CN115537604B - 一种抗蠕变、抗氧化的镍基高温合金及其制备方法和应用 - Google Patents

一种抗蠕变、抗氧化的镍基高温合金及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于高温合金技术领域，具体涉及一种抗蠕变、抗氧化的镍基高温合金及其制备方法和应用。本发明提供的一种抗蠕变、抗氧化的镍基高温合金，包括：C：0.03‑0.10％、Cr：18.00‑21.00％、Co：4.00‑7.00％、Mo：8.50‑10.00％、Al：1.30‑1.90％、Ti：0.90‑1.40％、Nb：0.90‑1.60％、B：0.001‑0.008％、Sc：0.02‑0.04％、Zr：0‑0.05％、W：0‑0.05％和Pd：0.10‑0.50％，余量为镍和不可避免的杂质，以质量百分含量计。该合金不仅具有较高的拉伸强度，而且塑性优异，此外，还具有良好的持久寿命以及抗氧化性能，能够满足使用的要求。

Description

一种抗蠕变、抗氧化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，具体涉及一种抗蠕变、抗氧化的镍基高温合金及其制备方法和应用。
背景技术
镍基高温合金在20世纪40年代初期被发现并研究成功，当时是在喷气式飞机对合金性能提出了更高要求的情况下而进行研制的。1945年，英国成为第一个生产出镍基合金Nimomic75的国家，之后英国根据发展需要提高镍基高温合金蠕变强度，在原有基础上添加适量的铝元素，进而研制出新型的镍基合金Nimomic80。在之后的一段时间里，美国和苏联相继研制成功类似合金，我国在20世纪50年代相继研制出几种类似性能的合金。
镍基合金是高温合金中应用范围最为广泛的一种合金，同时也是同类中高温性能最好的一种合金，尤其是在同等高温条件下的性能远高于其他合金。其主要的化学性能有以下几点：第一，镍基合金中可以溶解多种合金元素，这就对其性能的改善甚至增强起到了很大的帮助，另外镍基合金还有较强的组织稳定性，在特殊环境下应用效果良好；第二，镍基合金具有较强的抗氧化和抗腐蚀能力，尤其是含铬的合金其性能更是优于其他类型。
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：
镍基高温合金应用领域比较广泛，其中主要是在航空航天领域和国防领域应用，例如航空发动机、导弹等。随着经济社会的发展，市场对镍基高温合金提出了更高的要求，为满足市场需求，必须对镍基高温合金加快研究，提高其综合性能。
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蠕变、抗氧化的镍基高温合金，该合金不仅具有较高的拉伸强度，而且塑性优异，此外，还具有良好的持久寿命以及抗氧化性能，能够满足使用的要求。
本发明实施例的一种抗蠕变、抗氧化的镍基高温合金，包括：C：0.03-0.10％、Cr：18.00-21.00％、Co：4.00-7.00％、Mo：8.50-10.00％、Al：1.30-1.90％、Ti：0.90-1.40％、Nb：0.90-1.60％、B：0.001-0.008％、Sc：0.02-0.04％、Zr：0-0.05％、W：0-0.05％和Pd：0.10-0.50％(加)，余量为镍和不可避免的杂质，以质量百分含量计。
本发明实施例的抗蠕变、抗氧化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，合金采用低Co设计，在合金中加入元素Co能够降低基体的堆垛层错能，进而提高合金的强度；但是Co是昂贵的金属元素，本发明实施例中降低了元素Co的含量，降低了生产成本；2、本发明实施例中，Al作为形成γ'相的主要元素，可以提高合金的表面稳定性，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，进而降低合金的蠕变断裂寿命，因此，本发明实施例中降低了元素Al的含量；3、本发明实施例中，提高了元素Sc的含量，显著提高了合金的抗蠕变性能和持久寿命，同时，Sc元素可以降低氧化膜的生长速度，进而提高合金的抗高温氧化性能；4、本发明实施例中，在采用低Co设计的同时，在合金中加入元素Pd，能够提高合金的抗蠕变性能和抗氧化性能，并且在提高合金的高温强度的同时还能提高塑性，使合金表现出优异的综合力学性能。
在一些实施例中，所述镍基高温合金还包括质量百分含量为0.18-0.35％的Nd。
在一些实施例中，所述Nd的质量百分含量为0.18-0.33％。
在一些实施例中，所述Pd、Nd和Sc的质量百分含量满足关系式0.35％<2.2Pd-Nd+6.2Sc<0.78％。
在一些实施例中，所述Pd、Nd和Sc的质量百分含量满足关系式0.44％<2.2Pd-Nd+6.2Sc<0.76％。
在一些实施例中，所述镍基高温合金包括：C：0.03-0.09％、Cr：18.02-20.65％、Co：4.05-6.84％、Mo：8.51-9.96％、Al：1.33-1.88％、Ti：0.91-1.39％、Nb：0.93-1.59％、B：0.001-0.007％、Sc：0.024-0.031％、Zr：0.01-0.05％、W：0.003-0.04％、Pd：0.26-0.42％和Nd：0.18-0.33％，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蠕变、抗氧化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抗蠕变、抗氧化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抗蠕变、抗氧化的镍基高温合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)将原料加入到真空熔炼炉中，升温至1500～1600℃进行精炼；
(2)停炉，待温度降至1400～1450℃进行浇铸，形成高温合金铸锭；
(3)将所述高温合金铸锭在800～1000℃下热处理20～40h。
本发明实施例的抗蠕变、抗氧化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，该方法制备得到的合金不仅具有较高的拉伸强度，而且塑性优异，此外，合金在927℃、89MPa条件下的持久寿命能达到330h以上，平均氧化速度均在0.1g/m2·h以下，具有优异的持久寿命以及抗氧化性能，能够满足使用的要求；2、本发明实施例中，该制备方法操作简单，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，所述步骤(1)中，所述精炼的时间为10～30min。
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抗蠕变、抗氧化的镍基高温合金，包括：C：0.03-0.1％、Cr：18.00-21.00％、Co：4.00-7.00％、Mo：8.50-10.00％、Al：1.30-1.90％、Ti：0.90-1.40％、Nb：0.90-1.60％、B：0.001-0.008％、Sc：0.02-0.04％、Zr：0-0.05％、W：0-0.05％和Pd：0.1-0.5％，余量为镍和不可避免的杂质，以质量百分含量计。
本发明实施例的抗蠕变、抗氧化的镍基高温合金，采用低Co设计，在合金中加入元素Co能够降低基体的堆垛层错能，进而提高合金的强度；但是Co是昂贵的金属元素，本发明实施例中降低了元素Co的含量，降低了生产成本；Al作为形成γ'相的主要元素，可以提高合金的表面稳定性，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，进而降低合金的蠕变断裂寿命，因此，本发明实施例中降低了元素Al的含量；提高元素Sc的含量，显著提高了合金的抗蠕变性能和持久寿命，同时，Sc元素可以降低氧化膜的生长速度，进而提高合金的抗高温氧化性能；本发明实施例中，在采用低Co设计的同时，在合金中加入元素Pd，能够提高合金的抗蠕变性能和抗氧化性能，并且在提高合金的高温强度的同时还能提高塑性，使合金表现出优异的综合力学性能。
本发明实施例中镍基高温合金中Co、Al、Sc和Pd的作用如下：
Co元素的作用：Co作为合金元素加入到镍基合金中，可以降低基体的堆垛层错能，层错能低形成层错就容易，层错出现的几率提高，层错宽度增大，这使得扩展位错运动受阻，也就是层错能的降低使交滑移更加困难，进而提高合金的强度。此外，层错能的降低，也能降低蠕变速率，使得蠕变抗力增加。并且，Co元素的添加也可以降低镍基合金中Al、Ti元素在基体中的溶解度，进而增加γ'相的数量，同时促使γ'相由原来的Ni3(Al,Ti)转变为(Ni,Co)3(Al,Ti)，提高γ'相的溶解温度，使得合金可以承受更高的服役温度。但是由于Co元素属于贵重金属，在综合考虑生产成本和合金性能的前提下，本发明实施例将元素Co的含量控制在4.00-7.00％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，进而降低合金的蠕变断裂寿命，起到不利影响。因此，本发明实施例中将元素Al的含量控制在1.30-1.90％范围内。
Sc元素的作用：首先，Sc元素的添加可以提高合金凝固形核率，细化铸态晶粒，显著改善铸锭的枝晶偏析现象；其次，在镍基高温合金中添加Sc元素会引入新的强化机制，形成了含Sc的Ni3(Al,Ti,Nb)复合强化机制，显著提高了合金的抗蠕变性能和持久寿命；此外，Sc元素的添加可以对晶界起到净化和强化作用，进而降低杂质元素S、P、五害元素和不可避免的低熔点有害元素的晶界含量，从而降低了晶界上形成蠕变空洞的概率，从而提高了合金的蠕变、持久性能；并且，活性元素Sc元素可以降低氧化膜的生长速度，同时，促使合金表面致密氧化膜的形成，可以阻止空气中的有害元素向基体扩散，进而提高合金的抗高温氧化性能。
Pd元素的作用：Pd(钯)是铂族元素，和其他铂族元素一样，Pd具有耐高温、熔点高、化学稳定性优良、耐腐蚀的特点。在镍基高温合金中尚未见有添加Pd的相关报道。本发明通过研究发现，在镍基高温合金中添加Pd能够显著提高合金的抗蠕变性能和抗氧化性能，而且能够提高合金的高温强度，同时还能提高塑性，表现出了优异的综合力学性能，但当Pd含量高于0.65％时，高温延伸率反而降低。因此，本发明实施例中，将元素Pd的含量控制在0.1-0.5％范围内。
在一些实施例中，优选地，所述镍基高温合金还包括质量百分含量为0.18-0.35％的Nd。进一步优选地，所述Nd的质量百分含量为0.18-0.33％。
本发明实施例中，在合金中添加元素Nd，Nd元素是镧系稀土元素，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(0.002％以上)就能明显提高合金高温性能，添加量过多时则会形成系统夹杂物，反而对合金的性能有害。因此，本发明实施例中将元素Nd的含量控制在0.18-0.35％范围内。
在一些实施例中，优选地，所述Pd、Nd和Sc的质量百分含量满足关系式0.35％<2.2Pd-Nd+6.2Sc<0.78％。进一步优选地，所述Pd、Nd和Sc的质量百分含量满足关系式0.44％<2.2Pd-Nd+6.2Sc<0.76％。
本发明实施例中，优化设计了Pd、Nd和Sc的加入量，使其含量之间达到相互协同的作用，合金具有优异的拉伸强度，室温拉伸屈服强度能达到740MPa以上，室温拉伸抗拉强度也都远远超过了1035MPa；该合金在927℃、89MPa条件下的持久寿命达到了340h以上，且平均氧化速度降低至0.07g/m2·h以下，具有非常好的抗氧化性能，合金达到了最佳的综合性能水平，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，优选地，所述镍基高温合金包括：C：0.03-0.09％、Cr：18.02-20.65％、Co：4.05-6.84％、Mo：8.51-9.96％、Al：1.33-1.88％、Ti：0.91-1.39％、Nb：0.93-1.59％、B：0.001-0.007％、Sc：0.024-0.031％、Zr：0.01-0.05％、W：0.003-0.04％、Pd：0.26-0.42％和Nd：0.18-0.33％，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蠕变、抗氧化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抗蠕变、抗氧化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抗蠕变、抗氧化的镍基高温合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)将原料加入到真空熔炼炉中，升温至1500～1600℃进行精炼；
(2)停炉，待温度降至1400～1450℃进行浇铸，形成高温合金铸锭；
(3)将所述高温合金铸锭在800～1000℃下热处理20～40h。
本发明实施例的抗蠕变、抗氧化的镍基高温合金制备方法，制备得到的合金不仅具有较高的拉伸强度，而且塑性优异，此外，合金在927℃、89MPa条件下的持久寿命能达到330h以上，平均氧化速度均在0.1g/m2·h以下，具有优异的持久寿命以及抗氧化性能，能够满足使用的要求该制备方法操作简单，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，所述步骤(1)中，所述高温精炼的时间为10～30min。
本发明实施例中，优选了高温精炼的时间，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，使合金的综合性能得到进一步提升。
下面结合实施例详细描述本发明。
实施例1
(1)将原料加入到真空熔炼炉中，升温至1600℃进行高温精炼20min；
(2)停炉，待温度降至1400℃进行浇铸，形成高温合金铸锭；
(3)将所述高温合金铸锭在1000℃下热处理20h。
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，不同在于合金成分不同，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，不同之处在合金成分中，不含元素Nd，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，不同之处在合金成分中，其中，2.2Pd-Nd+6.2Sc＝0.3，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，不同之处在合金成分中，其中，2.2Pd-Nd+6.2Sc＝0.886，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，不同之处在合金成分中，元素Pd的含量为0.08％，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Pd的含量为0.55％，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Nd的含量为0.38％，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Sc的含量为0.016％，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Sc的含量为0.042％，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Co的含量为3.67％，对比例6制得的合金成分见表1，性能见表2。
对比例7
对比例7与实施例1的制备方法相同，不同之处在合金成分中，元素Co的含量为7.23％，对比例7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927℃、89MPa条件下的持久寿命，δ为时效态合金在927℃、89MPa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、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。
从上表1和表2的数据可以看出，本发明实施例中，控制元素的含量在本发明设计的范围内制备得到的合金不仅具有较高的拉伸强度，而且抗蠕变性优异，此外，合金在927℃、89MPa条件下的持久寿命能达到330h以上，平均氧化速度均在0.1g/m2·h以下，具有优异的持久寿命以及抗氧化性能。特别地，当Pd、Nd和Sc的质量百分含量满足关系式0.35％<2.2Pd-Nd+6.2Sc<0.78％，如实施例1～5，该合金具有更好的综合性能。
对比例1和2调整了元素Pd的含量，对比例1中元素Pd的含量为0.08％，Pd的含量较低导致合金强度不足、抗蠕变性下降，且抗氧化性能明显下降，无法达到使用要求；对比例2中元素Pd的含量为0.55％，提高元素Pd的含量虽然使合金的强度有所提升，室温拉伸屈服强度为590MPa，室温拉伸抗拉强度1040MPa，抗氧化性能也得到了改善，但是合金的抗蠕变性明显下降。
对比例3调整了元素Nd的含量，Nd的含量为0.38％，较高含量的元素Nd使合金具有较高的强度，但是导致合金的抗蠕变性变差，并且合金在927℃、89MPa条件下的持久寿命降低至196h。
对比例4和5调整了元素Sc的含量，对比例4中元素Sc的含量为0.016％，元素Sc的含量降低导致合金在927℃、89MPa条件下的持久寿命降低至185h，并且在816℃、221MPa、100h条件下的蠕变塑性伸长率升高至1.025％，抗蠕变性变差；对比例5中元素Sc的含量为0.042％，合金的持久寿命明显提高，但是合金的室温强度、室温和高温塑性却明显降低，不能满足使用要求。
对比例6和7调整了元素Co的含量，对比例6中元素Co的含量为3.67％，元素Co的含量过低，导致合金的强度降低，合金的室温拉伸屈服强度降低至586MPa，合金的室温拉伸抗拉强度降低至1030MPa；对比例7中元素Co的含量为7.23％，提高元素Co的含量虽然使合金的强度提高，但是抗蠕变性能变差，无法满足使用要求。
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 (8)

1.一种抗蠕变、抗氧化的镍基高温合金，其特征在于，包括：C：0.03-0.10％、Cr：18.00-21.00％、Co：4.00-7.00％、Mo：8.50-10.00％、Al：1.30-1.90％、Ti：0.90-1.40％、Nb：0.90-1.60％、B：0.001-0.008％、Sc：0.02-0.04％、Zr：0-0.05％、W：0-0.05％、Pd：0.1-0.5％、Nd：0.18-0.35％，余量为镍和不可避免的杂质，以质量百分含量计；其中，所述Pd、Nd和Sc的质量百分含量满足关系式0.35％<2.2Pd-Nd+6.2Sc<0.78％。
2.根据权利要求1所述的抗蠕变、抗氧化的镍基高温合金，其特征在于，所述Nd的质量百分含量为0.18-0.33％。
3.根据权利要求1所述的抗蠕变、抗氧化的镍基高温合金，其特征在于，所述Pd、Nd和Sc的质量百分含量满足关系式0.44％<2.2Pd-Nd+6.2Sc<0.76％。
4.根据权利要求1所述的抗蠕变、抗氧化的镍基高温合金，其特征在于，所述镍基高温合金包括：C：0.03-0.09％、Cr：18.02-20.65％、Co：4.05-6.84％、Mo：8.51-9.96％、Al：1.33-1.88％、Ti：0.91-1.39％、Nb：0.93-1.59％、B：0.001-0.007％、Sc：0.024-0.031％、Zr：0.01-0.05％、W：0.003-0.04％、Pd：0.26-0.42％和Nd：0.18-0.33％，余量为镍和不可避免的杂质，以质量百分含量计。
5.权利要求1～4中任一项所述的抗蠕变、抗氧化的镍基高温合金在航空发动机中的应用。
6.权利要求1～4中任一项所述的抗蠕变、抗氧化的镍基高温合金在燃气轮机中的应用。
7.一种权利要求1～4中任一项所述的抗蠕变、抗氧化的镍基高温合金的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：
(1)将原料加入到真空熔炼炉中，升温至1500～1600℃进行精炼；
(2)停炉，待温度降至1400～1450℃进行浇铸，形成高温合金铸锭；
(3)将所述高温合金铸锭在800～1000℃下热处理20～40h。
8.根据权利要求7所述的抗蠕变、抗氧化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10～30min。
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