CN117265335A - 高强高韧、抗氧化的镍基高温合金及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强高韧、抗氧化的镍基高温合金，包括：C：0.08～0.2％；Cr：8.2～10％；Co：8.5～10.2％；W：9.5～11.0％；Mo：0.1～1.5％；Ta：2.0～4.0％；Al：4.0～6.5％；Ti：0.2～1.5％；B：0.002～0.018％；Hf：1.2～2.8％；Zr：0.001～0.05％；Mg≤0.005％；Si≤0.15％；Mn≤0.05％；Ba：0.01～0.05％；余量为Ni和不可避免的杂质，以质量百分含量计。本发明的镍基高温合金具有优良的力学性能、抗氧化性能和持久寿命。
Description
技术领域
本发明属于高温合金技术领域，具体涉及一种高强高韧、抗氧化的镍基高温合金及其制备方法和应用。
背景技术
高温合金材料一般是指在600℃以上承受一定应力载荷条件时工作的材料。需要具有良好强韧性匹配和抗氧化能力，同时具有优秀的高温强度和抗蠕变、抗疲劳等特性。因此合金中加入了大量的强化元素，如W、Mo、Ti、Al、Hf、Co等，以保证其优越的高温性能。
目前先进的航空发动机及燃气轮机的热端部件，工作条件最高可达1300℃，应力作用复杂，对合金材料的要求苛刻。国内外现有的高温合金中能够完全满足使用要求的合金几乎没有，一般能够达到力学性能要求的合金强度和韧性不匹配，并且抗氧化能力不佳。
因此，如何制得能够满足航空发动机和燃气轮机使用需求的高温合金得到了越来越广泛的关注。
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：
目前在先进航空发动机、燃气轮机等领域使用的高温合金无法满足需求，希望高温合金在性能指标上能够满足：室温下拉伸性能Rm≥1100MPa，Rp0.2≥825MPa，A≥8％；高温拉伸900℃Rm≥800MPa，Rp0.2≥650MPa，A≥8％，在900℃，100h的氧化速度≤0.04g/m2·h，但是目前的高温合金强度和韧性不匹配，且抗氧化能力不佳，无法满足上述需求。
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高强高韧、抗氧化性的镍基高温合金，该合金具有优异的力学性能、抗氧化性能和持久寿命，能够满足先进航空发动机和燃气轮机设计和使用的要求，适用于航空发动机和燃气轮机热端部件透平叶片等中长期服役的零部件。
本发明实施例的高强高韧、抗氧化的镍基高温合金，包括：C：0.08～0.2％；Cr：8.2～10％；Co：8.5～10.2％；W：9.5～11.0％；Mo：0.1～1.5％；Ta：2.0～4.0％；Al：4.0～6.5％；Ti：0.2～1.5％；B：0.002～0.018％；Hf：1.2～2.8％；Zr：0.001～0.05％；Mg≤0.005％；Si≤0.15％；Mn≤0.05％；Ba：0.01～0.05％；余量为Ni和不可避免的杂质，以质量百分含量计。
本发明实施例的高强高韧、抗氧化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，添加的Ba元素能使网状的β相部分断开，呈小块状分布在晶界上，可以显著细化合金的晶粒，在含Mg的合金中添加Ba之后，可以使合金的拉伸强度和伸长率同时提高，达到高强高韧的效果，此外，Ba在合金中能进一步促进脱氧脱硫，使合金纯净化；2、本发明实施例中，通过将各元素的用量控制在合理的范围内，不仅能够使合金具有优异的拉伸性能和抗氧化性，而且具有优异的强韧匹配性，能够应用于先进航空发动机和燃气轮机。
在一些实施例中，所述W、Hf和Ba满足关系式5.0<W-Hf/15.5Ba<8.0，其中，W、Hf和Ba为镍基高温合金中元素W、Hf和Ba的质量百分含量去除百分号后的数值。
在一些实施例中，所述W、Hf和Ba满足关系式5.4<W-Hf/15.5Ba<7.7。
在一些实施例中，所述Hf、W和Al满足关系式0.7<Hf-0.25W/Al<1.8，其中，Hf、W和Al为镍基高温合金中元素Hf、W和Al的质量百分含量去除百分号后的数值。
在一些实施例中，所述Hf、W和Al满足关系式0.7<Hf-0.25W/Al<1.6。
在一些实施例中，所述高强高韧、抗氧化的镍基高温合金包括：C：0.08～0.16％；Cr：8.3～9.8％；Co：8.6～10.1％；W：9.7～10.9％；Mo：0.2～1.5％；Ta：2.2～4.0％；Al：4.1～6.4％；Ti：0.2～1.5％；B：0.002～0.017％；Hf：1.2～2.5％；Zr：0.001～0.05％；Mg≤0.004％；Si≤0.03％；Mn≤0.04％；Ba：0.02～0.04％；余量为Ni和不可避免的杂质，以质量百分含量计。
本发明实施例还提供了一种高强高韧、抗氧化的镍基高温合金在航空发动机的热端部件透平叶片中的应用。
本发明实施例还提供了一种高强高韧、抗氧化的镍基高温合金在燃气轮机的热端部件透平叶片中的应用。
本发明实施例还提供了一种高强高韧、抗氧化的镍基高温合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)根据合金设计配比，将Cr、Co、W、Mo、Ta、B、Hf、Zr、Mg、Si、Mn、Ba和部分C原料加入坩埚内，真空加热熔化，然后进行保温处理；
(2)所述步骤(1)中的保温处理结束后，将Al、Ti和剩余C原料加入所述坩埚中，通入氩气，真空加热熔化，浇铸得到镍基高温合金。
本发明实施例的高强高韧、抗氧化的镍基高温合金的制备方法带来的优点和技术效果，1、本发明实施例的方法，分步加入C元素，有利于去除合金中的气体，还能够提高合金的力学性能；2、本发明实施例的方法，制得的合金不仅具有优异的强韧性能和持久寿命，而且还具良好的抗氧化性，能够满足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，所述步骤(1)中，所述部分C原料为C原料设计用量的8～25％。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明实施例的高强高韧、抗氧化的镍基高温合金，包括：C：0.08～0.2％；Cr：8.2～10％；Co：8.5～10.2％；W：9.5～11.0％；Mo：0.1～1.5％；Ta：2.0～4.0％；Al：4.0～6.5％；Ti：0.2～1.5％；B：0.002～0.018％；Hf：1.2～2.8％；Zr：0.001～0.05％；Mg≤0.005％；Si≤0.15％；Mn≤0.05％；Ba：0.01～0.05％；余量为Ni和不可避免的杂质，以质量百分含量计。
本发明实施例的高强高韧、抗氧化的镍基高温合金，添加的Ba元素能使网状的β相部分断开，呈小块状分布在晶界上，可以显著细化合金的晶粒，在含Mg的合金中添加Ba之后，可以使合金的拉伸强度和伸长率同时提高，达到高强高韧的效果，此外，Ba在合金中能进一步促进脱氧脱硫，使合金纯净化；通过将各元素的用量控制在合理的范围内，不仅能够使合金具有优异的拉伸性能和抗氧化性，而且具有优异的强韧匹配性，能够应用于先进航空发动机和燃气轮机。
其中，本发明实施例的合金中各个主要元素的作用如下：
C：C在镍基高温合金中主要通过在凝固末期形成MC型碳化物抑制加热时奥氏体晶粒长大，在热处理时沿晶界形成M23C6等类型碳化物，起到强化晶界的作用，能够延缓微裂纹萌生、扩展和合并，从而提高合金的高温持久寿命，本发明实施例中控制C含量为0.08～0.2％。
Cr：Cr能够提高合金的抗氧化性能，并具有固溶强化效果，在时效处理后还可以与C结合形成沿晶分布的粒状M23C6，起到强化晶界的作用，本发明实施例中控制Cr含量为8.2～10％。
Co：Co是重要的固溶强化元素和析出强化元素，为合金提供良好的固溶强化效果，可显著降低基体堆垛层错能，拉宽扩展位错宽度，使位错不易束集而发生交滑移，从而提高合金的抗蠕变性能和持久寿命；Co也可部分替代Ni3Al型相析出强化相中的元素，改善相长期服役中的稳定性；本发明实施例中将Co含量控制在8.5～10.2％。
W和Mo：是主要的固溶强化元素之一，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，从而有效提高合金的高温强度。本发明实施例中，将W含量控制在9.5～11.0％，将Mo含量控制在0.1～1.5％。
Al、Ti和Ta：是镍基合金中强化相γ′的形成元素，随三者含量的增加，γ′数量增加，高温蠕变和持久性能提高，但过多的γ′会恶化加工性能，本发明实施例中，控制Al为4.0～6.5％，Ti为0.2～1.5％，Ta为2～4％。
B：B原子很容易在晶界富集，提高晶界结合力；晶界上的硼化物可以阻止晶界滑移、空洞萌生和扩展，有利于提高合金的抗蠕变性能和持久寿命，本发明实施例中控制B含量为0.002～0.018％。
Zr：Zr能够净化晶界，增强晶界结合力，但过量的Zr易降低加工性能，本发明实施例中控制Zr含量为0.001～0.05％。
Mg：Mg原子偏聚于晶界，能够提高晶界结合力，增加晶界强度；Mg原子；还偏聚于碳化物相界、γ′相界，进入γ′和碳化物中，从而有利于力学性能的提高。本发明实施例中控制Mg的含量小于0.005％。
Ba：Ba可以显著细化合金的铸态组织，使网状的β相部分断开，呈小块状分布在晶界上，且合金晶粒细化作用显著；在含Mg的镍基合金中添加Ba后，合金的拉伸强度和伸长率可以同时提高，达到优良的强韧匹配；Ba在合金中可以促使合金进一步脱氧脱硫，使合金纯净化。本发明实施例中，控制Ba含量为0.01～0.05％。
在一些实施例中，优选地，所述W、Hf和Ba满足关系式5.0<W-Hf/15.5Ba<8.0，其中，W、Hf和Ba为镍基高温合金中元素W、Hf和Ba的质量百分含量去除百分号后的数值。进一步优选地，所述W、Hf和Ba满足关系式5.4<W-Hf/15.5Ba<7.7。
本发明实施中，限定W、Hf和Ba满足关系式5.0<W-Hf/15.5Ba<8.0，能够使合金在保持良好的抗氧化性的同时，提高合金的拉伸强度和伸长率，使合金具有优良的高强高韧匹配性，并且有利于提高合金的持久寿命。
在一些实施例中，优选地，所述Hf、W和Al满足关系式0.7<Hf-0.25W/Al<1.8，其中，Hf、W和Al为镍基高温合金中元素Hf、W和Al的质量百分含量去除百分号后的数值。进一步优选地，所述Hf、W和Al满足关系式0.7<Hf-0.25W/Al<1.6。
本发明实施例中，限定Hf、W、Al满足关系式0.7<Hf-0.25W/Al<1.8，有利于进一步提高合金的拉伸性能和持久寿命。
在一些实施例中，所述高强高韧、抗氧化的镍基高温合金包括：C：0.08～0.16％；Cr：8.3～9.8％；Co：8.6～10.1％；W：9.7～10.9％；Mo：0.2～1.5％；Ta：2.2～4.0％；Al：4.1～6.4％；Ti：0.2～1.5％；B：0.002～0.017％；Hf：1.2～2.5％；Zr：0.001～0.05％；Mg≤0.004％；Si≤0.03％；Mn≤0.04％；Ba：0.02～0.04％；余量为Ni和不可避免的杂质，以质量百分含量计。
本发明实施例还提供了一种高强高韧、抗氧化的镍基高温合金在航空发动机的热端部件透平叶片中的应用。本发明实施例中高强高韧、抗氧化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热端部件透平叶片中。
本发明实施例还提供了一种高强高韧、抗氧化的镍基高温合金在燃气轮机的热端部件透平叶片中的应用。本发明实施例中高强高韧、抗氧化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热端部件透平叶片中。
本发明实施例还提供了一种高强高韧、抗氧化的镍基高温合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)根据合金设计配比，将Cr、Co、W、Mo、Ta、B、Hf、Zr、Mg、Si、Mn、Ba和部分C原料加入坩埚内，真空加热熔化，然后进行保温处理；
(2)所述步骤(1)中的保温处理结束后，将Al、Ti和剩余C原料加入所述坩埚中，通入氩气，真空加热熔化，浇铸得到镍基高温合金。
本发明实施例的高强高韧、抗氧化的镍基高温合金的制备方法，分步加入C元素，有利于去除合金中的气体，还能够提高合金的力学性能；制得的合金不仅具有优异的强韧性能和持久寿命，而且还具良好的抗氧化性，能够满足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，所述步骤(1)中，所述部分C原料为C原料设计用量的8～25％。进一步优选地，所述步骤(1)中，所述保温的温度为1600℃～1650℃，保温的时间为10～30min。所述步骤(2)中，所述氩气的通入量以使所述坩埚中气压为-0.02～-0.1MPa为准；所述真空条件的真空度＜0.1Pa，所述浇铸的温度≥1560℃。
下面结合具体的实施例，对本发明的技术方案进行详细描述。
实施例1
(1)将Cr、Co、W、Mo、Ta、B、Hf、Zr、Mg、Si、Mn、Ba和15％的C原料加入坩埚内，真空加热至完全熔化，随后控制温度在1610℃，真空度控制在小于0.1Pa保温10min后停止加热，保持5min；
(2)向坩埚中加入Al、Ti和剩余的C原料；同时向炉内充氩气至压力为-0.02MPa，在真空度小于0.1Pa下加热熔化，1560℃出钢进行浇铸，冷却至室温脱模进行表面喷砂修磨去除氧化皮，得到镍基高温合金。
实施例2～8的制备方法与实施例1相同，不同之处仅在于合金成分不同。
实施例1～8制得的合金成分见表1，性能见表2。
对比例1
与实施例1相同，其不同之处在于，合金中不含Ba元素。
对比例1制得的合金性能数据见表2。
对比例2
与实施例1相同，其不同之处在于，合金的Ba含量为0.12％。
对比例2制得的合金性能数据见表2。
对比例3
与实施例1相同，其不同之处在于，合金中W含量为8.2％。
对比例3制得的合金性能数据见表2。
表1
表2
注：1、Rm为拉伸强度、Rp0.2为拉伸屈服强度、A为延伸率；
2、平均氧化速度为合金在900℃/100h下的单位面积氧化速度，该值越小说明抗氧化性能越好。
从上表的数据中可以看出，实施例1～8在室温和900℃高温下具有非常好的拉伸性能、持久寿命和抗氧化性能，在室温下Rm≥1110MPa，Rp0.2≥850MPa，A≥9.0％；900℃高温拉伸Rm≥820MPa，Rp0.2≥680MPa，A≥9.0％，980℃，200MPa下的持久时间大于120h，且900℃，100h的氧化速度≤0.04g/m2·h，能够满足航空发动机、燃气轮机等领域中高温合金的使用需求。特别地，当满足关系式0.8<Hf-0.25W/Al<1.8和5.0<W-Hf/15.5Ba<8.0，如实施例2～8，制得的镍基高温合金具有更加优异的性能。
对比例1中不含元素Ba，导致对比例1制得的镍基高温合金在室温和900℃高温下的拉伸强度明显降低，伸长率A也大幅下降，同时980℃，200MPa下的持久时间降低至54h，且900℃，100h的氧化速度增加至0.08g/m2·h。
对比例2中元素Ba含量过高，同样也导致制得的镍基高温合金在室温和900℃高温下的拉伸强度和伸长率降低，且持久寿命和抗氧化性能也降低，无法满足使用要求。
对比例3调整了元素W的含量，元素W的含量过低，虽然常温下的拉伸强度能够保持在Rm＝1003MPa，Rp0.2＝845MPa，但是900℃的拉伸强度大幅度降低，且常温和900℃高温下的伸长率A降为5.5％，此外，持久寿命和抗氧化性能也大幅度降低，无法满足使用需求。
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)
1.一种高强高韧、抗氧化的镍基高温合金，其特征在于，包括：C：0.08～0.2％；Cr：8.2～10％；Co：8.5～10.2％；W：9.5～11.0％；Mo：0.1～1.5％；Ta：2.0～4.0％；Al：4.0～6.5％；Ti：0.2～1.5％；B：0.002～0.018％；Hf：1.2～2.8％；Zr：0.001～0.05％；Mg≤0.005％；Si≤0.15％；Mn≤0.05％；Ba：0.01～0.05％；余量为Ni和不可避免的杂质，以质量百分含量计。
2.根据权利要求1所述的高强高韧、抗氧化的镍基高温合金，其特征在于，所述W、Hf和Ba满足关系式5.0<W-Hf/15.5Ba<8.0，其中，W、Hf和Ba为镍基高温合金中元素W、Hf和Ba的质量百分含量去除百分号后的数值。
3.根据权利要求2所述的高强高韧、抗氧化的镍基高温合金，其特征在于，所述W、Hf和Ba满足关系式5.4<W-Hf/15.5Ba<7.7。
4.根据权利要求1所述的高强高韧、抗氧化的镍基高温合金，其特征在于，所述Hf、W和Al满足关系式0.7<Hf-0.25W/Al<1.8，其中，Hf、W和Al为镍基高温合金中元素Hf、W和Al的质量百分含量去除百分号后的数值。
5.根据权利要求4所述的高强高韧、抗氧化的镍基高温合金，其特征在于，所述Hf、W、Al满足关系式0.7<Hf-0.25W/Al<1.6。
6.根据权利要求1所述的高强高韧、抗氧化的镍基高温合金，其特征在于，包括：C：0.08～0.16％；Cr：8.3～9.8％；Co：8.6～10.1％；W：9.7～10.9％；Mo：0.2～1.5％；Ta：2.2～4.0％；Al：4.1～6.4％；Ti：0.2～1.5％；B：0.002～0.017％；Hf：1.2～2.5％；Zr：0.001～0.05％；Mg≤0.004％；Si≤0.03％；Mn≤0.04％；Ba：0.02～0.04％；余量为Ni和不可避免的杂质，以质量百分含量计。
7.权利要求1～6中任一项所述的高强高韧、抗氧化的镍基高温合金在航空发动机中的热端部件中的应用。
8.权利要求1～6中任一项所述的高强高韧、抗氧化的镍基高温合金在燃气轮机中的热端部件中的应用。
9.一种权利要求1～6中任一项所述的高强高韧、抗氧化的镍基高温合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据合金设计配比，将Cr、Co、W、Mo、Ta、B、Hf、Zr、Mg、Si、Mn、Ba和部分C原料加入坩埚内，真空加热熔化，然后进行保温处理；
(2)所述步骤(1)中的保温处理结束后，将Al、Ti和剩余C原料加入所述坩埚中，通入氩气，真空加热熔化，浇铸得到镍基高温合金。
10.根据权利要求9中所述的高强高韧、抗氧化的镍基高温合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述部分C原料为C原料设计用量的8～25％。
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