W、Al、Ti等元素含量及相对比例，确保其在高温服役期间具有良好的组织稳定性并避免有害相析出，调控C、B和Zr的含量，确保晶界的强度。通过不加Mo元素以及控制W元素含量，控制Al、Ti等元素并达到设计的γ′相含量范围，保证合金具有足够的高温强度的同时提升其加工性能。
本发明在保证合金优异的高温强度，以及良好的组织稳定性与热加工成型能力的前提下，使合金不出现中温脆性。合金在室温、650℃、700℃、750℃下的屈服强度均高于600MPa，延伸率均在20％以上，在650℃的延伸率超过30％。合金具有良好的高温强度，且在中温无脆性，降低了超超临界电站汽轮机等关键部件中温服役失效的风险，可以作为电站热端部件的重要材料。
附图说明
图1为本发明的实施例1热处理后的金相组织照片。
图2为本发明的实施例1热处理后的微观组织。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好的理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
一种无中温脆性的高强镍基变形高温合金，按质量百分比计，包括：Cr：13.0～18.0％，Fe：7.0～11.0％，Co：1.0～3.0％，W：0.3～0.7％，Ti：0.5～3.0％，Al：1.0～2.0％，B：≤0.005％，Zr：≤0.04％，C：0.03～0.1％，余量为Ni。
优选的，合金Cr元素的质量百分比为13.5～17.0％，Fe元素的质量百分比为8.5～10.0％，Ti元素的质量百分比为1.5～3.0％。
所述的合金中Ti与Al的总的质量百分数为2.5～4.0％；C、B、Zr的质量百分数之和为0.05～0.10％；当Cr的质量百分比不超过15％时，Al的质量百分比不低于1.4％。
合金的平衡态组织包括奥氏体基体、晶内γ′强化相及晶界碳化物三相；其中，合金在650℃平衡态时γ′强化相体积分数在20％左右。
对满足上述条件的合金熔炼、轧制后进行热处理，热处理制度为：1120℃/1.5h/水冷+1050℃/2h/空冷+650℃/12h/空冷+840℃/4h/空冷，得到无中温脆性的高强镍基变形高温合金。
合金经热处理后在室温、650℃、700℃、750℃下的屈服强度均高于600MPa，延伸率均在20％以上，在650℃的延伸率超过30％。
实施例与比较例
取发明内容中成分范围内的3种镍基高温合金进行熔配，如表1所示，分别为实施例1、实施例2与实施例3。实施例1、实施例2与实施例3的γ′体积分数分别为20.1％、19.8％与19.6％。图1为实施例1的晶粒形态，晶粒为等轴晶，平均晶粒尺寸在60nm左右；图2为实施例1的晶界碳化物形貌，不连续的M23C6型碳化物在晶界析出。
表1同时给出了现有合金Inconel 718和Haynes 282的相关数据，Inconel 718为比较例1，Haynes 282为比较例2。
表1为本发明实施例和对比例采用的合金成分(质量分数％)
在室温、650℃、700℃、750℃下测量了3种制备得到的合金的拉伸性能，结果如表2所示。
表2为本发明实施例和对比例的性能特征
其中参考资料：
[1]https://www.specialmetals.com/documents/technical-bulletins/inconel/inconel-alloy-718.pdf
[2]https://www.haynesintl.com/docs/default-source/pdfs/new-alloy-brochures/high-temperature-alloys/brochures/282-brochure.pdf？sfvrsn＝20
本发明是为了克服镍基变形高温合金的中温脆性而开发的。合金采用固溶强化与析出强化相结合的方式，确保合金具备良好的高温强度及组织稳定性；同时合金中不含Mo元素以及少量的W元素保障了其加工性能。按照本发明获得的合金由奥氏体γ、γ′、晶界M23C6型碳化物构成，其中晶粒内部γ′强化相体积分数低于20％。合金经热处理后在室温、650℃、700℃、750℃下的屈服强度均高于600MPa，延伸率均在20％以上，在650℃的延伸率甚至超过30％。
由表1和表2的结果可知，本发明合金的屈服强度虽然低于Inconel 718，但650℃至750℃的延伸率仍高于20％，而Inconel 718合金在650℃的延伸率已经低于20％，且在750℃只有5％的延伸率；与Haynes 282合金相比，虽然合金的延伸率均高于20％，但本发明合金的屈服强度均高于Haynes 282合金，且本合金中不添加Mo元素，与之相比，价格低廉，加工性能优异，具有较高的性价比。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种无中温脆性的高强镍基变形高温合金，其特征在于，按质量百分比计，包括：Cr：13.0～18.0％，Fe：7.0～11.0％，Co：1.0～3.0％，W：0.3～0.7％，Ti：0.5～3.0％，Al：1.0～2.0％，B：≤0.005％，Zr：≤0.04％，C：0.03～0.1％，余量为Ni；该合金中Ti与Al的总质量百分数为2.5～4.0％；该合金中C、B、Zr的质量百分数之和为0.05～0.10％；当Cr的质量百分比不超过15％时，Al的质量百分比不低于1.4％；合金在650℃平衡态γ′强化相体积分数在20%；合金在室温、650℃、700℃、750℃下的屈服强度均高于600MPa，延伸率均在20％以上，在650℃的延伸率超过30％。
2.根据权利要求1所述的无中温脆性的高强镍基变形高温合金，其特征在于：所述的Cr元素的质量百分比为13.5～17.0％。
3.根据权利要求1所述的无中温脆性的高强镍基变形高温合金，其特征在于：所述的Fe元素的质量百分比为8.5～10.0％。
4.根据权利要求1所述的无中温脆性的高强镍基变形高温合金，其特征在于：所述的Ti元素的质量百分比为1.5～3.0％。
5.根据权利要求1所述的无中温脆性的高强镍基变形高温合金，其特征在于：合金的平衡态组织包括奥氏体基体、晶内γ′强化相及晶界碳化物三相。
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