CN115505790A - 一种焊缝强度稳定的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，具体涉及一种焊缝强度稳定的镍基高温合金及其制备方法和应用。本发明提供了一种镍基高温合金，包括C：0.02‑0.06％、Cr：23.00‑25.00％、Co：13.00‑14.50％、Mo：2.30‑2.80％、Al：1.40‑1.80％、Ti：1.6‑1.8％、Nb：1.4‑1.8％、W：1.3‑1.8％、Zr：0‑0.05％和B：0.001‑0.005％，余量为镍和不可避免的杂质，以质量百分含量计。该合金具有优异的抗氧化性能、室温拉伸性能、持久寿命以及焊接性能，满足了先进航空发动机和燃气轮机设计和使用的要求。
Description
技术领域
本发明属于高温合金技术领域，具体涉及一种焊缝强度稳定的镍基高温合金及其制备方法和应用。
背景技术
随着航空航天工业的不断发展，高温合金的开发与研究越来越被人们所关注。高温合金是指能够在600℃温度以上条件下可以工作，并可以承受加大应力，有一定耐腐蚀性、抗氧化性等良好高温性能的合金。高温合金主要应用在航空航天发动机中，其中涡轮叶片、导向叶片、涡轮盘、燃烧室等部件几乎由高温合金制成。按合金基体元素分类，高温合金主要分为铁基高温合金，钴基高温合金以及镍基高温合金。其中镍基高温合金拥有良好的组织结构及蠕变性能，是作为航空发动机的首选材料。
镍基高温合金在航空航天领域应用比较广泛，约有40％的高温合金为镍基高温合金。镍基高温合金主要成分为Ni、Co、Cr、W、Mo、Re、Ru、Al、Ta、Ti等元素，基体为镍元素，含量在60％以上，主要工作温度段在950-1100℃，在此温度段内服役时，其有较高的强度，较强的抗氧化能力以及抗腐蚀能力。
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：
镍基高温合金是航空发动机上涡轮盘以及热端部件等重要部件的关键材料。随着航空发动机的推力水平和飞弹的飞行速度不断发展提高，目前使用的镍基高温合金逐渐不能满足越来越高的使用温度等需求，并且容易出现氧化、裂纹等缺陷，影响航空发动机的使用寿命和服役性能。因此，需要研究发展一种具有优异力学性能的镍基高温合金来满足航空发动机更高的使用需要。
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镍基高温合金，该合金具有较高的抗氧化能力，优异的持久寿命以及室温拉伸屈服强度和室温拉伸抗拉强度，能够满足使用需求。
本发明实施例的一种镍基高温合金，包括C：0.02-0.06％、Cr：23.00-25.00％、Co：13.00-14.50％、Mo：2.30-2.80％、Al：1.40-1.80％、Ti：1.6-1.8％、Nb：1.4-1.8％、W：1.3-1.8％、Zr：0-0.05％和B：0.001-0.005％，余量为镍和不可避免的杂质，以质量百分含量计。
本发明实施例的焊缝强度稳定的镍基高温合金带来的优点和技术效果，1、本发明实施例中，同现有的镍基高温合金相比，增加了Cr元素的用量，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，起到强化作用，其余大部分溶解于γ基体中，起到固溶强化作用，此外，Cr元素形成Cr2O3型氧化膜，提高了合金的抗氧化和抗腐蚀性能，因此，本发明实施例中将Cr的含量控制在23～25wt％范围内；2、本发明实施例中，Mo原子大多溶解于γ基体中，在γ'相中约占1/4，Mo明显增大Ni固溶体的晶格常数，并使室温和高温屈服强度明显提高，Mo的加入还会形成大量的M6C碳化物，也可以起到强化作用，但Mo元素会促进μ相的生成，对长期组织稳定性不利，因此，本发明实施例中降低了Mo元素的用量，将Mo元素的含量控制在2.3～2.8wt％范围内；3、本发明实施例中，在降低Mo元素含量的同时，通过增加Nb元素的用量，增加了γ'相的数量，弥补了Mo元素用量减少带来的强化作用下降的缺陷，Nb主要溶解于γ'相，降低Al和Ti元素的溶解度，形成Ni3(Al,Ti,Nb)，从而增加γ'相的数量，使γ'相的沉淀强化作用增强，进而增加位错运动阻力，提高合金的瞬时拉伸强度和持久强度，Nb明显降低γ基体的堆垛成错能，提高蠕变性能，此外，Nb还是碳化物形成元素，同时还参与硼化物形成，然而过多的Nb会引起Laves相的析出，因此，本发明实施例将Nb的含量控制在1.4-1.8％；4、本发明实施例中，通过合理的元素组成设计，在使合金具有高温持久性能、抗氧化性能的同时，提升了合金的焊缝室温保持性能。
在一些实施例中，所述Cr的含量为23.15～24.97％。
在一些实施例中，所述Mo的含量为2.35～2.77％。
在一些实施例中，所述Nb的含量为1.46～1.73％。
在一些实施例中，所述镍基高温合金，包括C：0.041～0.055％、Cr：23.15～24.97％、Co：13.55-14.22％、Mo：2.35～2.77％、Al：1.49～1.69％、Ti：1.64～1.75％、Nb：1.46-1.73％、W：1.39-1.59％、Zr：0.011-0.016％和B：0.002-0.003％，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，所述镍基高温合金，包括C：0.041～0.049％、Cr：23.15～24.97％、Co：14.03-14.15％、Mo：2.35～2.41％、Al：1.55～1.61％、Ti：1.64～1.67％、Nb：1.46-1.52％、W：1.51-1.52％、Zr：0.014-0.015％和B：0.003％，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焊缝强度稳定的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焊缝强度稳定的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焊缝强度稳定的镍基高温合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)将原料在真空感应炉中熔化，搅拌均匀后保温静置，真空浇注得到铸锭；
(2)将所述步骤(1)得到的铸锭进行固溶处理和时效处理。
本发明实施例的焊缝强度稳定的镍基高温合金制备方法带来的优点和技术效果，1、本发明实施例中，该制备方法制得的镍基高温合金具有优异的抗氧化性能、室温拉伸性能、持久寿命以及焊接性能，满足了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，制备方法简单，降低了能源消耗，同时缩短了生产周期，提高了生产效率。
在一些实施例中，所述固溶处理是在1130～1200℃下保温2～6h；所述时效处理是在800～900℃下保温15～30h。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，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焊缝强度稳定的镍基高温合金，包括C：0.02-0.06％、Cr：23.00-25.00％、Co：13.00-14.50％、Mo：2.30-2.80％、Al：1.40-1.80％、Ti：1.6-1.8％、Nb：1.4-1.8％、W：1.3-1.8％、Zr：0-0.05％和B：0.001-0.005％，余量为镍和不可避免的杂质，以质量百分含量计。
本发明实施例的焊缝强度稳定的镍基高温合金，同现有的镍基高温合金相比，增加了Cr元素的用量，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，起到强化作用，其余大部分溶解于γ基体中，起到固溶强化作用，此外，Cr元素形成Cr2O3型氧化膜，提高合金的抗氧化和抗腐蚀性能，因此，本发明实施例中将Cr的含量控制在23～25wt％范围内；本发明实施例中，Mo原子大多溶解于γ基体中，在γ'相中约占1/4，Mo明显增大Ni固溶体的晶格常数，并使室温和高温屈服强度明显提高，Mo的加入还会形成大量的M6C碳化物，也可以起到强化作用，但Mo会促进μ相的生成，对长期组织稳定性不利，因此，本发明实施例中降低了Mo元素的用量，将Mo元素的含量控制在2.3～2.8wt％范围内；本发明实施例中，在降低Mo元素含量的同时，通过增加Nb元素的用量，增加了γ'相的数量，弥补了Mo元素用量减少带来的强化作用下降的缺陷，Nb主要溶解于γ'相，降低Al和Ti元素的溶解度，形成Ni3(Al,Ti,Nb)，从而增加γ'相的数量，使γ'相的沉淀强化作用增强，进而增加位错运动阻力，提高合金的瞬时拉伸强度和持久强度，Nb明显降低γ基体的堆垛成错能，提高蠕变性能，此外，Nb还是碳化物形成元素，同时还参与硼化物形成，然而过多的Nb会引起Laves相的析出，因此，本发明实施例将Nb的含量控制在1.4-1.8％；本发明实施例中，通过合理的元素组成设计，在使合金具有高温持久性能、抗氧化性能的同时，提升了合金的焊缝室温保持性能。
本发明实施例中镍基高温合金中Cr、Nb、Mo和Ti的作用如下：
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。并且，Cr元素含量越高，抗氧化性越好。因此，本专利中Cr的适宜含量为23～25wt％。
Nb是常用的固溶强化元素之一。对于γ'相强化的的镍基高温合金来说，Nb主要溶解于γ'相，降低Al和Ti元素的溶解度，形成Ni3(Al,Ti,Nb)，从而增加γ'相的数量，使γ'相的反相畴界能增大，γ'相颗粒尺寸增大，有序度增加，从而引起γ'相的沉淀强化作用增强。进而增加位错运动阻力，提高合金的瞬时拉伸强度和持久强度。而其在γ相中通常只占加入量的10％左右。Nb明显降低γ基体的堆垛成错能，所以明显降低蠕变速率，提高蠕变性能，Nb含量越高，作用越明显。同时，Nb还可以降低γ固溶体的平均晶粒尺寸，可以改善合金的中温蠕变性能。此外，Nb还是碳化物形成元素，同时，还参与硼化物形成，但过多的Nb会引起Laves相的析出，因此，本发明实施例控制Nb的含量为1.4-1.8％。
Mo与W不同，Mo的原子大多溶解于γ基体中，在γ'相中约占1/4，Mo的原子也比较大，比Ni、Co、Fe原子大9～12％。Mo明显增大Ni固溶体的晶格常数，并使室温和高温屈服强度明显提高。Mo的加入还会形成大量的M6C碳化物，这些碳化物细小弥散，也可以起到强化作用。Mo还可以细化奥氏体晶粒。但Mo同时会促进μ相的生成，对长期组织稳定性不利。因此，本发明实施例中，控制Mo的添加含量不超过2.8wt％，同时为保证足够的强化作用而不应少于2.3wt％。
Ti是时效强化型镍基合金中强化相γ′的形成元素，一般认为随Ti含量的增加，γ′相数量增加，实现高温蠕变和持久性能以及室温强度的提高，但过多的γ′相会恶化焊接性能和损害加工性能。另外，Ti、Nb还会与C结合形成MC型碳化物，在高温时阻碍晶界长大和晶界滑动，起到提高高温力学性能的作用，但过多的Ti、Nb会形成大颗粒MC型碳化物，对合金的力学性能反而不利。因此，本发明实施例中，将Ti元素的含量控制在1.6-1.8％范围内。
在一些实施例中，优选地，所述Cr的含量为23.15～24.97％；所述Mo的含量为2.35～2.77％。进一步优选地，所述Nb的含量为1.46～1.73％。
在一些实施例中，优选地，所述镍基高温合金，包括C：0.041～0.055％、Cr：23.15～24.97％、Co：13.55-14.22％、Mo：2.35～2.77％、Al：1.49～1.69％、Ti：1.64～1.75％、Nb：1.46-1.73％、W：1.39-1.59％、Zr：0.011-0.016％和B：0.002-0.003％，余量为镍和不可避免的杂质，以质量百分含量计。进一步优选地，所述镍基高温合金，包括C：0.041～0.049％、Cr：23.15～24.97％、Co：14.03-14.15％、Mo：2.35～2.41％、Al：1.55～1.61％、Ti：1.64～1.67％、Nb：1.46-1.52％、W：1.51-1.52％、Zr：0.014-0.015％和B：0.003％，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焊缝强度稳定的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焊缝强度稳定的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焊缝强度稳定的镍基高温合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)将原料在真空感应炉中熔化，搅拌均匀后保温静置，真空浇注得到铸锭；
(2)将所述步骤(1)得到的铸锭进行固溶处理和时效处理。
本发明实施例的焊缝强度稳定的镍基高温合金制备方法带来的优点和技术效果，该制备方法制得的镍基高温合金具有优异的抗氧化性能、室温拉伸性能、持久寿命以及焊接性能，满足了先进航空发动机和燃气轮机设计和使用的要求；制备方法简单，降低了能源消耗，同时缩短了生产周期，提高了生产效率。
在一些实施例中，优选地，所述固溶处理是在1130～1200℃下保温2～6h；所述时效处理是在800～900℃下保温15～30h。
本发明实施例中，优选了固溶处理和时效处理的条件，固溶处理能够消除合金内部的应力，获得适宜的晶粒度，以保证合金高温抗蠕变性能，时效处理能使合金充分而均匀析出强化相，保证强化相的尺寸合适，从而获得综合性能优异的高温合金。
下面结合实施例详细描述本发明。
实施例1
(1)将原料在真空感应炉中熔化，搅拌均匀后保温静置，真空浇注得到铸锭；
(2)将步骤(1)得到的铸锭进行固溶处理和时效处理；其中，固溶处理是在1250℃下保温2h，时效处理是在900℃下保温15h。
实施例1制得的合金成分见表1，性能见表2。
实施例2-8与实施例1的制备方法相同，不同在于合金成分不同，实施例2-8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，不同之处在合金成分中，元素Cr的含量为21.34％，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，不同之处在合金成分中，元素Mo的含量为2.04％，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Mo的含量为3.15％，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，不同之处在合金成分中，元素Mo的含量为2.97％，元素Ti的含量为1.94％，对比例4制得的合金成分见表1，性能见表2。
对比例5
对比例5与实施例1的制备方法相同，不同之处在合金成分中，元素Nb的含量为1.24％，对比例5制得的合金成分见表1，性能见表2。
对比例6
对比例6与实施例1的制备方法相同，不同之处在合金成分中，元素Cr的含量为26.83％，元素Ti的含量为1.81％，元素Nb的含量为1.86％，对比例6制得的合金成分见表1，性能见表2。
表1
注：表中各元素的含量均以wt％计；Mn、Si含量小于0.50％。
表2
注：1、Rp0.2为固溶态合金的室温拉伸屈服强度、Rm为固溶态合金的室温拉伸抗拉强度，A为固溶态合金的室温拉伸断后伸长率
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、平均氧化速度为合金在900℃/100h下的单位面积氧化速度，该值越小说明抗氧化性能越好。
4、对固溶态板材采用熔化焊接工艺焊后检验室温拉伸性能，焊缝室温拉伸的抗拉强度/母材固溶态室温拉伸的抗拉强度。
通过表1和表2各实施例的数据可以看出，将合金中各元素的含量控制在一定的范围内，制备得到的合金在89MPa、927℃条件下的持久寿命能达到250h以上，平均氧化速率降低至0.081g/m2·h以下，具有较好的抗氧化性能，焊缝室温强度保持率均超过了85％，具有较好的焊后室温拉伸性能，能够满足先进航空发动机和燃气轮机设计和使用的要求。
对比例1调整了元素Cr的含量，Cr的含量为21.34％，低于本发明实施例的设计用量，Cr元素的含量较低，导致该对比例制备得到的合金的抗氧化性能急剧下降，平均氧化速率为0.116g/m2·h。
对比例2和3调整了元素Mo的含量，对比例2中Mo的含量为2.04％，Mo元素的含量较低，导致该对比例制备得到的合金的焊缝室温强度保持率急剧降低至82.4％，焊接后室温拉伸性能变差，无法满足使用的要求；对比例3中Mo的含量为3.15％，过多的Mo将促进μ相的生成，对长期组织稳定性不利，导致合金在89MPa、927℃条件下的持久寿命降至243h，并且固溶态合金的室温拉伸屈服强度、抗拉强度和延伸率均无法满足要求，不利于加工成型。
对比例4同时调整了元素Mo和Ti的含量，元素Mo的含量为2.97％，Ti的含量为1.94％，同时提高元素Mo和Ti的含量，会导致合金在89MPa、927℃条件下的持久断后伸长率降低至13％，焊缝室温强度保持率降低至81.9％，熔化焊接后室温拉伸性能变差，同时固溶态合金的室温拉伸屈服强度、抗拉强度和延伸率均无法满足要求。
对比例5调整了元素Nb的含量，元素Nb的含量为1.24％，导致合金的持久性能明显下降。
对比例6同时调整了元素Cr、Ti和Nb的含量，三种元素的含量均较高，导致固溶态合金的室温拉伸屈服强度、抗拉强度和延伸率均无法满足要，并且焊缝室温强度保持率仅为78.2％，无法达到使用要求。
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 (10)
1.一种焊缝强度稳定的镍基高温合金，其特征在于，包括C：0.02-0.06％、Cr：23.00-25.00％、Co：13.00-14.50％、Mo：2.30-2.80％、Al：1.40-1.80％、Ti：1.6-1.8％、Nb：1.4-1.8％、W：1.3-1.8％、Zr：0-0.05％和B：0.001-0.005％，余量为镍和不可避免的杂质，以质量百分含量计。
2.根据权利要求1所述的焊缝强度稳定的镍基高温合金，其特征在于，所述Cr的含量为23.15～24.97％。
3.根据权利要求1所述的焊缝强度稳定的镍基高温合金，其特征在于，所述Mo的含量为2.35～2.77％。
4.根据权利要求1所述的焊缝强度稳定的镍基高温合金，其特征在于，所述Nb的含量为1.46～1.73％。
5.权利要求1～4中任一项所述的焊缝强度稳定的镍基高温合金，其特征在于，所述镍基高温合金包括C：0.041～0.055％、Cr：23.15～24.97％、Co：13.55-14.22％、Mo：2.35～2.77％、Al：1.49～1.69％、Ti：1.64～1.75％、Nb：1.46-1.73％、W：1.39-1.59％、Zr：0.011-0.016％和B：0.002-0.003％，余量为镍和不可避免的杂质，以质量百分含量计。
6.权利要求5所述的焊缝强度稳定的镍基高温合金，其特征在于，所述镍基高温合金包括C：0.041～0.049％、Cr：23.15～24.97％、Co：14.03-14.15％、Mo：2.35～2.41％、Al：1.55～1.61％、Ti：1.64～1.67％、Nb：1.46-1.52％、W：1.51-1.52％、Zr：0.014-0.015％和B：0.003％，余量为镍和不可避免的杂质，以质量百分含量计。
7.权利要求1～6中任一项所述的焊缝强度稳定的镍基高温合金在航空发动机中的应用。
8.权利要求1～6中任一项所述的焊缝强度稳定的镍基高温合金在燃气轮机中的应用。
9.一种权利要求1～6中任一项所述的焊缝强度稳定的镍基高温合金的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：
(1)将原料在真空感应炉中熔化，搅拌均匀后保温静置，真空浇注得到铸锭；
(2)将所述步骤(1)得到的铸锭进行固溶处理和时效处理。
10.根据权利要求9所述的焊缝强度稳定的镍基高温合金的制备方法，其特征在于，所述固溶处理是在1130～1200℃下保温2～6h；所述时效处理是在800～900℃下保温15～30h。
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