CN116287869A

CN116287869A - 一种镍基高温合金及其制备方法和应用

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Publication number: CN116287869A
Application number: CN202211091665.9A
Authority: CN
Inventors: 束国刚; 文新理; 刘西河; 安杨; 刘伟; 李国超; 余志勇; 邓睿; 陆民刚; 魏然; 段方苗; 习小军
Original assignee: Beijing Beiye Functional Materials Corp; China United Heavy Gas Turbine Technology Co Ltd
Current assignee: Beijing Beiye Functional Materials Corp; China United Heavy Gas Turbine Technology Co Ltd
Priority date: 2022-09-07
Filing date: 2022-09-07
Publication date: 2023-06-23

Abstract

本发明公开了一种镍基高温合金，包括：C：0.04‑0.08％、Cr：18.00‑21.50％、Co：8.00‑12.00％、Mo：7.00‑9.00％、Al：1.20‑1.80％、Ti：1.90‑2.10％、Nb：0.02‑0.1％、W：0.8‑1.8％，Zr：0.07‑0.1％，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，所述合金中元素B和Zr的质量百分含量满足关系式：0.11％＜10B+Zr＜0.158％。本发明的镍基高温合金，具有优异的力学性能、抗蠕变性能、持久寿命和凝固性能，能够满足航空发动机和燃气轮机的要求，适用于制造航空发动机和燃气轮机的精密热端部件以及火箭发动机、超超临界燃煤电站和汽车发动机。

Description

一种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，具体涉及一种镍基高温合金，特别地还涉及该镍基高温合金的制备方法，进一步地，还涉及该镍基高温合金的应用。

背景技术

随着航空发动机和燃气轮机设计水平和应用技术的不断发展，燃气初温越来越高，未来的燃气初温将达到1600～1700℃，航空发动机和燃气轮机精密热端部件合金本体承受的温度也将达到800～950℃，因此对合金800～950℃高温力学性能的要求日益严苛。

目前的高温合金虽然具有良好的加工性能，但这些合金大多只能在800℃以下长期服役，在800℃以上存在高温性能不足的问题，例如：在更高温度下组织将失去稳定性而发生性能劣化，强化相γ′含量高、析出速度快，在坯料的热加工(锻造、热轧)、热处理以及零件的冷加工(冷弯、车削、焊接等)难度都比较大，不适用于制造航空发动机和燃气轮机中需要经历复杂加工工艺的精密热端部件。

因此，急需对镍基高温合金的综合性能进行研究改进。

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：目前对航空发动机和燃气轮机的精密热端部件的高温性能具有严格的要求，但现有的合金还无法满足这一要求，有必要对高温合金进行技术改进，以提高高温合金的综合性能。

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，本发明实施例提出一种镍基高温合金，该合金具有优异的力学性能、抗蠕变性能、持久寿命和凝固性能，能够满足航空发动机和燃气轮机的要求，适用于制造航空发动机和燃气轮机的精密热端部件，并且可以用于制造火箭发动机、超超临界燃煤电站或汽车发动机。

本发明实施例的镍基高温合金，包括：C：0.04-0.08％、Cr：18.00-21.50％、Co：8.00-12.00％、Mo：7.00-9.00％、Al：1.20-1.80％、Ti：1.90-2.10％、Nb：0.02-0.1％、W：0.8-1.8％，Zr：0.07-0.1％，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。

本发明实施例的镍基高温合金带来的优点和技术效果：1、本发明实施例的合金中，增加了Zr元素的用量，Zr偏聚到晶界，减少晶界缺陷，提高晶界结合力，降低晶界扩散速率，从而减缓位错攀移，强化晶界；同时，Zr偏聚到晶界，能够降低界面能，改变晶界相的形态，减小晶界相的尺寸，有效组织晶粒沿晶界滑动，从而提高持久寿命，改善持久塑性，消除缺口敏感性，此外，Zr还可以作为一种净化剂，与C、S结合形成一次硫化物或碳硫化物，使合金中的C、S含量降低，加入合金中的Zr大部分进入γ'相，使γ'相溶解温度提高、含量增加，但Zr添加过多，将明显增加定向凝固母合金凝固结晶时的热裂纹倾向，因此本发明实施例中，Zr的添加量控制在0.07-0.1％；2、本发明实施例中，限制W含量为0.8-1.8％，在镍基高温合金中W溶解于γ基体和γ'相各占大约一半，W原子半径较大，比Ni、Co和Fe的原子半径大10～13％，W原子在高温合金基体中要引起晶格明显膨胀，形成较大的长程应力场，阻止位错运动，屈服强度明显提高；W明显降低γ基体的层错能，因此可有效改善高温合金的蠕变性能，随着W含量的增加，层错能明显降低，抗蠕变性能明显改善，除上述固溶强化作用外，W原子将进入γ'相，并影响其他元素在γ基体和γ'相之间分配，改变γ基体和γ'相晶格常数和错配度，提高合金强度，但过多的W将促进M6C和μ相的生成，这些都将影响合金的力学性能，因此，限定W含量为0.8-1.8％；3、本发明实施例中，限定了Mo含量，与W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，因此控制Mo含量为7.00-9.00％；4、本发明实施例的合金，通过合理的各元素配比，获得了综合性能优异的高温合金，能够用于制造航空发动机和燃气轮机的精密热端部件，并且也可以用于制造火箭发动机、超超临界燃煤电站或汽车发动机。

在一些实施例中，所述合金中元素B和Zr的质量百分含量满足关系式：0.11％＜10B+Zr＜0.158％。

在一些实施例中，所述合金中元素B和Zr的质量百分含量满足关系式：0.14％＜10B+Zr＜0.158％。

在一些实施例中，所述W含量为1.3-1.8％。

在一些实施例中，所述Zr含量为0.09-0.1％。

在一些实施例中，所述杂质为Fe≤1.50％，Si≤0.10％，Mn≤0.10％，P≤0.008％，S≤0.008％，Cu≤0.20％。

本发明实施例还提供了一种镍基高温合金的制备方法，包括如下步骤：

a、取设计配比的原料熔炼、精炼，浇铸成合金锭；

b、将所述步骤a得到的合金锭锻造开坯成电极棒，重熔得到合金锭，锻造开坯，加工后进行热处理。

本发明实施例的镍基高温合金的制备方法带来的优点和技术效果：本发明实施例的方法，制备方法简单，易于应用，制得的镍基高温合金，具有优异的力学性能、抗蠕变性能、持久寿命和凝固性能，能够满足航空发动机、燃气轮机、火箭发动机等的要求。

在一些实施例中，所述步骤b中，所述热处理包括固溶处理和时效处理。

本发明实施例还提供了一种镍基高温合金在航空发动机或燃气轮机中的应用。

本发明实施例的镍基高温合金满足了航空发动机或燃气轮机设计和使用的要求，能够应用在航空发动机或燃气轮机的精密设备中。

本发明实施例还提供了一种镍基高温合金在火箭发动机、超超临界燃煤电站或汽车发动机中的应用。

本发明实施例的镍基高温合金性能优异，能够应用在火箭发动机、超超临界燃煤电站或汽车发动机中。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，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。

本发明实施例的镍基高温合金，其包括：C：0.04-0.08％、Cr：18.00-21.50％、Co：8.00-12.00％、Mo：7.00-9.00％、Al：1.20-1.80％、Ti：1.90-2.10％、Nb：0.02-0.1％、W：0.8-1.8％，Zr：0.07-0.1％，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。

本发明实施例的镍基高温合金，增加了Zr元素的用量，Zr偏聚到晶界，减少晶界缺陷，提高晶界结合力，降低晶界扩散速率，从而减缓位错攀移，强化晶界；同时，Zr偏聚到晶界，能够降低界面能，改变晶界相的形态，减小晶界相的尺寸，有效组织晶粒沿晶界滑动，从而提高持久寿命，改善持久塑性，消除缺口敏感性，此外，Zr还可以作为一种净化剂，与C、S结合形成一次硫化物或碳硫化物，使合金中的C、S含量降低，加入合金中的Zr大部分进入γ'相，使γ'相溶解温度提高、含量增加，但Zr添加过多，将明显增加定向凝固母合金凝固结晶时的热裂纹倾向，因此本发明实施例中，Zr的添加量控制在0.07-0.1％；本发明实施例中，限制W含量为0.8-1.8％，在镍基高温合金中W溶解于γ基体和γ'相各占大约一半，W原子半径较大，比Ni、Co和Fe的原子半径大10～13％，W原子在高温合金基体中要引起晶格明显膨胀，形成较大的长程应力场，阻止位错运动，屈服强度明显提高；W明显降低γ基体的层错能，因此可有效改善高温合金的蠕变性能，随着W含量的增加，层错能明显降低，抗蠕变性能明显改善，除上述固溶强化作用外，W原子将进入γ'相，并影响其他元素在γ基体和γ'相之间分配，改变γ基体和γ'相晶格常数和错配度，提高合金强度，但过多的W将促进M6C和μ相的生成，这些都将影响合金的力学性能，因此，限定W含量为0.8-1.8％；本发明实施例中，限定了Mo含量，与W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，因此控制Mo含量为7.00-9.00％；本发明实施例的合金，通过合理的各元素配比，获得了综合性能优异的高温合金，能够用于制造航空发动机和燃气轮机的精密热端部件，并且也可以用于制造火箭发动机、超超临界燃煤电站或汽车发动机。

在一些实施例中，所述合金中元素B和Zr的质量百分含量满足关系式：0.11％＜10B+Zr＜0.158％，进一步优选为，0.14％＜10B+Zr＜0.158％。本发明实施例中，优选地，可以进一步限制B和Zr的关系满足0.11％＜10B+Zr＜0.158％，B与Zr单独添加时均能显著改善合金的持久寿命、持久塑性和抗蠕变变形能力，二者的综合添加，效果优于单独添加，将进一步改善合金的持久寿命，但当B和Zr综合添加过多时，易于在晶界形成薄膜状脆性相，反而对合金塑性不利，同时易于出现凝固裂纹。

在一些实施例中，所述W含量优选为1.3-1.8％；所述Zr含量优选为0.09-0.1％。本发明实施例中，优化了W和Zr的含量，有利于进一步提高合金的综合性能。

在一些实施例中，所述杂质为Fe≤1.50％，Si≤0.10％，Mn≤0.10％，P≤0.008％，S≤0.008％，Cu≤0.20％。本发明实施例中，限制了杂质元素的含量，不会对合金的性能造成影响。

a、取设计配比的原料熔炼、精炼，浇铸成合金锭；

本发明实施例的镍基高温合金的制备方法，制备方法简单，易于应用，制得的镍基高温合金，具有优异的力学性能、抗蠕变性能、持久寿命和凝固性能，能够满足航空发动机、燃气轮机、火箭发动机等的要求。

本发明实施例还提供了一种镍基高温合金在航空发动机或燃气轮机中的应用。本发明实施例的镍基高温合金满足了航空发动机或燃气轮机设计和使用的要求，能够应用在航空发动机或燃气轮机的精密设备中。

本发明实施例还提供了一种镍基高温合金在火箭发动机、超超临界燃煤电站或汽车发动机中的应用。本发明实施例的镍基高温合金性能优异，能够应用在火箭发动机、超超临界燃煤电站或汽车发动机中。

下面结合实施例详细描述本发明。

实施例1

按设计配比称取原材料，装入熔炼炉中，真空熔炼，原料全部融化后，精炼去除气体；精炼结束后，在真空条件下浇铸成合金锭；将合金锭锻造开坯成电极棒，重熔后得到合金锭，锻造开坯，锻造、轧制成20mm厚板材，经1150℃固溶1h，水冷，再进行1010℃×2h空冷+788℃×8h空冷的时效处理，得到镍基高温合金，合金成分见表1，性能见表2。

实施例2-10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2-10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W含量为0.03，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W含量为0.01，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Zr含量为0.03，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Zr含量为0.012，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W含量为0.05％，Zr为0.02％，对比例1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W含量为0.08％，Zr为0.045％，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W含量为2.3％，Zr为0.015％，对比例7制得的合金成分见表1，性能见表2。

对比例8

对比例8与实施例1的制备方法相同，不同之处在合金成分中，元素W含量为0.03％，Zr为0.15％，对比例8制得的合金成分见表1，性能见表2。

对比例9

对比例9与实施例1的制备方法相同，不同之处在合金成分中，元素W含量为2.10％，Zr为0.12％，对比例9制得的合金成分见表1，性能见表2。

对比例10

对比例10与实施例1的制备方法相同，不同之处在合金成分中，元素W含量为2.20％，Zr为0.14％，对比例10制得的合金成分见表1，性能见表2。

表1

注：表中各元素的含量均以wt％计。

表2

注：1、ε_p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；

3、R_p0.2为时效态合金的室温拉伸屈服强度、R_m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、凝固裂纹的检测条件为：钢锭浇铸后带模冷却8h，脱模后检测表面。

5、表中10B+Zr以wt％计。

根据表1和表2可以看出，实施例1-10中，蠕变塑性伸长率均在0.2％以下，在89MPa、927℃条件下，合金的持久寿命均达到了330h以上，室温拉伸屈服强度均大于750MPa，室温拉伸抗拉强度均大于1100MPa，室温拉伸断后伸长率A均大于30％，均无凝固裂纹，综合性能优异。

对比例1-2中，W元素加入量较低，导致合金的蠕变性能变差，超过0.8％，持久寿命仅能达到200h左右；对比例3-4中，Zr元素的加入量较少，合金的蠕变性能良好，但持久寿命仅能达到200h左右；对比例5-6中，W和Zr元素的加入量较少，导致合金的蠕变性能严重变差，均超过了0.8％，并且持久寿命偏低，不足200h；对比例7中，加入了较多的W元素，减少了Zr元素加入量，持久寿命仅能达到220h；对比例8中，减少了W用量，增加了Zr元素用量，虽然持久寿命可以达到460h，但蠕变性能差呈现下降，室温拉伸断后伸长率A也严重下降，仅为15％，并且出现凝固裂纹；对比例9和10中，均增加了W和Zr元素的用量，虽然具有优异的蠕变性能和持久寿命，但延伸率A严重下降，不足20％，并且出现凝固裂纹。

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。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，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，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims

1.一种镍基高温合金，其特征在于，包括：C：0.04-0.08％、Cr：18.00-21.50％、Co：8.00-12.00％、Mo：7.00-9.00％、Al：1.20-1.80％、Ti：1.90-2.10％、Nb：0.02-0.1％、W：0.8-1.8％，Zr：0.07-0.1％，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。

2.根据权利要求1所述的镍基高温合金，其特征在于，所述合金中元素B和Zr的质量百分含量满足关系式：0.11％＜10B+Zr＜0.158％。

3.根据权利要求2所述的镍基高温合金，其特征在于，所述合金中元素B和Zr的质量百分含量满足关系式：0.14％＜10B+Zr＜0.158％。

4.根据权利要求1所述的抗蠕变、长寿命镍基变形高温合金，其特征在于，所述W含量为1.3-1.8％。

5.根据权利要求1所述的抗蠕变、长寿命镍基变形高温合金，其特征在于，所述Zr含量为0.09-0.1％。

6.根据权利要求1所述的镍基高温合金，其特征在于，所述杂质为Fe≤1.50％，Si≤0.10％，Mn≤0.10％，P≤0.008％，S≤0.008％，Cu≤0.20％。

7.一种权利要求1-6中任一项所述的镍基高温合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

a、取设计配比的原料熔炼、精炼，浇铸成合金锭；

8.根据权利要求7所述的镍基高温合金的制备方法，其特征在于，所述步骤b中，所述热处理包括固溶处理和时效处理。

9.权利要求1-6中任一项所述的镍基高温合金在航空发动机或燃气轮机中的应用。

10.权利要求1-6中任一项所述的镍基高温合金在火箭发动机、超超临界燃煤电站或汽车发动机中的应用。