CN115961178A - 一种超高强韧镍基耐蚀合金 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超高强韧镍基耐蚀合金,所述合金各组分重量百分含量为:C:≤0.03%、Si:≤0.2%、Mn:≤0.3%、Cr:20.0~22.0%、Mo:2.5~6.0%、Nb:5.3~7.5%、Al:0.5~0.8%、Ti:0.9~1.2%、Fe:4.0~14.0%、V:0.07~0.20%、Cu≤2.5%、Zr≤0.05%、Mg≤0.04%、B≤0.006%、Ni余量。该耐蚀合金材料经固溶+时效热处理后,具有良好的综合力学性能,抗拉强度可达1500MPa以上;经固溶+冷加工+时效热处理后,抗拉强度可达1800MPa以上。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属材料,特别涉及一种超高强韧镍基耐蚀合金。
背景技术
镍基合金按照强化方式可分为固溶强化型镍基合金和时效强化型镍基合金,它具有较为突出的耐高温、耐局部腐蚀及耐应力腐蚀性能,是航空、航天、化工、油气等领域大量使用的关键材料。镍基高温合金是19世纪30年代后期开始研制的。英国于40年代初期研制出Nimonic 75、Nimonic 80等镍基合金,美国于40年代中期、苏联于40年代后期、中国于50年代中期也研制出镍基合金。
随着装备制造业的发展,对材料的耐蚀性能、强韧性等的要求越来越高。固溶强化型镍基合金的强度较低,对强度要求较高的工况下,目前主要使用718、725、X-750等时效强化型镍基合金,这类材料通过时效析出强化相,在保持耐蚀性能的同时获得较高的强度,综合性能优异。
进入二十世纪,随着技术的发展,经固溶+时效热处理的镍基合金,强度可达1400MPa以上;经固溶+冷加工+时效热处理,镍基合金强度可达1600MPa以上。本发明技术进一步提高了镍基合金的强韧性。
发明内容
本发明的目的是提供一种超高强韧镍基耐蚀合金,该合金具有耐腐蚀、高强韧等优点,可作为耐蚀合金、耐高温耐蚀合金、耐磨耐蚀合金等,可应用于高温、高压、腐蚀同时存在及其他复杂工况。
本发明的技术方案是:
超高强韧镍基耐蚀合金,其各组分的重量百分含量为:C:≤0.03%、Si:≤0.2%、Mn:≤0.3%、Cr:20.0~22.0%、Mo:2.5~6.0%、Nb:5.3~7.5%、Al:0.5~0.8%、Ti:0.9~1.2%、Fe:4.0~14.0%、V:0.07~0.20%、Cu≤2.5%、Zr≤0.05%、Mg≤0.04%、B≤0.006%、Ni余量,其中,Cr%+3.3×Mo%不低于30;Al%+Ti%+Nb%之和为7~9.5。该合金经固溶+时效热处理后,抗拉强度可达1500MPa以上;经固溶+冷加工+时效热处理后,抗拉强度可达1800MPa以上。
进一步的技术方案是:所述合金各组分重量百分含量为:C:0.01~0.02%、Si:≤0.2%、Mn:≤0.3%、Cr:21.0~22.0%、Mo:5.0~6.0%、Nb:5.5~6.5%、Al:0.7~0.8%、Ti:1.0~1.2%、Fe:4.0~7.0%、V:0.07~0.20%、Cu≤2.5%、Zr≤0.05%、Mg≤0.03%、B≤0.005%、Ni余量。该合金经固溶+时效热处理后,抗拉强度可达1550MPa以上。
进一步的技术方案是:所述合金各组分重量百分含量为:C:0.02~0.03%、Si:≤0.2%、Mn:≤0.3%、Cr:20.5~21.5%、Mo:3.0~5.0%、Nb:5.3~6.0%、Al:0.5~0.7%、Ti:0.9~1.1%、Fe:10.0~14.0%、V:0.07~0.15%、Cu≤2.5%、Zr:0.02~0.04%、Mg:0.01~0.03%、B:0.004~0.005%、Ni余量。该合金经固溶+时效热处理后,抗拉强度可达1500MPa以上;经固溶+冷加工+时效热处理后,抗拉强度可达1800MPa以上。
进一步的技术方案是:所述合金各组分重量百分含量为:C:0.02~0.03%、Si:≤0.2%、Mn:≤0.3%、Cr:20.5~21.5%、Mo:2.5~3.5%、Nb:6.0~7.5%、Al:0.5~0.7%、Ti:0.9~1.1%、Fe:7.0~12.0%、V:0.07~0.20%、Cu≤2.5%、Zr≤0.05%、Mg≤0.03%、B≤0.005%、Ni余量。该合金经固溶+时效热处理后,抗拉强度可达1550MPa以上。
本发明所述合金,采用真空感应熔炼+电渣重熔或真空自耗重熔工艺冶炼,再经成型(成型方法包括:锻造、热轧、冷轧、冷拔等)和热处理,得到超高强韧镍基耐蚀合金。
本发明所述合金中各种元素在合金中的主要作用:
镍:基体元素,镍含量高可保证抗应力腐蚀性能。
铬:固溶强化;在高温环境中,形成致密氧化膜,提高抗氧化性能;在腐蚀环境中形成致密钝化膜,提高强氧化酸性环境下的耐蚀性能和耐点蚀性能。
钼:固溶强化;提高耐蚀性能,尤其是提高耐点蚀、抗硫酸和磷酸等性能。
铜:提高耐腐蚀性能,防止材料表面微生物附着。
铁:降低高温下渗碳倾向,降低合金成本。
硅、锰:脱氧;提高工艺性能。
碳:真空冶炼过程中脱氧;形成碳化钛、碳化铌等高稳定碳化物,阻碍高温下晶粒长大,钉扎晶界,提高强度;但碳太高时,碳化物会导致贫铬区域,降低耐蚀性能,故需要控制碳含量在合理范围。
铝、钛:时效过程中,析出Ni3Al、Ni3Ti、Ni3(Ti, Al)等弥散分布的强化相,提高强度;脱氧、脱氮,提高合金纯净度;固碳,提高抗晶间腐蚀性能。
铌:时效过程中,析出弥散分布的Ni3Nb,提高强度;加入较高含量的铌,形成Ni3(Ti, Al, Nb),提升强化效果;固碳,提高抗晶间腐蚀性能。
钒:形成细小弥散的VC、VN,成为凝固、动态再结晶、再结晶等过程的形核核心,较少偏析,细化组织;在高温加热时,细小弥散的VC、VN钉扎晶界,阻碍晶粒长大;形成碳化钒,消耗合金中的碳氮,减少Ti(C, N)、Nb(C, N),提高抗晶间腐蚀性能。
硼、锆、镁:净化晶界;提高高温力学性能;减少低熔点相,提高工艺性能。
本发明所述超高强韧镍基耐蚀合金的有益效果:
(1)以镍为基体,添加足够的铬、钼、铜等合金元素,保证耐腐蚀性能,产生良好的固溶强化效果。
(2)采用铌、钛、铝等时效强化元素进行复合时效强化,产生多种时效析出相,提高时效强化效果。
(3)加入较高含量的铌元素,提高时效强化效果。
(4)加入钒元素和少量碳元素,细化组织,消除或减少由于高铌含量带来的偏析,防止碳元素导致的耐蚀性能恶化。
(5)加入锰、铝、钛、硼、锆、镁等元素,减少合金中的有害元素含量,形成有益的细小析出相。
(6)通过元素种类和含量的配比,实现固溶强化+时效强化+细晶强化等复合强化,获得超高强韧性能。
(7)可采用固溶+冷加工+时效方式,进一步提高力学性能。
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明,但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
附图说明
图1为本发明所述合金的电渣锭低倍组织图;
图2为本发明所述合金的棒材低倍组织图;
图3为本发明所述合金的棒材高倍(3000×)显微组织照片。
具体实施方式
实施例1:
(1)各组分重量百分含量为:C:0.01%、Si:0.06%、Mn:0.19%、Cr:22.1%、Mo:5.9%、Nb:5.7%、Al:0.5%、Ti:0.9%、Fe:5.3%、V:0.12%、Cu:0.1%、Zr:0.04%、Mg:0.01%、B:0.003%、Ni余量。取各组分,采用真空感应熔炼+电渣重熔工艺冶炼,再经成型和热处理,得到超高强韧镍基耐蚀合金。
本冶炼过程中得到的电渣锭低倍组织参见图1,本发明通过合金元素的配伍和协同作用,电渣锭低倍组织中未产生黑斑、白斑、点状偏析、环状偏析、夹渣、缩孔等缺陷,克服了由于耐蚀合金的合金元素含量高,易产生偏析的问题;棒材低倍组织参见图2,本发明通过合金元素的配伍和协同作用,棒材低倍组织中未产生黑斑、白斑、点状偏析、环状偏析、夹渣、裂纹等缺陷,克服了由于耐蚀合金的合金元素含量高,易产生偏析,锻造已开裂的问题;棒材高倍组织参见图3,经固溶+时效后,基体为奥氏体,在奥氏体基体上析出均匀、细小、弥散分布的强化相,强化相与基体间有明显的位向关系。
(2)经1000~1050℃×1~3h固溶+两级时效热处理后,抗拉强度≥1500MPa、屈服强度≥1160MPa、伸长率≥18%、断面收缩率≥35%、硬度≥43HRC、KV2≥30J。
本实施例所得超高强韧镍基耐蚀合金,综合力学性能好,耐点蚀当量PREN = Cr%+1.5(Mo%+Nb%)=39.5,可应用于高温、高压、腐蚀等复杂工况。
实施例2:
(1)各组分重量百分含量为:C:0.02%、Si:0.05%、Mn:0.2%、Cr:22.0%、Mo:6.0%、Nb:6.0%、Al:0.8%、Ti:1.2%、Fe:4.5%、V:0.1%、Cu:0.5%、Zr:0.04%、Mg:0.02%、B:0.005%、Ni余量。取各组分,采用真空感应熔炼+真空自耗重熔工艺冶炼,再经成型和热处理,得到超高强韧镍基耐蚀合金。
(2)经1000~1050℃×1~3h固溶+两级时效热处理后,抗拉强度≥1550MPa、屈服强度≥1100MPa、伸长率≥10%、断面收缩率≥17%、硬度≥47HRC、KV2≥20J。
本实施例所得超高强韧镍基耐蚀合金,综合力学性能好,耐点蚀当量PREN = Cr%+1.5(Mo%+Nb%)=40,可应用于高温、高压、腐蚀、磨损等复杂工况。
实施例3:
(1)各组分重量百分含量为:C:0.03%、Si:0.08%、Mn:0.15%、Cr:20.8%、Mo:3.2%、Nb:5.7%、Al:0.5%、Ti:1.0%、Fe:13.2%、V:0.09%、Cu:1.6%、Zr:0.04%、Mg:0.03%、B:0.004%、Ni余量。取各组分,采用真空感应熔炼+电渣重熔工艺冶炼,再经成型和热处理,得到超高强韧镍基耐蚀合金。
(2)经1000~1050℃×1~3h固溶+两级时效热处理后,抗拉强度≥1500MPa、屈服强度≥1070MPa、伸长率≥20%、断面收缩率≥35%、硬度≥45HRC、KV2≥30J;经固溶+冷加工(变形量30%)+时效热处理后,抗拉强度可达1800MPa以上。
本实施例所得超高强韧镍基耐蚀合金,综合力学性能好,耐点蚀当量PREN = Cr%+1.5(Mo%+Nb%)=34.15,可应用于高温、高压、腐蚀等复杂工况。
实施例4:
(1)各组分重量百分含量为:C:0.02%、Si:0.08%、Mn:0.2%、Cr:20.5%、Mo:2.8%、Nb:7.3%、Al:0.5%、Ti:0.9%、Fe:11.5%、V:0.18%、Cu:0.2%、Zr:0.03%、Mg:0.01%、B:0.003%、Ni余量。耐点蚀当量PREN = Cr%+ 1.5(Mo%+Nb%)=35.65。取各组分,采用真空感应熔炼+真空自耗重熔工艺冶炼,再经成型和热处理,得到超高强韧镍基耐蚀合金。
(2)经1000~1050℃×1~3h固溶+两级时效热处理后,抗拉强度≥1560MPa、屈服强度≥1250MPa、伸长率≥15%、断面收缩率≥25%、硬度≥47HRC、KV2≥20J。
本实施例所得超高强韧镍基耐蚀合金,可应用于高温、高压、腐蚀、磨损等复杂工况。
结论:以镍为基体,加入铬、钼、铌、钛等合金元素,使合金耐应力腐蚀、晶间腐蚀、点蚀等性能优良,适合在强氧化性、还原性的高温高压酸性环境中使用;固溶强化元素和时效强化元素均较高,产生复合强化效果,大幅提高材料强韧性,获得强度远高于现有镍基合金的超高强韧镍基耐蚀合金;微量元素的加入,减轻由于高合金含量导致的偏析,保证成型性能和使役性能。经验证,本发明合金具有耐腐蚀、高强韧等优点,可应用于高温、高压、腐蚀同时存在及其他复杂工况。
本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中的描述只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这都落入本发明要求保护的范围。
Claims (4)
1.一种超高强韧镍基耐蚀合金,其特征在于,该合金各组分的重量百分含量为:C:≤0.03%、Si:≤0.2%、Mn:≤0.3%、Cr:20.0~22.0%、Mo:2.5~6.0%、Nb:5.3~7.5%、Al:0.5~0.8%、Ti:0.9~1.2%、Fe:4.0~14.0%、V:0.07~0.20%、Cu≤2.5%、Zr≤0.05%、Mg≤0.04%、B≤0.006%、Ni余量,其中,Cr%+3.3×Mo%不低于30;Al%+Ti%+Nb%之和为7~9.5。
2.根据权利要 1所述的合金,其特征在于,所述合金各组分重量百分含量为:C:0.01~0.02%、Si:≤0.2%、Mn:≤0.3%、Cr:21.0~22.0%、Mo:5.0~6.0%、Nb:5.5~6.5%、Al:0.7~0.8%、Ti:1.0~1.2%、Fe:4.0~7.0%、V:0.07~0.20%、Cu≤2.5%、Zr≤0.05%、Mg≤0.03%、B≤0.005%、Ni余量。
3.根据权利要 1所述的合金,其特征在于,所述合金各组分重量百分含量为:C:0.02~0.03%、Si:≤0.2%、Mn:≤0.3%、Cr:20.5~21.5%、Mo:3.0~5.0%、Nb:5.3~6.0%、Al:0.5~0.7%、Ti:0.9~1.1%、Fe:10.0~14.0%、V:0.07~0.15%、Cu≤2.5%、Zr:0.02~0.04%、Mg:0.01~0.03%、B:0.004~0.005%、Ni余量。
4.根据权利要 1所述的合金,其特征在于,所述合金各组分重量百分含量为:C:0.02~0.03%、Si:≤0.2%、Mn:≤0.3%、Cr:20.5~21.5%、Mo:2.5~3.5%、Nb:6.0~7.5%、Al:0.5~0.7%、Ti:0.9~1.1%、Fe:7.0~12.0%、V:0.07~0.20%、Cu≤2.5%、Zr≤0.05%、Mg≤0.03%、B≤0.005%、Ni余量。
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