CN115505791B - 一种弯曲无裂纹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，具体涉及一种弯曲无裂纹的镍基高温合金及其制备方法和应用。本发明提供的一种弯曲无裂纹的镍基高温合金，包括：C：0.04‑0.09％、Cr：19.00‑23.00％、Co：9.00‑14.00％、Mo：7.00‑9.00％、Al：1.20‑1.70％、Ti：1.6‑2.1％、Nb：0.01‑0.6％、W：0.01‑5％、Zr：0‑0.05％、Nd：0.01‑0.1％和B：0.001‑0.01％，余量为镍和不可避免的杂质，以质量百分含量计，其中，所述Mo和Nd的质量百分含量满足关系式6.5％＜Mo‑7.8Nd＜8.3％。该合金具有较高的室温拉伸强度，抗蠕变性能较好，弯曲后没有裂纹形成，能够满足相关领域的使用需求。

Description

一种弯曲无裂纹的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，具体涉及一种弯曲无裂纹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℃以上条件下工作，并可以承受较大应力，具有优异的抗氧化抗腐蚀性能、抗疲劳和抗蠕变性能的合金。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高温强度，综合性价比最高，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50％以上，主要工作温度段在650～1000℃，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。镍基高温合金的发展始于英国的80Ni-20Cr合金，人们在其中添加了少量的Ti和Al，发现了强化相，从此不断发展了各种系列、各种用途的高温合金。
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：
镍基高温合金指的是以镍为基体(含量一般大于50％)在650-1000℃范围内具有较高的强度和良好的抗氧化、抗燃气腐蚀能力的高温合金。虽然现有的镍基合金的抗热腐蚀性能较佳，但随着各行业对耐高温合金的耐高温要求越来越高，现有技术中镍基高温合金无法满足使用需求，需要制备耐更高温度的镍基高温合金来满足使用需求。而耐高温性能更好的合金往往随之而来的是难加工、易开裂。
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弯曲无裂纹的镍基高温合金，该合金具有较高的室温拉伸强度，抗蠕变性能较好，弯曲后没有裂纹形成，能够满足相关领域的使用需求。
本发明实施例的一种弯曲无裂纹的镍基高温合金，包括：C：0.04-0.09％、Cr：19.00-23.00％、Co：9.00-14.00％、Mo：7.00-9.00％、Al：1.20-1.70％、Ti：1.6-2.1％、Nb：0.01-0.6％、W：0.01-5％、Zr：0-0.05％、Nd：0.01-0.1％和B：0.001-0.01％，余量为镍和不可避免的杂质，以质量百分含量计，其中，所述Mo和Nd的质量百分含量满足关系式6.5％＜Mo-7.8Nd＜8.3％。
本发明实施例的弯曲无裂纹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，创新的引入了Nd元素，Nd是一种活泼的稀土元素，在合金中添加一定量的Nd元素可以显著提高合金的高温力学性能、抗高温氧化性能、耐腐蚀性能等，在高温合金中添加适量的Nd元素可以显著改善合金的延伸率，但添加超过一定量后塑性明显下降，因此，本发明实施例中限定合金中Nd的添加量为0.01～0.05wt％；2、本发明实施例中，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，并使室温拉伸和高温拉伸屈服强度明显提高，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，但添加过多的Mo将促进μ相的生成，对长期组织稳定性不利，因此，本发明实施例中将Mo的添加量控制在7.00～9.00％范围内；3、本发明实施例中，控制各元素的含量在合适的范围内，并进一步控制Mo和Nd满足关系式6.5％＜Mo-7.8Nd＜8.3％，制备得到的合金具有优异的室温拉伸强度，其中时效态合金的室温拉伸屈服强度远远超过586MPa，时效态合金的室温拉伸抗拉强度也基本都超过了1100MPa，且弯曲后没有出现裂纹，同时具有较好的抗蠕变性能。
在一些实施例中，所述Mo和Nd的质量百分含量满足关系式6.7％＜Mo-7.8Nd＜8.1％。
在一些实施例中，所述Mo和Nd的质量百分含量满足关系式6.878％＜Mo-7.8Nd＜8.025％。
在一些实施例中，所述镍基高温合金包括：C：0.048-0.068％、Cr：19.62-22.47％、Co：9.48-13.11％、Mo：7.11-8.68％、Al：1.4-1.65％、Ti：1.78-1.92％、Nb：0.05-0.51％、W：0.82-2.48％、Zr：0.004-0.012％、Nd：0.012-0.084％和B：0.004-0.006％，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，其特征在于，所述镍基高温合金包括：C：0.053-0.068％、Cr：19.77-21.43％、Co：11.05-13.11％、Mo：8.16-8.68％、Al：1.4-1.5％、Ti：1.84-1.88％、Nb：0.05-0.44％、W：0.82-2.48％、Zr：0.004-0.005％、Nd：0.056-0.084％和B：0.005-0.006％，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弯曲无裂纹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弯曲无裂纹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弯曲无裂纹的镍基高温合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)将原料加入真空感应熔炼炉中，升温至1400～1600℃进行精炼；
(2)停炉，将温度降低至1200～1400℃进行浇铸，形成高温合金铸锭；
(3)将所述步骤(2)得到的高温合金铸锭进行热处理。
本发明实施例的弯曲无裂纹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，该方法制备得到的高温合金具有较高的室温拉伸强度，抗蠕变性能较好，弯曲后没有裂纹形成，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，该制备方法简单易操作，生产效率较高，节约成本，便于工业生产上的推广应用。
在一些实施例中，所述步骤(1)中，所述精炼的时间为20～40min。
在一些实施例中，所述步骤(3)中，所述热处理是在800～1000℃下处理25～45h。
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弯曲无裂纹的镍基高温合金，包括：C：0.04-0.09％、Cr：19.00-23.00％、Co：9.00-14.00％、Mo：7.00-9.00％、Al：1.20-1.70％、Ti：1.6-2.1％、Nb：0.01-0.6％、W：0.01-5％、Zr：0-0.05％、Nd：0.01-0.1％和B：0.001-0.01％，余量为镍和不可避免的杂质，以质量百分含量计，其中，所述Mo和Nd的质量百分含量满足关系式6.5％＜Mo-7.8Nd＜8.3％。
本发明实施例的弯曲无裂纹的镍基高温合金，引入了Nd元素，Nd是一种活泼的稀土元素，在合金中添加Nd元素可以提高合金的高温性能、抗氧化性能、耐腐蚀性能，在高温合金中添加适量的Nd元素可以显著改善合金的延伸率，但添加超过一定量后塑性明显下降，因此，本发明实施例中限定合金中Nd的添加量为0.01～0.05wt％；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，但添加过多的Mo将促进μ相的生成，对长期组织稳定性不利，因此，本发明是中将Mo的添加量控制在7.00～9.00％范围内；本发明实施例中，通过控制各元素的含量在合适的范围内，并进一步控制Mo和Nd满足关系式6.5％＜Mo-7.8Nd＜8.3％，制备得到的合金具有优异的室温拉伸强度，其中时效态合金的室温拉伸屈服强度远远超过586MPa，时效态合金的室温拉伸抗拉强度也基本都超过了1100MPa，且弯曲后没有裂纹形成，具有较好的抗蠕变性能。
在一些实施例中，优选地，所述Mo和Nd的质量百分含量满足关系式6.7％＜Mo-7.8Nd＜8.1％。进一步优选地，所述Mo和Nd的质量百分含量满足关系式6.878％＜Mo-7.8Nd＜8.025％。
本发明实施例中，进一步优化设计了Mo和Nd的关系式，使其含量达到相互协同的作用，提高了合金的室温拉伸性能，时效态合金的室温拉伸断后伸长率均超过了21％，且弯曲后没有裂纹形成，具有较好的抗蠕变性能，满足了先进航空发动机和燃气轮机设计和使用的要求。
在一些实施例中，优选地，所述镍基高温合金包括：C：0.048-0.068％、Cr：19.62-22.47％、Co：9.48-13.11％、Mo：7.11-8.68％、Al：1.4-1.65％、Ti：1.78-1.92％、Nb：0.05-0.51％、W：0.82-2.48％、Zr：0.004-0.012％、Nd：0.012-0.084％和B：0.004-0.006％，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，其特征在于，所述镍基高温合金包括：C：0.053-0.068％、Cr：19.77-21.43％、Co：11.05-13.11％、Mo：8.16-8.68％、Al：1.4-1.5％、Ti：1.84-1.88％、Nb：0.05-0.44％、W：0.82-2.48％、Zr：0.004-0.005％、Nd：0.056-0.084％和B：0.005-0.006％，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弯曲无裂纹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弯曲无裂纹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弯曲无裂纹的镍基高温合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)将原料加入真空感应熔炼炉中，升温至1400～1600℃熔清后进行精炼；
(2)停炉，将温度降低至1200～1400℃进行浇铸，形成高温合金铸锭；
(3)将所述步骤(2)得到的高温合金铸锭进行热处理。
本发明实施例的弯曲无裂纹的镍基高温合金制备方法，制备得到的高温合金具有较高的室温拉伸强度，抗蠕变性能较好，弯曲后没有裂纹形成，满足了先进航空发动机和燃气轮机设计和使用的要求；该制备方法简单易操作，生产效率较高，节约成本，便于工业生产上的推广应用。
在一些实施例中，优选地，所述步骤(1)中，所述精炼的时间为20～40min。进一步优选地，所述步骤(3)中，所述热处理是在800～1180℃下处理25～45h。
本发明实施例中，适宜的高温精炼条件能够完成脱氧、去气、去除杂质，进一步纯净合金，调整合金成分，并使之均匀化；热处理工艺对合金组织的影响较为敏感，合适的热处理有利于获得均匀的合适晶粒尺寸，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)将原料加入真空感应熔炼炉中，升温至1500℃高温精炼30min；
(2)停炉，将温度降低至1300℃进行浇铸，形成高温合金铸锭；
(3)将步骤(2)得到的高温合金铸锭在1000℃下处理25h。
实施例1制得的合金成分见表1，性能见表2。
实施例2-8和对比例1-8与实施例1的制备方法相同，不同在于合金成分不同，合金成分见表1，性能见表2。
表1
Figure BDA0003860378890000051
注：表中各元素的含量均以wt％计；Mn、Si含量小于0.50％。
表2
Figure BDA0003860378890000061
注：1、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；
2、εp为时效态合金在816℃、221MPa、100h条件下的蠕变塑性伸长率；
3、弯曲实验条件为室温、弯曲180°，弯曲系数＝2。
通过表1和表2的数据可以看出，控制合金中各元素的含量在设计范围内，并使Mo和Nd的含量满足关系式6.5％＜Mo-7.8Nd＜8.3％，制备得到的合金具有优异的室温拉伸强度，其中时效态合金的室温拉伸屈服强度远远超过586MPa，时效态合金的室温拉伸抗拉强度也基本都超过了1100MPa，且弯曲后没有裂纹形成，具有较好的抗蠕变性能，综合性能优异。
对比例1和2调整了元素Mo的用量，对比例1中Mo的含量为9.55％，Mo元素能起到强化作用，较高含量的Mo使合金的室温拉伸强度得到了明显的提升，但是添加过多的Mo将促进μ相的生成，对长期组织稳定性不利，导致合金弯曲后有裂纹形成，并且时效态合金的室温拉伸断后延长率明显下降；对比例2中Mo的含量为6.54％，Mo元素含量较低导致合金室温拉伸屈服强度降低至536MPa，室温拉伸抗拉强度降低至998MPa，且合金在816℃、221MPa、100h条件下的蠕变塑性伸长率升高至0.96％，抗蠕变性能变差，无法满足使用需求。
对比例3调整了元素Nd的用量，元素Nd的添加量为0.126％，Nd的添加量过高导致合金的室温拉伸断后伸长率降低至17.5％，且弯曲后有裂纹形成，时效态室温拉伸屈服强度和抗拉强度能基本满足使用要求。
对比例4～6同时调整了元素Mo和Nd的用量，对比例4中Mo的含量为9.14％，Nd的含量为0.152％，添加量均过高，使合金的时效态室温拉伸屈服强度和抗拉强度均有一定程度的提高，但是室温拉伸断后伸长率明显下降，且弯曲后有裂纹出现；对比例5中Mo的含量为6.92％，Nd的含量为0.003％，添加量均较低，导致合金的室温拉伸强度有一定程度的降低，抗蠕变性能也变差；对比例6中Mo的含量为6.69％，Nd的含量为0.144％，Mo的含量较低而Nd的含量较高，导致合金的时效态室温拉伸屈服强度、抗拉强度、延伸率均降低，抗蠕变型性能也变差，无法满足使用要求。
对比例7中，虽然Mo和Nd均在本发明设计的含量范围内，但是Mo-7.8Nd＝8.657，超出了本发明的关系式要求，虽然时效态合金的室温拉伸屈服强度和抗拉强度有提升，高于本发明实施例，但延伸率明显下降，并且弯曲出现裂纹。
对比例8中，虽然Mo和Nd均在本发明设计的含量范围内，但是Mo-7.8Nd＝6.309，明显低本发明的关系式要求，虽然弯曲无裂纹，但合金的时效态室温拉伸屈服强度、抗拉强度和延伸率均降低，并且抗蠕变型性能也变差。
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 (10)

1.一种弯曲无裂纹的镍基高温合金，其特征在于，包括：C：0.04-0.09%、Cr：19.00-23.00%、Co：9.00-14.00%、Mo：7.00-9.00%、Al：1.20-1.70%、Ti：1.6-2.1%、Nb：0.01-0.6%、W：0.01-5%、Zr：0.004-0.05%、Nd：0.01-0.1%和B：0.001-0.01%，余量为镍和不可避免的杂质，以质量百分含量计，其中，所述Mo和Nd的质量百分含量满足关系式6.5%＜Mo-7.8Nd＜8.3%，所述镍基高温合金的时效态合金的室温拉伸屈服强度超过586MPa，时效态合金的室温拉伸抗拉强度超过1100MPa。
2.根据权利要求1所述的弯曲无裂纹的镍基高温合金，其特征在于，所述Mo和Nd的质量百分含量满足关系式6.7%＜Mo-7.8Nd＜8.1%。
3.根据权利要求2所述的弯曲无裂纹的镍基高温合金，其特征在于，所述Mo和Nd的质量百分含量满足关系式6.878%＜Mo-7.8Nd＜8.025%。
4.根据权利要求1所述的弯曲无裂纹的镍基高温合金，其特征在于，所述镍基高温合金包括：C：0.048-0.068%、Cr：19.62-22.47%、Co：9.48-13.11%、Mo：7.11-8.68%、Al：1.4-1.65%、Ti：1.78-1.92%、Nb：0.05-0.51%、W：0.82-2.48%、Zr：0.004-0.012%、Nd：0.012-0.084%和B：0.004-0.006%，余量为镍和不可避免的杂质，以质量百分含量计。
5.根据权利要求4所述的弯曲无裂纹的镍基高温合金，其特征在于，所述镍基高温合金包括：C：0.053-0.068%、Cr：19.77-21.43%、Co：11.05-13.11%、Mo：8.16-8.68%、Al：1.4-1.5%、Ti：1.84-1.88%、Nb：0.05-0.44%、W：0.82-2.48%、Zr：0.004-0.005%、Nd：0.056-0.084%和B：0.005-0.006%，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1~5中任一项所述的弯曲无裂纹的镍基高温合金在航空发动机中的应用。
7.权利要求1~5中任一项所述的弯曲无裂纹的镍基高温合金在燃气轮机中的应用。
8.一种权利要求1~5中任一项所述的弯曲无裂纹的镍基高温合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将原料加入真空感应熔炼炉中，升温至1400~1600℃进行精炼；
（2）停炉，将温度降低至1200~1400℃进行浇铸，形成高温合金铸锭；
（3）将所述步骤（2）得到的高温合金铸锭进行热处理。
9.根据权利要求8所述的弯曲无裂纹的镍基高温合金的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，所述精炼的时间为20~40min。
10.根据权利要求8或9所述的弯曲无裂纹的镍基高温合金的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中，所述热处理是在800~1000℃下处理25~45h。
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JP2004197150A (ja) * 2002-12-18 2004-07-15 Sumitomo Metal Ind Ltd 高温強度に優れた耐メタルダスティング金属材料
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