CN116463539A - 一种高温强度优异的中熵高温合金及其制备方法与应用 - Google Patents
一种高温强度优异的中熵高温合金及其制备方法与应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116463539A CN116463539A CN202310437339.7A CN202310437339A CN116463539A CN 116463539 A CN116463539 A CN 116463539A CN 202310437339 A CN202310437339 A CN 202310437339A CN 116463539 A CN116463539 A CN 116463539A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- temperature
- alloy
- entropy
- percent
- medium
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000000956 alloy Substances 0.000 title claims abstract description 173
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 172
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 15
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims abstract description 4
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims description 36
- 229910000601 superalloy Inorganic materials 0.000 claims description 32
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 30
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims description 25
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 claims description 23
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 claims description 20
- 238000007670 refining Methods 0.000 claims description 12
- 238000005097 cold rolling Methods 0.000 claims description 9
- 238000005098 hot rolling Methods 0.000 claims description 9
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims description 7
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims description 7
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 4
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 4
- 238000009966 trimming Methods 0.000 claims description 4
- 238000007599 discharging Methods 0.000 claims description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims 4
- 230000002431 foraging effect Effects 0.000 claims 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 abstract description 10
- 238000003466 welding Methods 0.000 abstract description 9
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 abstract description 2
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 54
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 31
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 30
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 30
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 24
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 13
- 101000912561 Bos taurus Fibrinogen gamma-B chain Proteins 0.000 description 12
- 238000013461 design Methods 0.000 description 12
- 238000005242 forging Methods 0.000 description 10
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 9
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 9
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 7
- 238000000034 method Methods 0.000 description 7
- 230000008569 process Effects 0.000 description 7
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 6
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 6
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 5
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 5
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 5
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 4
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 4
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 4
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 4
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 4
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 4
- 238000001953 recrystallisation Methods 0.000 description 4
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 3
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 3
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 3
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 3
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 3
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 3
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 3
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 3
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 3
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 3
- 229910001325 element alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 230000002195 synergetic effect Effects 0.000 description 2
- 238000003723 Smelting Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 210000000795 conjunctiva Anatomy 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 230000002939 deleterious effect Effects 0.000 description 1
- 230000001627 detrimental effect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 230000001771 impaired effect Effects 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 150000002815 nickel Chemical group 0.000 description 1
- 230000001376 precipitating effect Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 230000003245 working effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C30/00—Alloys containing less than 50% by weight of each constituent
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
- C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
- C21D1/74—Methods of treatment in inert gas, controlled atmosphere, vacuum or pulverulent material
- C21D1/773—Methods of treatment in inert gas, controlled atmosphere, vacuum or pulverulent material under reduced pressure or vacuum
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
- C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
- C21D9/52—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for wires; for strips ; for rods of unlimited length
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C1/00—Making non-ferrous alloys
- C22C1/02—Making non-ferrous alloys by melting
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C1/00—Making non-ferrous alloys
- C22C1/06—Making non-ferrous alloys with the use of special agents for refining or deoxidising
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C19/00—Alloys based on nickel or cobalt
- C22C19/03—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel
- C22C19/05—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium
- C22C19/051—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W
- C22C19/055—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W with the maximum Cr content being at least 20% but less than 30%
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
Abstract
本发明公开了一种高温强度优异的中熵高温合金及其制备方法与应用，具体涉及冶金技术领域。所述合金包括：Co：27.0～30.5％，Cr：25.0～28％，Al：1.0～3.5％，Ti：1.0～4.0％，Ta：0.5～2.2％，W：1.2～3.4％，Mo：2.0～4.0％，Nb：1.0～2.5％，C：0～0.085％，余量Ni及不可避免的杂质。本发明的合金具有优异的高温强度和持久寿命等性能，同时具有易加工成型和易焊接等优点，能够满足航空发动机和燃气轮机热端部件的使用需求。
Description
技术领域
本发明涉及冶金技术领域，具体涉及一种高温强度优异的中熵高温合金及其制备方法与应用。
背景技术
高熵合金最早是1995年由叶均蔚提出，直至2004年才开始发展的一种新型合金材料，与传统材料不同，它由5～13种主要元素组成，组成元素具有相等或近似相等的原子比，因此也可称为多主元合金。多主元合金产生的高熵效应使得高熵合金具有简单的单相固溶组织，同时各种元素同时存在所产生的晶格畸变具有大量固溶强化效果，使得高熵合金拥有其他许多合金所不具有的性能优势，在硬度、耐高温、耐腐蚀以及耐磨损等性能方面表现优良，成为科学界广泛关注和探索的对象。
尽管高熵合金性能优异，但普遍强韧性匹配较差。例如，FeCoNiCrMn高熵合金的拉伸塑形可达60％，但其抗拉强度却低于500MPa；而AlCoCrFeNiTi0.5高熵合金的压缩强度高达3200MPa，但几乎无拉伸塑性。Ti元素和Al元素的微量加入都能促进第二相的析出，从而强化高熵合金性能，但是并不是对所有的高熵合金都能提高强韧性匹配。如对AlFeCrCoCu合金，加入Ti元素可显著提升合金的硬度，但几乎无拉伸塑性。已有的AlCrFeNiV体系高熵合金，虽然具有一定的强韧性匹配效果，但是对于实际应用还不足够。正是由于这些原因，限制了高熵合金的发展和工程应用。
目前高熵合金领域的研究越来越多转移到中熵合金上，中熵合金是由2～4种元素等原子比熔融而成，结构熵在1～1.5R之间。例如三元CrCoNi中熵合金是单一面心立方结构(FCC)固溶体，与五元FeCoNiCrMn高熵合金相比具有更优异的强度和塑性。另外，该合金Cr含量高，具有较好的抗氧化、抗腐蚀性能；此外添加了金属元素Nb，有助于合金的碳化物强化和析出强化。但是，目前该中熵合金高温强度和塑性仍然偏低。
中国专利CN202111423519.7，一种镍基合金及其制备方法与应用，是需要经过锻造，合金锻造过程中表面裂纹少，塑性好，成材率高；但是通过锻造，多道次轧制，最终得到的合金带材虽然在室温下具有较高的强度，但是塑性极差，并且并未对其高温性能进行研究，限制了该合金的应用。
因此，如何通过位错强化、析出强化等强化手段进一步提高该合金强度，推动其在高温结构材料领域的应用是目前亟需解决的问题。
发明内容
为此，本发明提供一种高温强度优异的中熵高温合金及其制备方法与应用，以解决现有中熵合金需要锻造，强度偏低等问题。
中熵高温合金指的是由3种主要元素组成，组成元素具有相等或近似相等的原子比，并且在600℃以上具有较高的强度和良好的持久性能、抗腐蚀能力的合金。虽然现有的中熵高温合金的室温性能较佳，但随着各行业对高温合金的耐高温要求越来越高，现有技术中中熵高温合金无法满足使用需求，需要制备耐更高温度的中熵高温合金来满足使用需求。为此，本发明提供一种高温强度优异的中熵高温合金及其制备方法与应用，解决现有中熵合金面临的高温强度不足、持久性能差等技术问题。
1、本发明实施例中，Cr、Co和Ni以等摩尔原子百分比添加，保持了较高的熵值，起着强烈的固溶强化效果；同时进一步添加W、Mo元素进行固溶强化来提高合金的高温强度，另外通过添加Al、Ti和Ta三种γ’相形成元素，使合金在800～850℃具有稳定存在的纳米级γ’相起沉淀强化作用，再通过合理搭配C晶界强化元素，显著提高了该合金的高温强度和持久性能。
2、本发明实施例中，加入了Nb元素，Nb在中熵高温合金中不仅是固溶强化元素，还是γ’强化相形成元素，随Nb含量的增加，γ’数量增加，高温强度和持久性能提高。另外，Nb还会与C结合形成MC型碳化物，在高温时阻碍晶界长大和晶界滑动，起到提高高温力学性能的作用，但Nb同时会形成大颗粒MC型碳化物，对合金的力学性能反而不利，并且过多的Nb会损害焊接性能，使得合金的应变时效开裂敏感性增强，表现为容易出现焊接裂纹缺陷，综合考虑Nb的作用，在本发明实施例中添加1.0～2.5％Nb。
3、本发明实施例中，中熵高温合金具有较宽的热加工窗口400℃～430℃，合金锻造过程中表面裂纹少，塑性好，成材率高。通过控制Al、Ti、Ta和Nb元素的含量，在充分起到时效强化效果的同时，保证合金具有良好的加工性能，控制γ’相呈纳米颗粒弥散分布。
4、本发明实施例中，中熵高温合金通过Cr、Co、W、Mo、Nb等元素的固溶强化作用，以及Al、Ti、Ta和Nb元素的时效强化作用，800℃下抗拉强度640～870MPa，满足了先进航空发动机和燃气轮机设计和使用的要求。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
根据本发明第一方面提供的一种高温强度优异的中熵高温合金，所述高温强度优异的中熵高温合金中，以重量百分比计，包括：Co：27.0～30.5％，余量Ni及不可避免的杂质，Cr：25.0～28％，Al：1.0～3.5％，Ti：1.0～4.0％，Ta：0.5～2.2％，W：1.2～3.4％，Mo：2.0～4.0％，Nb：1.0～2.5％，C：0～0.085％。
进一步的，所述高温强度优异的中熵高温合金中，Cr:Co:Ni的重量百分比为1:1:1。
进一步的，所述高温强度优异的中熵高温合金中，Ta、W、Mo和Nb的重量百分含量满足关系式5.34％≤Ta+W+Mo+Nb≤9.26％。
加入W、Mo固溶强化元素，既可固溶于合金基体又可固溶于γ’强化相，同时可提高原子间结合力，提高扩散激活能和再结晶温度，从而有效提高高温强度。但W、Mo含量过高时长期高温使用易于生成脆性相而降低合金韧性。Ta和Nb是形成γ’强化相的主要元素，能够大幅度提高合金的沉淀强化效果，明显提高γ’相完全溶解温度、体积分数和稳定性，增强合金高温力学性能。但是过高的Ta和Nb会析出η相，不利于组织稳定。另外，Ta和Nb会明显降低固相线温度，缩小热加工窗口，不利于合金热加工性能，且Ta的密度很高，过多的加入会导致合金密度显著升高，因此综合考虑5.34％≤Ta+W+Mo+Nb≤9.26％。
进一步的，所述高温强度优异的中熵高温合金中，所述Al、Ti和Ta的重量百分含量满足关系式1.2％≤(0.76Al-Ta)/2Ti≤5.9％。优选的，所述Al、Ti和Ta的重量百分含量满足关系式1.4％≤(0.76Al-Ta)/2Ti≤5.8％。能最大程度发挥Al、Ta和Ti的协同作用，制得的中熵高温合金具有更加优异的综合性能，能够满足先进航空发动机和燃气轮机设计和使用的要求。
根据本发明第二方面提供的一种高温强度优异的中熵高温合金的制备方法，包括：
步骤一，将Co、Ni、Cr、W、Mo、Nb、Ta以及部分C原料进行混合加热，排出附着在原料上的气体；
步骤二，将排出气体的原料加热至熔化状态，再升温，进行高温精炼后，停止加热，使得熔化原料结膜；
步骤三，对结膜材料进行升高温度，使得熔化原料破膜后，加入Al、Ti和剩余部分C原料，混合均匀；混合原料再次进行精炼处理，得精炼原料；
步骤三，对精炼原料，控制温度进行浇注，获得扁坯；
步骤四，对所述扁坯精整、热轧、退火软化处理，再次精整、冷轧、中间热处理和切边，得到合金带材；
步骤五，将所述合金带材进行热处理，形成所述高温强度优异的中熵高温合金。
进一步的，所述步骤一中，混合加热是在真空度≤0.5Pa的环境中进行。
进一步的，所述步骤二中，加热熔化是在真空度≤0.5Pa环境中进行；和/或，高温精炼得条件是1530～1600℃，高温精炼20-30min。
进一步的，所述步骤三中，高温精炼的温度为1580～1600℃。
进一步的，所述步骤五中，热处理的条件为800～850℃时效10～15h。
根据本发明第三方面提供的一种高温强度优异的中熵高温合金在航空发动机、燃气轮机中的应用。
本发明实施例中的高温强度优异的中熵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热端部件中。本发明实施例中的高温强度优异的中熵高温合金满足了先进燃气轮机设计和使用的要求，能够应用在先进燃气轮机的热端部件中。
本发明具有如下优点：
本发明的高温强度优异的中熵高温合金中，Cr、Co和Ni以等摩尔原子百分比添加，保持了较高的熵值，起着强烈的固溶强化效果；同时进一步添加W、Mo元素进行固溶强化来提高合金的高温强度，另外通过添加Al、Ti和Ta三种γ’相形成元素，使合金在800～850℃具有稳定存在的纳米级γ’相起沉淀强化作用，再通过合理搭配C晶界强化元素，显著提高了该合金的高温强度和持久性能。本发明实施例中，加入了Nb元素，Nb在中熵高温合金中不仅是固溶强化元素，还是γ’强化相形成元素，随Nb含量的增加，γ’数量增加，高温强度和持久性能提高。另外，Nb还会与C结合形成MC型碳化物，在高温时阻碍晶界长大和晶界滑动，起到提高高温力学性能的作用，但Nb同时会形成大颗粒MC型碳化物，对合金的力学性能反而不利，并且，过多的Nb会损害焊接性能，使得合金的应变时效开裂敏感性增强，表现为容易出现焊接裂纹缺陷，综合考虑Nb的作用，在本发明实施例中添加1.0～2.5％Nb。本发明实施例中，中熵高温合金具有较宽的热加工窗口400℃～430℃，合金锻造过程中表面裂纹少，塑性好，成材率高。通过控制Al、Ti、Ta和Nb元素的含量，在充分起到时效强化效果的同时，保证合金具有良好的加工性能，控制γ’相呈纳米颗粒弥散分布。本发明实施例中，中熵高温合金通过Cr、Co、W、Mo、Nb等元素的固溶强化作用，以及Al、Ti、Ta和Nb元素的时效强化作用，800℃下抗拉强度640～870MPa，满足了先进航空发动机和燃气轮机设计和使用的要求。
利用本发明的高温强度优异的中熵高温合金制备方法，制得的高温强度优异的中熵高温合金具有优异的高温拉伸性能、持久寿命，经过无锻造、热轧和冷轧裂纹形成，满足了先进航空发动机和燃气轮机设计和使用的要求。该合金不仅具有较好的高温强度，而且在高温和室温下都具有较好的塑性，在加工过程中没有裂纹产生，便于加工应用，适于工业生产的推广应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
图1为本发明1提供的一种合金扫描电镜图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明合金在成分设计时综合考虑了合金元素对合金的高温力学性能、热加工性能以及抗氧化性能的影响，具体考虑因素如下：
Cr：主要进入γ基体中，起固溶强化作用，还可以通过在晶界上析出颗粒状的M23C6碳化物来强化晶界，Cr的另一个重要作用是保护合金表面不受O、S、盐的作用而产生氧化和热腐蚀。目前耐蚀性较好的合金中一般均有较高的Cr含量。但是Cr是促进脆性σ有害相形成的元素，过高的Cr含量会使合金的组织稳定性变差，因此，Cr含量为25.0～28.0％。
Co：主要固溶于γ基体中，起固溶强化作用，降低基体的堆垛层错能，降低了Al、Ti在基体中的溶解度从而增加了γ＇相的数量，提高了γ＇相的溶解温度，从而显著提高合金的抗蠕变性能。因此Co含量在27.0～30.5％。
Ni：γ＇相形成元素，明显扩大γ/γ＇两相区，提高合金组织稳定性，并且在一定程度上提高γ＇相完全溶解温度。但Ni含量过高，γ＇相的化学组成将更靠近Ni3Al，其粗化速率将增大，因此，Ni余量。
W和Mo：W和Mo均是固溶强化元素，Mo元素主要固溶在基体中，少量进入γ′相或偏聚在晶界，提高合金的屈服强度，同时可提高原子间结合力,提高扩散激活能和再结晶温度,从而有效提高高温强度。W元素能够提高γ′相的稳定性，提高合金的使用温度，其原子半径比较大,比镍原子半径大百分之十几，固溶强化作用明显。但W、Mo元素都是TCP相形成元素，含量过多，容易析出δ相和μ相，降低合金的强度和塑性。因此W为1.2～3.4％，Mo为2.0～4.0％。
Nb和Ta：Nb元素既是固溶强化元素，也是γ’强化相形成元素，随Nb含量的增加，γ’数量增加，高温强度和持久性能提高。另外，Nb还会与C结合形成MC型碳化物，在高温时阻碍晶界长大和晶界滑动，起到提高高温力学性能的作用，Ta明显提高γ＇相完全溶解温度、体积分数和稳定性，增强合金高温力学性能，但Nb同时会形成大颗粒MC型碳化物，对合金的力学性能反而不利，并且，过多的Nb会损害焊接性能，使得合金的应变时效开裂敏感性增强，表现为容易出现焊接裂纹缺陷，Ta会明显降低固相线温度，缩小热加工窗口，不利于合金热加工性能，且Ta的密度很高，过多的加入会导致合金密度显著升高，因此Nb为1.0～2.5％，Ta为0.5～2.2％。
C：晶界强化元素，也是强的脱氧剂，在合金冶炼过程中有利于脱氧，提高合金的纯净度，改善合金加工性能。同时，C能够与部分难熔元素性能碳化物，降低基体过饱和度，有利于组织稳定性。但是C含量过高，将在晶界上形成连续、网状分布的碳化物，不利于合金力学性能，因此，C含量为0～0.085％。
Ta+W+Mo+Nb：加入W、Mo固溶强化元素，既可固溶于合金基体又可固溶于γ’强化相，同时可提高原子间结合力，提高扩散激活能和再结晶温度，从而有效提高高温强度。但W、Mo含量过高时长期高温使用易于生成脆性相而降低合金韧性。Ta和Nb是形成γ’强化相的主要元素，能够大幅度提高合金的沉淀强化效果，明显提高γ’相完全溶解温度、体积分数和稳定性，增强合金高温力学性能。但是过高的Ta和Nb会析出η相，不利于组织稳定。另外，Ta和Nb会明显降低固相线温度，缩小热加工窗口，不利于合金热加工性能，且Ta的密度很高，过多的加入会导致合金密度显著升高，因此综合考虑5.34％≤Ta+W+Mo+Nb≤9.26％。
Al+Ti+Ta：Al、Ti和Ta均是均是γ＇相形成元素，其含量直接影响γ＇相的体积分数以及完全溶解温度，决定合金的高温力学性能。但是过高的Al、Ti和Ta含量不利于合金的加工性能，因此控制1.2％≤(0.76Al-Ta)/2Ti≤5.9％。
本发明实施例的一种高温强度优异的中熵高温合金，所述中熵高温合金中，以重量百分比计，由以下组分组成：Co：27.0～30.5％，余量Ni及不可避免的杂质，Cr：25.0～28％，Al：1.0～3.5％，Ti：1.0～4.0％，Ta：0.5～2.2％，W：1.2～3.4％，Mo：2.0～4.0％，Nb：1.0～2.5％，C：0～0.085％。
本发明实施例中，Cr、Co和Ni以等摩尔原子百分比添加，保持了较高的熵值，起着强烈的固溶强化效果；同时进一步添加W、Mo元素进行固溶强化来提高合金的高温强度，另外通过添加Al、Ti和Ta三种γ’相形成元素，使合金在800～850℃具有稳定存在的纳米级γ’相起沉淀强化作用，再通过合理搭配C晶界强化元素，显著提高了该合金的高温强度和持久性能。本发明实施例中，加入了Nb元素，Nb在中熵高温合金中不仅是固溶强化元素，还是γ’强化相形成元素，随Nb含量的增加，γ’数量增加，高温强度和持久性能提高。另外，Nb还会与C结合形成MC型碳化物，在高温时阻碍晶界长大和晶界滑动，起到提高高温力学性能的作用，但Nb同时会形成大颗粒MC型碳化物，对合金的力学性能反而不利，并且，过多的Nb会损害焊接性能，使得合金的应变时效开裂敏感性增强，表现为容易出现焊接裂纹缺陷，综合考虑Nb的作用，在本发明实施例中添加1.0～2.5％Nb。本发明实施例中，中熵高温合金具有较宽的热加工窗口400℃～430℃，合金锻造过程中表面裂纹少，塑性好，成材率高。通过控制Al、Ti、Ta和Nb元素的含量，在充分起到时效强化效果的同时，保证合金具有良好的加工性能，控制γ’相呈纳米颗粒弥散分布。本发明实施例中，中熵高温合金通过Cr、Co、W、Mo、Nb等元素的固溶强化作用，以及Al、Ti、Ta和Nb元素的时效强化作用，800℃下抗拉强度640～870MPa，满足了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，所述高温强度优异的中熵高温合金的Cr:Co:Ni的重量百分比为1:1:1。
在一些实施例中，优选地，所述高温强度优异的中熵高温合金的Ta、W、Mo和Nb的重量百分含量满足关系式5.34％≤Ta+W+Mo+Nb≤9.26％。
本发明实施例中，加入W、Mo固溶强化元素，既可固溶于合金基体又可固溶于γ’强化相，同时可提高原子间结合力，提高扩散激活能和再结晶温度，从而有效提高高温强度。但W、Mo含量过高时长期高温使用易于生成脆性相而降低合金韧性。Ta和Nb是形成γ’强化相的主要元素，能够大幅度提高合金的沉淀强化效果，明显提高γ’相完全溶解温度、体积分数和稳定性，增强合金高温力学性能。但是过高的Ta和Nb会析出η相，不利于组织稳定。另外，Ta和Nb会明显降低固相线温度，缩小热加工窗口，不利于合金热加工性能，且Ta的密度很高，过多的加入会导致合金密度显著升高，因此综合考虑5.34％≤Ta+W+Mo+Nb≤9.26％。
在一些实施例中，优选地，所述高温强度优异的中熵高温合金的Al、Ti和Ta的重量百分含量满足关系式1.2％≤(0.76Al-Ta)/2Ti≤5.9％。进一步优选地，所述Al、Ti和Ta的重量百分含量满足关系式1.4％≤(0.76Al-Ta)/2Ti≤5.8％。
本发明实施例中，进一步优选了Al、Ta和Ti的质量百分含量满足关系式1.2％≤(0.76Al-Ta)/2Ti≤5.9％，能最大程度发挥Al、Ta和Ti的协同作用，制得的中熵高温合金具有更加优异的综合性能，能够满足先进航空发动机和燃气轮机设计和使用的要求。
本发明实施例还提供了高温强度优异的中熵高温合金在航空发动机中的应用。本发明实施例中的高温强度优异的中熵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热端部件中。
本发明实施例还提供了高温强度优异的中熵高温合金在燃气轮机中的应用。本发明实施例中的高温强度优异的中熵高温合金满足了先进燃气轮机设计和使用的要求，能够应用在先进燃气轮机的热端部件中。
本发明实施例还提供了一种高温强度优异的中熵高温合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)将Co、Ni、Cr、W、Mo、Nb、Ta以及部分C原料置于真空度≤0.5Pa的环境中混合加热，排出附着在原料上的气体；
在真空度≤0.5Pa环境中，加热所述原料至熔化状态，再升温至1530～1600℃，高温精炼20-30min，停止加热，使得熔化原料结膜；
(2)升高温度使得所述熔化原料破膜，加入Al、Ti和剩余部分C原料，混合均匀；
(3)将加入Al、Ti和剩余部分C原料的混合原料在1580～1600℃下精炼；
(4)对精炼后的原料，在1430～1480℃下进行浇注，获得扁坯；
(5)扁坯精整、热轧、退火软化处理、再次精整、冷轧、中间热处理和切边，得到合金带材；
(6)合金带材在800～850℃时效10～15h热处理，形成高温强度优异的中熵高温合金。
本发明实施例的高温强度优异的中熵高温合金制备方法，制得的高温强度优异的中熵高温合金具有优异的高温拉伸性能、持久寿命，经过无锻造、热轧和冷轧裂纹形成，满足了先进航空发动机和燃气轮机设计和使用的要求。该合金不仅具有较好的高温强度，而且在高温和室温下都具有较好的塑性，在加工过程中没有裂纹产生，便于加工应用，适于工业生产的推广应用。
下面结合实施例详细描述本发明。
实施例1
(1)将Co、Ni、Cr、W、Mo、Nb、Ta以及部分C原料置于真空度0.3Pa的环境中混合加热，排出附着在原料上的气体；
在真空度0.2Pa环境中，加热所述原料至熔化状态，再升温至1550℃，高温精炼26min，停止加热，使得熔化原料结膜；
(2)升高温度使得所述熔化原料破膜，加入Al、Ti和剩余部分C原料，混合均匀；
(3)将加入Al、Ti和剩余部分C原料的混合原料在1590℃下精炼；
(4)对精炼后的原料，在1460℃下进行浇注，获得扁坯；
(5)扁坯精整、热轧、退火软化处理、再次精整、冷轧、中间热处理和切边，得到合金带材；
(6)合金带材在850℃时效10h热处理，形成高温强度优异的中熵高温合金。
实施例1制得的合金成分见表1，性能见表2；扫描电镜图如图1所示。
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，合金成分不同，其中Ta+W+Mo+Nb为5.2％，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，合金成分不同，其中Ta+W+Mo+Nb为9.4％，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，合金成分不同，其中Cr:Co:Ni的重量百分比为1:1:1，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，不含有W和Mo元素，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，不含元素Nb元素，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，含有质量分数为2.8％的元素Nb，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，含有质量分数为0.8％的元素Nb，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，含有质量分数为2.3％的元素Ta，对比例4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，含有质量分数为0.4％的元素Ta，对比例5制得的合金成分见表1，性能见表2。
表1所示为实施例1-11的合金成分以及对比例1-6合金成分。
表2所示为实施例1-11的合金成分以及对比例1-6合金的性能表。
表1
表2
从表1和表2的数据中可以看出，本发明实施例控制各元素的含量制备得到的中熵高温合金，865℃高温拉伸抗拉强度均远远高于670MPa，865℃屈服强度也能高于187MPa，具有较好的加工性能，锻造、热轧和冷轧之后没有裂纹产生。
对比例1和2是在合金中不含有W、Mo和Nb元素，对比例1中不含有W和Mo元素，对比例2中不含有Nb元素，由于W、Mo、Nb元素的固溶强化作用，以及Nb元素在高温下形成的γ’相的强化作用，导致合金的高温强度较低，无法满足使用需求。
对比例3和4是在合金中加入元素Nb，对比例3中元素Nb的加入量为2.8％，对比例4中元素Nb的加入量为0.8％，元素Nb能提高高温力学性能，使对比例3合金的865℃高温拉伸强度达到824MPa，但是过多的Nb会损害加工性能，导致热轧和冷轧时出现裂纹缺陷。对比例4中由于Nb含量较低，强化效果较弱，导致合金的高温强度较低，只有487MPa，无法满足使用要求。
对比例5和6是在合金中加入元素Ta，对比例5中元素Ta的加入量为2.3％，对比例6中元素Ta的加入量为0.4％，元素Ta能提高高温力学性能，但是过多的Ta会析出脆性相，导致锻造、热轧和冷轧时出现裂纹缺陷。对比例5中由于Ta含量较低，强化效果较弱，导致合金的高温强度较低，只有320MPa，无法满足使用要求。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种高温强度优异的中熵高温合金，其特征在于，所述高温强度优异的中熵高温合金中，以重量百分比计，包括：Co：27.0～30.5％，Cr：25.0～28％，Al：1.0～3.5％，Ti：1.0～4.0％，Ta：0.5～2.2％，W：1.2～3.4％，Mo：2.0～4.0％，Nb：1.0～2.5％，C：0～0.085％，余量Ni及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述一种高温强度优异的中熵高温合金，其特征在于，所述高温强度优异的中熵高温合金中，Cr:Co:Ni的重量百分比为1:1:1。
3.根据权利要求1所述一种高温强度优异的中熵高温合金，其特征在于，所述高温强度优异的中熵高温合金中，Ta、W、Mo和Nb的重量百分含量满足关系式5.34％≤Ta+W+Mo+Nb≤9.26％。
4.根据权利要求1所述一种高温强度优异的中熵高温合金，其特征在于，所述高温强度优异的中熵高温合金中，所述Al、Ti和Ta的重量百分含量满足关系式1.2％≤(0.76Al-Ta)/2Ti≤5.9％。
5.一种高温强度优异的中熵高温合金的制备方法，其特征在于，包括：
步骤一，将Co、Ni、Cr、W、Mo、Nb、Ta以及部分C原料进行混合加热，排出附着在原料上的气体；
步骤二，将排出气体的原料加热至熔化状态，再升温，进行高温精炼后，停止加热，使得熔化原料结膜；
步骤三，对结膜材料进行升高温度，使得熔化原料破膜后，加入Al、Ti和剩余部分C原料，混合均匀；混合原料再次进行精炼处理，得精炼原料；
步骤三，对精炼原料，控制温度进行浇注，获得扁坯；
步骤四，对所述扁坯精整、热轧、退火软化处理，再次精整、冷轧、中间热处理和切边，得到合金带材；
步骤五，将所述合金带材进行热处理，形成所述高温强度优异的中熵高温合金。
6.根据权利要求5所述一种高温强度优异的中熵高温合金的制备方法，其特征在于，所述步骤一中，混合加热是在真空度≤0.5Pa的环境中进行。
7.根据权利要求5所述一种高温强度优异的中熵高温合金的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，加热熔化是在真空度≤0.5Pa环境中进行；和/或，高温精炼得条件是1530～1600℃，高温精炼20-30min。
8.根据权利要求5所述一种高温强度优异的中熵高温合金的制备方法，其特征在于，所述步骤三中，高温精炼的温度为1580～1600℃。
9.根据权利要求5所述一种高温强度优异的中熵高温合金的制备方法，其特征在于，所述步骤五中，热处理的条件为800～850℃时效10～15h。
10.一种高温强度优异的中熵高温合金在航空发动机、燃气轮机中的应用。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310437339.7A CN116463539A (zh) | 2023-04-21 | 2023-04-21 | 一种高温强度优异的中熵高温合金及其制备方法与应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310437339.7A CN116463539A (zh) | 2023-04-21 | 2023-04-21 | 一种高温强度优异的中熵高温合金及其制备方法与应用 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116463539A true CN116463539A (zh) | 2023-07-21 |
Family
ID=87174933
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310437339.7A Pending CN116463539A (zh) | 2023-04-21 | 2023-04-21 | 一种高温强度优异的中熵高温合金及其制备方法与应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116463539A (zh) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20180057921A1 (en) * | 2015-03-25 | 2018-03-01 | Hitachi Metals, Ltd. | METHOD OF PRODUCING Ni-BASED SUPERALLOY |
| CN112981186A (zh) * | 2021-04-22 | 2021-06-18 | 北京钢研高纳科技股份有限公司 | 低层错能的高温合金、结构件及其应用 |
| CN114182153A (zh) * | 2021-11-26 | 2022-03-15 | 北京北冶功能材料有限公司 | 一种镍基合金及其制备方法与应用 |
| CN115418544A (zh) * | 2022-09-30 | 2022-12-02 | 中南大学 | 一种析出型强化高熵高温合金及其制备方法 |
| CN115537628A (zh) * | 2022-09-19 | 2022-12-30 | 华东理工大学 | 一种中熵合金及其制备方法和应用 |
-
2023
- 2023-04-21 CN CN202310437339.7A patent/CN116463539A/zh active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20180057921A1 (en) * | 2015-03-25 | 2018-03-01 | Hitachi Metals, Ltd. | METHOD OF PRODUCING Ni-BASED SUPERALLOY |
| CN112981186A (zh) * | 2021-04-22 | 2021-06-18 | 北京钢研高纳科技股份有限公司 | 低层错能的高温合金、结构件及其应用 |
| CN114182153A (zh) * | 2021-11-26 | 2022-03-15 | 北京北冶功能材料有限公司 | 一种镍基合金及其制备方法与应用 |
| CN115537628A (zh) * | 2022-09-19 | 2022-12-30 | 华东理工大学 | 一种中熵合金及其制备方法和应用 |
| CN115418544A (zh) * | 2022-09-30 | 2022-12-02 | 中南大学 | 一种析出型强化高熵高温合金及其制备方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 李明扬;章清泉;傅祖明;魏然;吴会云;曹宇;: "合金元素对Ni-Cr-Co型镍基合金平衡析出相及性能影响规律研究", 矿冶, no. 1, 15 November 2015 (2015-11-15), pages 136 - 139 * |
| 栾亨伟;赵威;姚可夫;: "高熵合金的力学性能及功能性能研究进展", 材料热处理学报, no. 01, 25 January 2020 (2020-01-25), pages 7 - 17 * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN111187946B (zh) | 一种高铝含量的镍基变形高温合金及制备方法 | |
| CN111500917B (zh) | 一种高强韧性中熵高温合金及其制备方法 | |
| US9945019B2 (en) | Nickel-based heat-resistant superalloy | |
| JP4277113B2 (ja) | 耐熱ばね用Ｎｉ基合金 | |
| CN109338160B (zh) | 一种可铸锻固溶体钨合金及制备方法 | |
| JP5270123B2 (ja) | 窒化物強化可能なコバルト−クロム−鉄−ニッケル合金 | |
| CN108118193B (zh) | Ni基超合金材料的制造方法 | |
| CN110592432B (zh) | 一种钴基变形高温合金及其制备方法 | |
| WO2012026354A1 (ja) | Ｃｏ基合金 | |
| CN114231765B (zh) | 一种高温合金棒材的制备方法与应用 | |
| CN105543713A (zh) | 微合金化的高强度抗氧化铁镍合金气阀钢材料及制备方法 | |
| CN114196854B (zh) | 一种高强度难变形镍基高温合金及其制备方法 | |
| CN110983144B (zh) | 一种氮化物强化高熵合金及其制备方法 | |
| CN115354193A (zh) | 高温耐损伤超合金及由其制造的制品和制造该合金的方法 | |
| CN113604706A (zh) | 一种低密度低膨胀高熵高温合金及其制备方法 | |
| CN115537603B (zh) | 一种耐高温镍基合金、其制造方法及应用 | |
| CN117467868A (zh) | 一种高强抗富氧烧蚀镍基高温合金及其制备方法 | |
| CN114645159B (zh) | 一种高温抗氧化高强度镍钨钴铬合金及制备方法 | |
| CN116463539A (zh) | 一种高温强度优异的中熵高温合金及其制备方法与应用 | |
| CN116463538B (zh) | 一种高强韧性的低密度中熵高温合金及其制备方法与应用 | |
| CN116445793B (zh) | 一种长期组织稳定的低密度中熵高温合金及其制备方法与应用 | |
| CN116463526B (zh) | 一种高强度、长寿命中熵高温合金及其制备方法与应用 | |
| CN116536556A (zh) | 一种抗氧化性优异的中熵高温合金及其制备方法和应用 | |
| CN117418153B (zh) | 一种长期组织稳定的镍基高温合金箔材及其制备方法与应用 | |
| CN115537604B (zh) | 一种抗蠕变、抗氧化的镍基高温合金及其制备方法和应用 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |