CN115572861A - 一种易于加工成型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，具体涉及一种易于加工成型的镍基高温合金及其制备方法和应用。本发明提供的一种镍基高温合金，包括：C：0.03‑0.08％、Cr：18.00‑23.00％、Co：9.00‑11.00％、Mo：4.60‑6.50％、Al：1.40‑1.70％、Ti：1.7‑2.3％、W：0.01‑3％、Zr：0‑0.05％、Nb：0.01‑0.7％、V：0.01‑0.5％和B：0.001‑0.009％，余量为镍和不可避免的杂质。该合金具有优异的固溶态拉伸性能和硬度，且时效态高温持久性能也能满足使用的需求。

Description

一种易于加工成型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，具体涉及一种易于加工成型的镍基高温合金及其制备方法和应用。
背景技术
高温合金材料一般指在600℃以上高温，可以承受较大应力，具有表面稳定性的高合金化合金。它不但有良好的高温抗氧化和抗腐蚀能力，而且有较高的高温强度、蠕变强度和持久性能以及良好的抗疲劳性能。
高温合金材料按基体元素主要分为铁基高温合金、镍基高温合金和钴基高温合金。镍基高温合金是高温合金中应用最广、用量最大、高温强度优异的一类合金，主要用于制造航空、舰艇和工业用燃气轮机的涡轮叶片、导向叶片、涡轮盘、高压压气机盘和燃烧室等高温部件，还用于制造航天飞行器、火箭发动机、核反应堆、石油化工以及超超临界燃煤电站等领域。
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：
随着生产力的不断发展，工业用镍基高温合金的使用需求不断提高，现有的镍基高温合金的各方面性能已渐渐无法满足市场的使用需求。导向叶片或整铸导向器材料在燃气涡轮中承受高温燃气的热冲击和氧化腐蚀作用，而且随着航空发动机性能的不断提高，燃气涡轮导向叶片要求其材料的使用温度愈来愈高，使用寿命要求愈来愈长，同时复杂的零部件形状对合金的加工性能要求也日益提高。目前使用的导向叶片用的钴基和镍基高温合金均不能满足这种要求。
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易于加工成型的镍基高温合金，该合金具有优异的固溶态拉伸性能和硬度，易于加工成型，且时效高温持久性能也能满足多种应用领域的使用需求。
本发明实施例的一种易于加工成型的镍基高温合金，C：0.03-0.08％、Cr：18.00-23.00％、Co：9.00-11.00％、Mo：4.60-6.50％、Al：1.40-1.70％、Ti：1.7-2.3％、W：0.01-3％、Zr：0-0.05％、Nb：0.01-0.7％、V：0.01-0.5％和B：0.001-0.009％，余量为镍和不可避免的杂质。
本发明实施例的易于加工成型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，加入了V元素，V能促进MC型碳化物和γ'/γ"相析出，使晶粒尺寸小幅减小；V元素通过增大γ基体的晶格常数，降低γ基体与γ'相的错配度，抑制了γ'/γ"相在高温环境下的快速粗化；V元素添加可以提屈服强度，可显著提升高温拉伸强度和持久寿命，但是V元素添加过多会导致屈服强度过高，延伸率明显降低，因此，本发明实施例中将元素V的用量控制在0.01～0.5％范围内；2、本发明实施例中，在引入V元素的同时，控制了Mo元素的含量，与V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能明显增大Ni固溶体的晶格常数，并使室温和高温屈服强度明显提高，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，本发明实施例中将元素Mo的含量控制在4.6～6.5％范围内；3、本发明实施例中，将各元素的含量控制在合理范围内，制备得到的合金的固溶态室温拉伸性能和硬度均能满足要求，易于加工成型，并且时效态合金的高温持久性能优异，能够满足航空、燃气轮机等领域的使用要求。
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0.01-0.05％的Nd。
在一些实施例中，所述Nd的质量百分含量为0.011～0.045％。
在一些实施例中，所述V、Nd和Mo的质量百分含量满足关系式0.20＜(V+2.1Nd)/0.25Mo＜0.35。
在一些实施例中，所述V、Nd和Mo的质量百分含量满足关系式0.217＜(V+2.1Nd)/0.25Mo＜0.337。
在一些实施例中，所述镍基高温合金包括：C：0.04-0.06％、Cr：20.15-22.01％、Co：9.88-10.67％、Mo：4.62-6.33％、Al：1.45-1.66％、Ti：1.75-2.24％、W：1.18-1.84％、Zr：0.004-0.034％、Nb：0.18-0.65％、V：0.19-0.41％和B：0.004-0.006％，余量为镍和不可避免的杂质。
本发明实施例还提供了易于加工成型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易于加工成型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易于加工成型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)将所述步骤(2)得到的高温合金铸锭在900～1200℃下处理15～30h。
本发明实施例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的固溶态室温拉伸性能和硬度均能满足要求，易于加工成型，并且时效态合金的高温持久性能优异，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，该方法简单易操作，节约能耗，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20～40min。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所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。
本发明实施例提供的一种易于加工成型的镍基高温合金，包括：C：0.03-0.08％、Cr：18.00-23.00％、Co：9.00-11.00％、Mo：4.60-6.50％、Al：1.40-1.70％、Ti：1.7-2.3％、W：0.01-3％、Zr：0-0.05％、Nb：0.01-0.7％、V：0.01-0.5％和B：0.001-0.009％，余量为镍和不可避免的杂质。
本发明实施例的易于加工成型的镍基高温合金，加入V元素，V元素能促进MC型碳化物和γ'/γ"相析出，使晶粒尺寸小幅减小；V元素通过增大γ基体的晶格常数，降低γ基体与γ'相的错配度，抑制了γ'/γ"相在高温环境下的快速粗化；V元素添加可以提屈服强度，可显著提升高温拉伸强度和持久寿命，但是V元素添加过多会导致屈服强度过高，延伸率明显降低，因此，本发明实施例中将元素V的用量控制在0.01～0.5％范围内；本发明实施例中，在引入V元素的同时，控制了Mo元素的含量，与V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能明显增大Ni固溶体的晶格常数，并使室温和高温屈服强度明显提高，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，本发明实施例中将元素Mo的含量控制在4.6～6.5％范围内；本发明实施例中，将各元素的含量控制在合理范围内，制备得到的合金的固溶态室温拉伸性能和硬度均能满足要求，易于加工成型，并且时效态高温持久性能优异，能够满足航空、燃气轮机等相关领域的使用要求。
在一些实施例中，优选地，所述镍基高温合金包括C：0.04-0.06％、Cr：20.15-22.01％、Co：9.88-10.67％、Mo：4.62-6.33％、Al：1.45-1.66％、Ti：1.75-2.24％、W：1.18-1.84％、Zr：0.004-0.034％、Nb：0.18-0.65％、V：0.19-0.41％和B：0.004-0.006％，余量为镍和不可避免的杂质。
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0.01-0.05％的Nd。进一步优选地，所述Nd的质量百分含量为0.011～0.045％。
本发明实施例中，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，本发明实施例中将Nd的添加量控制在0.01～0.05wt％范围内。
在一些实施例中，优选地，所述V、Nd和Mo的质量百分含量满足关系式0.20＜(V+2.1Nd)/0.25Mo＜0.35。进一步优选地，所述V、Nd和Mo的质量百分含量满足关系式0.217＜(V+2.1Nd)/0.25Mo＜0.337。
本发明实施中，进一步限定了元素V、Nd和Mo需要满足上述关系式，能够最大程度发挥三种元素之间的协同作用，使制备得到的合金在硬度、固溶态室温拉伸性能以及时效态高温持久性能等各方面均能够得到明显改善，时效态合金在89MPa、927℃条件下的持久寿命能达到240h以上，固溶态合金的室温拉伸断后伸长率也均能远远超过30％，满足航空、燃气轮机等多领域的使用需求。
本发明实施例还提供了易于加工成型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易于加工成型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易于加工成型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)将所述步骤(2)得到的高温合金铸锭在900～1200℃下处理15～30h。
本发明实施例的镍基高温合金制备方法带来的优点和技术效果，该方法制备得到的合金具有优异的固溶态拉伸性能、硬度以及时效高温持久性能，满足了先进航空发动机和燃气轮机设计和使用的要求；该方法简单易操作，节约能耗，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20～40min。
本发明实施例中，优选了高温精炼的时间，能够保证合金中精炼过程中杂质被充分去除，有利于提高高温合金的纯度，进而使合金具有更好的综合性能。
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40min；
(2)停炉，待温度降至1400℃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900℃下处理30h。
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。
实施例9
实施例9与实施例1的制备方法相同，不同在于合金成分不同，不含元素Nd，实施例9制得的合金成分见表1，性能见表2。
实施例10
实施例10与实施例1的制备方法相同，不同在于合金成分不同，其中，(V+2.1Nd)/0.25Mo＝0.440，实施例10制得的合金成分见表1，性能见表2。
实施例11
实施例11与实施例1的制备方法相同，不同在于合金成分不同，其中，(V+2.1Nd)/0.25Mo＝0.147，实施例11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Mo的含量为6.87％，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V的含量为0.61％，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4.25％，元素V的含量为0.52％，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6.95％，元素V的含量为0.52％，对比例4制得的合金成分见表1，性能见表2。
表1
Figure BDA0003860379800000051
Figure BDA0003860379800000061
注：表中各元素的含量均以wt％计；Mn、Si含量小于0.50％。
表2
Figure BDA0003860379800000062
注：1、HRC为固溶态测试硬度；
2、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，固溶态合金的拉伸性能超出期望值，将不利于加工成型；
3、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。
从上表1和表2的数据可以看出，将各元素的含量控制在合适的范围内，制备得到的合金不仅具有较好的高温持久性能，时效态合金在89MPa、927℃条件下的持久寿命均能超过200h，固溶态合金的室温拉伸性能和硬度也能满足使用需求，易于加工成型，且固溶态合金的室温拉伸断后伸长率以及时效态合金在89MPa、927℃条件下的持久断后伸长率分别超过了30％和10％的要求值。特别地，当元素V、Nd和Mo的质量百分含量满足关系式0.20＜(V+2.1Nd)/0.25Mo＜0.35，如实施例1～8，制备得到的合金具有更好的综合性能。
对比例1调整了元素Mo的含量，Mo的含量为6.87％，Mo元素的含量较高，虽然时效态合金在89MPa、927℃条件下的持久寿命能达到317h，但过高的Mo含量导致合金的固溶态室温硬度以及室温拉伸抗拉强度不能满足使用需求，不利于加工成型。
对比例2调整了元素V的含量，V的含量为0.61％，V元素的含量较高导致固溶态合金的室温拉伸断后伸长率降低至19％，时效态合金在89MPa、927℃条件下的持久断后伸长率降低至9％，在89MPa、927℃条件下的持久寿命也大幅降低至175h，无法满足使用需求。
对比例3和4同时调整了元素Mo和V的含量，对比例3中Mo的含量为4.25％，V的含量为0.52％，Mo元素的含量较低，V元素的含量较高，导致固溶态合金的室温拉伸断后伸长率和时效态合金在89MPa、927℃条件下的持久断后伸长率均大幅度降低，同时时效态合金在89MPa、927℃条件下的持久寿命降低至126h；对比例4中Mo的含量为6.95％，V的含量为0.52％，Mo和V元素的含量均较高，导致固溶体合金的硬度上升至36，固溶态合金的室温拉伸屈服强度和固溶态合金的室温拉伸抗拉强度均高于要求的范围，不利于加工成型，固溶态合金的室温拉伸断后伸长率和时效态合金在89MPa、927℃条件下的持久断后伸长率急剧降低，合金的拉伸性能变差，且持久寿命降低。
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)

1.一种易于加工成型的镍基高温合金，其特征在于，包括：C：0.03-0.08％、Cr：18.00-23.00％、Co：9.00-11.00％、Mo：4.60-6.50％、Al：1.40-1.70％、Ti：1.7-2.3％、W：0.01-3％、Zr：0-0.05％、Nb：0.01-0.7％、V：0.01-0.5％和B：0.001-0.009％，余量为镍和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的易于加工成型的镍基高温合金，其特征在于，所述镍基高温合金还包括质量百分含量为0.01-0.05％的Nd。
3.根据权利要求2所述的易于加工成型的镍基高温合金，其特征在于，所述Nd的质量百分含量为0.011～0.045％。
4.根据权利要求2所述的易于加工成型的镍基高温合金，其特征在于，所述V、Nd和Mo的质量百分含量满足关系式0.20＜(V+2.1Nd)/0.25Mo＜0.35。
5.根据权利要求4所述的易于加工成型的镍基高温合金，其特征在于，所述V、Nd和Mo的质量百分含量满足关系式0.217＜(V+2.1Nd)/0.25Mo＜0.337。
6.根据权利要求1所述的易于加工成型的镍基高温合金，其特征在于，所述镍基高温合金包括：C：0.04-0.06％、Cr：20.15-22.01％、Co：9.88-10.67％、Mo：4.62-6.33％、Al：1.45-1.66％、Ti：1.75-2.24％、W：1.18-1.84％、Zr：0.004-0.034％、Nb：0.18-0.65％、V：0.19-0.41％和B：0.004-0.006％，余量为镍和不可避免的杂质。
7.权利要求1～6中任一项所述的易于加工成型的镍基高温合金在航空发动机中的应用。
8.权利要求1～6中任一项所述的易于加工成型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中任一项所述的易于加工成型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)将所述步骤(2)得到的高温合金铸锭在900～1200℃下处理15～30h。
10.根据权利要求9所述的易于加工成型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。
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