CN116179895A - 一种高铬钼时效强化型镍基合金 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高铬钼时效强化型镍基合金，该合金各组分重量百分含量为：C：0.03～0.1%、Si：0.3～1.0%、Mn：0.4～1.0%、Cr：24.0～30.0%、Mo：7.0～8.0%、Al：1.0～2.5%、Ti：0.5～2.0%、Fe：0.9～5.0%、Zr≤0.1%、Mg≤0.05%、B≤0.005%、Nb+Ta：2.0～4.0%，余量Ni，该合金的Cr%+1.5×（Mo%+Nb%）≥40。本发明所述合金具有良好的耐蚀性能、抗氧化性能、热稳定性和高温力学性能等。

Description

一种高铬钼时效强化型镍基合金

技术领域

本发明涉及一种金属材料，特别涉及一种高铬钼时效强化型镍基合金。

背景技术

镍基合金按照主要性能可细分为镍基高温合金、镍基耐蚀合金、镍基耐磨合金、镍基精密合金与镍基形状记忆合金等。

镍基耐蚀合金主要合金元素通常有镍、铬、钼、铁、铜、铌等，具有良好的综合性能，可耐各种酸腐蚀和应力腐蚀。最早应用（1905年美国生产）的是镍铜（Ni-Cu）合金，又称蒙乃尔合金(Monel合金Ni 70 Cu30)；此外还有镍铬（Ni-Cr）合金（就是镍基耐热合金，耐蚀合金中的耐热腐蚀合金）、镍钼（Ni-Mo）合金（主要是指哈氏合金B系列）、镍铬钼（Ni-Cr-Mo）合金（主要是指哈氏合金C系列）等。与此同时，纯镍也是镍基耐蚀合金中的典型代表。这些镍基耐蚀合金主要用于制造石油、化工、电力等各种耐腐蚀环境用零部件。

镍基高温合金是19世纪30年代后期开始研制的。英国于1941年首先生产出镍基合金Nimonic 75(Ni-20Cr-0.4Ti)；为了提高蠕变强度又添加铝，研制出Nimonic 80(Ni-20Cr-2.5Ti-1.3Al)。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。镍基合金的发展包括两个方面：合金成分和生产工艺的革新。50年代初，真空熔炼技术的发展，为炼制含高铝和钛的镍基合金创造了条件。初期的镍基合金大都是变形合金。50年代后期，由于涡轮叶片工作温度的提高，要求合金有更高的高温强度，但是合金的强度高了，就难以变形，甚至不能变形，于是采用熔模精密铸造工艺，发展出一系列具有良好高温强度的铸造合金。60年代中期发展出性能更好的定向结晶和单晶高温合金以及粉末冶金高温合金。为了满足舰船和工业燃气轮机的需要，60年代以来还发展出一批抗热腐蚀性能较好、组织稳定的高铬镍基合金。在从40年代初到70年代末大约40年的时间内，镍基合金的工作温度从 700℃提高到1100℃，平均每年提高10℃左右。

随着装备制造业的发展，使用场景和装备性能对材料的耐蚀性能、抗氧化性能、热稳定性和高温力学性能等的要求越来越高，现有材料性能难以达到要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种高铬钼时效强化型镍基合金，该材料具有良好的耐蚀性能、抗氧化性能、热稳定性和高温力学性能等，可用于制作油气钻采工具（如：钻铤、钻杆、油井管、承压外壳、紧固件等）、发动机或燃机的燃烧室和火焰筒等关键零部件。

本发明的技术方案是：

高铬钼时效强化型镍基合金，该合金各组分重量百分含量为：C：0.03～0.1%、Si：0.3～1.0%、Mn：0.4～1.0%、Cr：24.0～30.0%、Mo：7.0～8.0%、Al：1.0～2.5%、Ti：0.5～2.0%、Fe：0.9～5.0%、Zr≤0.1%、Mg≤0.05%、B≤0.005%、其中，Nb+Ta：2.0～4.0%，余量Ni，该合金的 Cr%+1.5×（Mo%+Nb%）≥40。

进一步的技术方案是，所述合金各组分重量百分含量为：C：0.03～0.05%、Si：0.3～1.0%、Mn：0.6～1.0%、Cr：27.0～30.0%、Mo：7.5～8.0%、Al：1.0～1.5%、Ti：0.5～0.9%、Fe：1.2～5.0%、Zr≤0.1%、Mg≤0.05%、B≤0.005%、Nb+Ta：2.0～4.0%，余量Ni，该合金的 Cr%+1.5×（Mo%+Nb%）≥40。该材料具有优异的耐蚀性能，可以用于制备对耐蚀性能要求较高的产品。

进一步的技术方案是，所述合金各组分重量百分含量为：C：0.05～0.1%、Si：0.3～0.5%、Mn：0.4～0.6%、Cr：25.0～27.0%、Mo：7.0～7.5%、Al：1.2～1.5%、Ti：0.8～1.5%、Fe：2.5～3.0%、Zr≤0.1%、Mg≤0.05%、B≤0.005%、Nb+Ta：2.5～3.5%、余量Ni，该合金的 Cr%+1.5×（Mo%+Nb%）≥40。该材料在600℃～1000℃具有优异的工艺性能、组织稳定性和力学性能，可以用于制备对耐高温性能要求较高的产品。

进一步的技术方案是，所述合金各组分重量百分含量为：C：0.04～0.08%、Si：0.5～1.0%、Mn：0.4～0.5%、Cr：26.0～29.0%、Mo：7.0～7.5%、Al：1.8～2.5%、Ti：0.5～1.0%、Fe≤3.0%、Zr≤0.1%、Mg≤0.05%、B≤0.005%、Nb+Ta：2.5～3.7%，余量Ni，该合金的 Cr%+1.5×（Mo%+Nb%）≥40。该材料具有优良的强韧性和抗氧化性，可用于制备对耐高温性能要求较高的产品。

上述合金中Al%+Ti%+Nb%+Ta%之和为4～7。

本发明所述合金的制备方法：取各组分，采用真空感应熔炼+电渣重熔或真空自耗重熔工艺冶炼，再经锻造+热轧/冷轧+热处理，得到高铬钼时效强化型镍基合金。

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；固溶强化元素溶入镍基体产生固溶强化，镍与时效强化元素形成强化相。

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，提高耐蚀性能，尤其是提高耐点蚀性能。

钼：固溶强化；提高耐蚀性能，尤其是提高耐点蚀性能。

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。

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；铝提高抗氧化性能。

铌：时效过程中，析出弥散分布的Ni₃Nb，提高强度；形成Ni₃（Ti, Al, Nb）提高强度。

硼、锆、镁：净化晶界；提高高温力学性能；提高工艺性能。

本发明所述合金的有益效果：

（1）采用析出强化的合金设计理念，通过促进合金内部析出大量均匀弥散分布的二次强化相使合金获得良好的强度性能，同时，在确保合金组织稳定性的前提下加入较多的铬元素，进而得到优异的抗氧化和耐腐蚀性能。

（2）为了提升固溶强化效果、提高抗氧化性能和耐蚀性能，尽量提高铬含量（常规高温合金的铬含量10～20%，本发明最低铬含量24%以上）；为了确保高温使用过程中材料组织稳定性，控制铬含量低于30%，避免生成α-Cr，且时效过程中不析出TCP相。

（3）保证成型等工艺性能的前提下，尽量提高钼含量，以提升固溶强化效果和耐蚀性能；碳、硅、锰、硼、锆、镁等工艺元素配合使用，提高纯净度和工艺性能；保证足够的时效强化元素加入了，且铝、钛、铌等时效强化元素配合使用，生成多种强化相，提高强化效果；适量加入固溶强化和时效强化元素，起到复合强化效果。

（4）与传统的时效强化型合金相比，本发明合金材料中铬、钼含量较高，耐蚀性能更好。

经申请人实验验证，所述合金的Cr%+1.5×（Mo%+Nb%）≥40，耐点蚀当量高，并且力学性能好。本发明所述镍基合金具有良好的耐蚀性能、抗氧化性能、热稳定性和高温力学性能等，可作为高温合金、耐蚀合金使用，也可用于高温、高压、腐蚀同时存在及其他复杂工况下使用的合金材料，具有抗氧化性强、热稳定性好、强度高等特点。

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为实施例1所述合金的显微组织图；

图2为实施例2所述合金的显微组织图；

图3为实施例3所述合金的显微组织图；

图4为实施例4所述合金的显微组织图。

具体实施方式

实施例1

（1）按照各组分重量百分含量为：C：0.08%、Si：0.4%、Mn：0.5%、Cr：28.9%、Mo：7.5%、Al：1.5%、Ti：1.1%、Fe：1.8%、Zr：0.06%、Mg：0.01%、B：0.002%、Nb：3.1%、Ta：0.3%，余量Ni，取各组分，采用真空感应熔炼+电渣重熔工艺冶炼，再经锻造+热轧+热处理，得到高铬钼时效强化型镍基合金。

（2）Cr%+1.5×（Mo%+Nb%）=44.8，耐点蚀当量高。

（3）工艺性好，锻造和热轧成材率≥82%。

（4）显微组织：奥氏体+碳氮化物（参见图1）。

（5）力学性能：室温，抗拉强度≥930MPa，伸长率≥30%，硬度≥260HB，冲击功≥50J；850℃，抗拉强度≥380MPa，屈服强度≥300MPa，伸长率≥40%。

实施例2

（1）按照各组分重量百分含量为：C：0.03%、Si：0.3%、Mn：0.6%、Cr：29.8%、Mo：7.8%、Al：1.2%、Ti：0.9%、Fe：1.2%、Zr：0.04%、Mg：0.008%、B：0.002%、Nb：3.0%、Ta：0.1%，余量Ni，取各组分，采用真空感应熔炼+真空自耗重熔工艺冶炼，再经锻造+热轧+热处理，得到高铬钼时效强化型镍基合金。

（2）Cr%+1.5×（Mo%+Nb%）=45，耐点蚀当量高，碳含量低，耐蚀性优异。

（3）工艺性好，锻造和热轧成材率≥75%。

（4）显微组织：奥氏体+碳氮化物（参见图2）。

（5）力学性能：室温，抗拉强度≥900MPa，伸长率≥30%，硬度≥250HB，冲击功≥60J；850℃，抗拉强度≥350MPa，屈服强度≥270MPa，伸长率≥60%。

实施例3

（1）按照各组分重量百分含量为：C：0.05%、Si：0.3%、Mn：0.6%、Cr：25.3%、Mo：7.5%、Al：1.3%、Ti：0.9%、Fe：2.5%、Zr：0.04%、Mg：0.01%、B：0.003%、Nb：2.5%，余量Ni，取各组分，采用真空感应熔炼+电渣重熔工艺冶炼，再经锻造+热轧+热处理，得到高铬钼时效强化型镍基合金。

（2）Cr%+1.5×（Mo%+Nb%）=40.3，耐点蚀当量高。

（3）工艺性好，锻造和热轧成材率≥93%。

（4）显微组织：奥氏体+碳氮化物；850~900℃保温100~500h后，显微组织无明显变化，组织稳定（参见图3）。

（5）力学性能：室温，抗拉强度≥870MPa，伸长率≥35%，硬度≥240HB，冲击功≥60J；850℃，抗拉强度≥260MPa，屈服强度≥210MPa，伸长率≥90%。

实施例4

（1）按照各组分重量百分含量为：C：0.06%、Si：0.6%、Mn：0.4%、Cr：29.0%、Mo：7.1%、Al：2.1%、Ti：0.8%、Fe：0.9%、Zr：0.07%、Mg：0.01%、B：0.003%、Nb：3.3%、Ta：0.4%，余量Ni，取各组分，采用真空感应熔炼+真空自耗重熔工艺冶炼，再经锻造+热轧/冷轧+热处理，得到高铬钼时效强化型镍基合金。

（2）Cr%+1.5×（Mo%+Nb%）=44.6，耐点蚀当量高；Cr、Al含量高，抗氧化性能优异。

（3）锻造和热轧成材率≥70%。

（4）显微组织：奥氏体+碳氮化物（参见图4）。

（5）力学性能：室温，抗拉强度≥950MPa，伸长率≥25%，硬度≥280HB，冲击功≥40J；850℃，抗拉强度≥400MPa，屈服强度≥320MPa，伸长率≥40%。

结论： 本发明镍基合金铬、钼元素含量高，耐腐蚀性能好；铬、铝含量高，抗氧化性能好；通过控制铬、钼、钛、铝等元素含量，有效控制了α-Cr和TCP相等有害相；显微组织中存在碳氮化物，对晶界起到了钉扎作用，细化了晶粒。本发明合金综合力学性能优良，室温力学性能：抗拉强度≥870MPa，伸长率≥25%，硬度≥240HB，冲击功≥40J；850℃力学性能：抗拉强度≥260MPa，屈服强度≥210MPa，伸长率≥40%。因此，本发明所述镍基合金良好的耐蚀性能、抗氧化性能、热稳定性和高温力学性能，可保证其在高温、高压、腐蚀同时存在及其他复杂工况下的使役性能。

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 (5)

1.一种高铬钼时效强化型镍基合金，其特征在于，该合金各组分重量百分含量为：C：0.03～0.1%、Si：0.3～1.0%、Mn：0.4～1.0%、Cr：24.0～30.0%、Mo：7.0～8.0%、Al：1.0～2.5%、Ti：0.5～2.0%、Fe：0.9～5.0%、Zr≤0.1%、Mg≤0.05%、B≤0.005%、Nb+Ta：2.0～4.0%，余量Ni，该合金的 Cr%+1.5×（Mo%+Nb%）≥40。

2.根据权利要求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：0.03～0.05%、Si：0.3～1.0%、Mn：0.6～1.0%、Cr：27.0～30.0%、Mo：7.5～8.0%、Al：1.0～1.5%、Ti：0.5～0.9%、Fe：1.2～5.0%、Zr≤0.1%、Mg≤0.05%、B≤0.005%、Nb+Ta：2.0～4.0%，余量Ni。

3.根据权利要求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：0.05～0.1%、Si：0.3～0.5%、Mn：0.4～0.6%、Cr：25.0～27.0%、Mo：7.0～7.5%、Al：1.2～1.5%、Ti：0.8～1.5%、Fe：2.5～3.0%、Zr≤0.1%、Mg≤0.05%、B≤0.005%、Nb+Ta：2.5～3.5%、余量Ni。

4.根据权利要求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：0.04～0.08%、Si：0.5～1.0%、Mn：0.4～0.5%、Cr：26.0～29.0%、Mo：7.0～7.5%、Al：1.8～2.5%、Ti：0.5～1.0%、Fe≤3.0%、Zr≤0.1%、Mg≤0.05%、B≤0.005%、Nb+Ta：2.5～3.7%，余量Ni。

5.根据权利要求1-4任一所述的合金，其特征在于，合金中Al%+Ti%+Nb%+Ta%之和为4～7。

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