CN117265337A - 低夹杂、抗热冲击的镍基高温合金及其制备方法和应用 - Google Patents

低夹杂、抗热冲击的镍基高温合金及其制备方法和应用 Download PDF

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CN117265337A CN202311183693.8A CN202311183693A CN117265337A CN 117265337 A CN117265337 A CN 117265337A CN 202311183693 A CN202311183693 A CN 202311183693A CN 117265337 A CN117265337 A CN 117265337A
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Abstract

本发明属于高温合金技术领域，具体涉及一种低夹杂、抗热冲击的镍基高温合金及其制备方法和应用。本发明提供了一种低夹杂、抗热冲击的镍基高温合金，包括：C：0.05～0.25％、Cr：4.0～7.5％、Co：4.5～7.0％、W：13.5～17.5％、Al：1.0～4.0％、Ta：3.0～4.5％、Mo：4.7～8.5％、Hf：1.5～2.8％、Ti：3.0～6.0％、B：0.04～0.15％、Zr：0.06～0.25％、Mg：0.001～0.07％、Mn：≤0.5％、Si：≤0.5％、Nd：0.1～0.5％、Ba：0.06～0.25％，余量为镍和不可避免的杂质，以质量百分含量计。

Description

低夹杂、抗热冲击的镍基高温合金及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于镍基高温合金技术领域，具体涉及一种低夹杂、抗热冲击的镍基高温合金及其制备方法和应用。
背景技术
近几十年来，随着航空发动机推重比的不断提高，国内外对涡轮叶片的工作环境及失效方式等问题研究日益深入。发动机在运转过程中，启动、停车、突然加减速等操作使得涡轮叶片遭受反复的热冲击，导致涡轮叶片的热冲击疲劳失效，大大缩短了使用寿命。镍基高温合金是制造航空发动机和燃气轮机涡轮叶片的核心材料，随着发动机和燃气轮机的发展，对镍基高温合金的长期高温性能稳定性、抗热冲击性提出了更高的要求。
导致镍基高温合金热冲击疲劳失效的原因除了复杂的工作环境外，还与合金自身的组织有关，例如显微孔洞、碳化物、残余共晶、晶界等内部缺陷和组织，以及合金中的一些内生夹杂和外来夹杂，均会成为裂纹源，造成冲击性能的下降。
因此，如何制备具有优异抗热冲击性能的镍基高温合金，以满足航空发动机和燃气轮机涡轮的应用需求，受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：
镍基高温合金是以镍为基体并添加其它合金元素的一种高温合金，具有优异的高温性能、较好的抗氧化性能和耐腐蚀性能，是涡轮叶片制造的核心材料。但随着航空发动机推重比的不断提高，涡轮叶片工作环境复杂，在发动机运行时，涡轮叶片不同部位的工作温度梯度较大，这对镍基高温合金的高温性能和抗热冲击性能提出了更高的要求，而目前制备得到的镍基高温合金尚且无法满足使用的要求。
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低夹杂、抗热冲击的镍基高温合金，该合金夹杂物含量少，且具有优异的高温性能、抗热冲击性和韧性，同时加工性能好，解决了目前镍基高温合金在复杂工作环境下高温性能差，热冲击疲劳寿命短的问题，能够满足航空发动机和燃气轮机高温、高应力部件的使用要求。
本发明实施例的低夹杂、抗热冲击的镍基高温合金，包括：C：0.05～0.25％、Cr：4.0～7.5％、Co：4.5～7.0％、W：13.5～17.5％、Al：1.0～4.0％、Ta：3.0-4.5％、Mo：4.7～8.5％、Hf：1.5～2.8％、Ti：3.0～6.0％、B：0.04～0.15％、Zr：0.06～0.25％、Mg：0.001～0.07％、Mn：≤0.5％、Si：≤0.5％、Nd：0.1～0.5％、Ba：0.06～0.25％，余量为镍和不可避免的杂质，以重量百分含量计。
本发明实施例的低夹杂、抗热冲击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Cr、W、Mo、Co元素进行固溶强化能够提高合金的高温强度，通过添加Al、Ti、Ta、Hf的γ'相形成元素，使合金在900～1000℃具有长期组织性能稳定，通过合理搭配C、B、Zr晶界强化元素，加上Mg、Nd、Ba元素对碳化物的细化作用，显著提高了该合金的高温性能和热冲击性能；2、本发明实施例中，通过调整各元素的含量在合适的范围内，使合金在1000℃下抗拉强度超过900MPa，断后延伸率大于25.5％，抗热冲击疲劳循环次数超过3700次，冲击功大于24.6J，冲击功越大，合金的冲击韧性越好，夹杂物数量为17.5～22.5个/mm2，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，所述W、Mo和Mg满足关系式：1.82≤0.9W/Mo-Mg≤2.79，优选为2.06≤0.9W/Mo-Mg≤2.71，其中，W、Mo、Mg为镍基高温合金中元素W、Mo、Mg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Al、Nd和Ba满足关系式：0.68≤Al-2.5(Nd+Ba)≤2.75，优选为，2.35≤Al-2.5(Nd+Ba)≤2.7，其中，Al、Nd、Ba为镍基高温合金中元素Al、Nd、Ba的质量百分含量去除百分号后的数值。
在一些实施例中，所述低夹杂、抗热冲击的镍基高温合金，包括：：C：0.05～0.18％、Cr：4.0～6.5％、Co：5.0～6.3％、W：14.0～16.8％、Al：1.5～4.0％、Ta：3.0～4.0％、Mo：4.5～7.5％、Hf：1.5～2.8％、Ti：3.0～5.0％、B：0.08～0.15％、Zr：0.08～0.25％、Mg：0.01～0.07％、Mn：≤0.40％、Si：≤0.4％、Nd：0.2～0.5％、Ba：0.1～0.25％，余量为镍和不可避免的杂质，以重量百分含量计。
本发明实施例还提供了低夹杂、抗热冲击的镍基高温合金在航空发动机中的应用。
本发明实施例还提供了低夹杂、抗热冲击的镍基高温合金在燃气轮机中的应用。
本发明实施例还提供了一种低夹杂、抗热冲击的镍基高温合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)按原料配比进行真空冶炼；
(2)调整浇铸温度，浇注成坯；
(3)将步骤(2)制备的铸坯进行热处理。
本发明实施例的低夹杂、抗热冲击的镍基高温合金制备方法带来的优点和技术效果，1、本发明实施例的方法，制得的镍基高温合金具有夹杂物数量少、高温性能和热冲击性能优异等特点，且铸造性能好，无缩孔、热裂等缺陷，满足了先进航空发动机和燃气轮机设计和使用的要求；2、本发明实施例的方法，工艺简单，降低了能源消耗，同时缩短了生产周期，提高了生产效率，适用于工业生产的推广应用。
在一些实施例中，所述步骤(1)中，所述冶炼的温度为1210～1320℃。
在一些实施例中，所述步骤(2)中，所述浇铸的温度为1000～1190℃。
在一些实施例中，所述步骤(3)中，所述热处理的温度为850～1170℃，热处理的时间为18～28h。
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。
本发明实施例的低夹杂、抗热冲击的镍基高温合金，包括：C：0.05～0.25％、Cr：4.0～7.5％、Co：4.5～7.0％、W：13.5～17.5％、Al：1.0～4.0％、Ta：3.0-4.5％、Mo：4.7～8.5％、Hf：1.5～2.8％、Ti：3.0～6.0％、B：0.04～0.15％、Zr：0.06～0.25％、Mg：0.001～0.07％、Mn：≤0.5％、Si：≤0.5％、Nd：0.1～0.5％、Ba：0.06～0.25％，余量为镍和不可避免的杂质，以重量百分含量计。
本发明实施例的低夹杂、抗热冲击的镍基高温合金，通过添加Cr、W、Mo、Co元素进行固溶强化能够提高合金的高温强度，通过添加Al、Ti、Ta、Hf的γ'相形成元素，使合金在900～1000℃具有长期组织性能稳定，通过合理搭配C、B、Zr晶界强化元素，加上Mg、Nd、Ba元素对碳化物的细化作用，显著提高了该合金的高温性能和热冲击性能；本发明实施例中，合金通过Cr、Co、W、Mo、等元素的固溶强化作用和Al、Ti、Ta、Hf等元素的时效强化作用，以及C、B、Zr、Mg、Nd、Ba等元素的晶界强化作用，使合金1000℃下抗拉强度超过900MPa，断后延伸率大于25.5％，抗热冲击疲劳循环次数超过3700次，冲击功大于24.6J，冲击功越大，合金的冲击韧性越好，夹杂物数量为17.5～22.5个/mm2，满足了先进航空发动机和燃气轮机设计和使用的要求。
本发明实施例中镍基高温合金中Mg、Nd和Ba的作用如下：
Mg元素作为痕量元素主要作用于晶界，能够改变和细化晶界处碳化物的形态，显著提高合金在高温下的蠕变时间及断裂塑性；同时Mg可以降低有害杂质硫的影响，在熔炼过程中有良好的脱氧作用，减少硫化物和氧化物夹杂的数量，提高合金的强度和韧性，但是当Mg含量过多时，会导致大量的MC碳化物在晶界处析出，成为裂纹源，降低合金的冲击韧性和蠕变寿命。因此，本发明实施例中将Mg元素的含量控制在0.001～0.07％范围内；
Nd元素能够在晶界处富集，对合金的晶界起净化作用，同时能够强化晶界，Nd元素还会以Nd2O3氧化物的形式存在于合金γ/γ′两相中，起到弥散强化的作用，并且还能够细化晶粒，与Mg元素和Al元素形成Al11Nd3和Mg12Nd强化相，对晶界起钉扎作用，阻碍位错运动，提升合金的强度和韧性，但是Nd含量过多时，会在晶界处大量偏聚，引起合金断裂的发生。因此，本发明实施例中将Nd元素的含量控制在0.1～0.5％范围内；
Ba元素能够显著细化合金的铸态组织，Ba元素是一种表面活性比较强的元素，能够与合金中的氧化物和硫化物结合，在合金铸造过程中，夹杂物逐渐上浮，净化钢液，且Ba元素能够使长条状的碳化物变短，分布在基体中，强化基体，但是Ba含量过多会出现沿晶界网状分布的金属化合物，增大合金脆性。因此，本发明实施例中将Ba元素的含量控制在0.06～0.25％范围内。
在一些实施例中，优选地，所述W、Mo和Mg满足关系式：1.82≤0.9W/Mo-Mg≤2.79，优选为2.06≤0.9W/Mo-Mg≤2.71，其中，W、Mo、Mg为镍基高温合金中元素W、Mo、Mg的质量百分含量去除百分号后的数值，即W为13.5～17.5，Mo为4.7～8.5，Mg为0.001～0.07。
本发明实施例中，限定W、Mo和Mg满足关系式：1.82≤0.9W/Mo-Mg≤2.79，能够充分发挥W、Mo和Mg之间的协同作用，不仅能够提高镍基高温合金的高温强度，还能使合金在高温下具有更好的断裂塑性。
在一些实施例中，优选地，所述Al、Nd和Ba满足关系式0.68≤Al-2.5(Nd+Ba)≤2.75，优选为，2.35≤Al-2.5(Nd+Ba)≤2.7，其中，Al、Nd、Ba为镍基高温合金中元素Al、Nd、Ba的质量百分含量去除百分号后的数值，即Al为1.0～4.0，Nd为0.1～0.5，Ba为0.06～0.25。
本发明实施例中，限定Al、Nd和Ba满足关系式0.68≤Al-2.5(Nd+Ba)≤2.75，能够充分发挥Al、Nd和Ba之间的协同作用，不仅能够使合金在900～1000℃下具有更好的组织稳定性，还有利于提高合金的高温性能和热冲击性能。
在一些实施例中，优选地，所述低夹杂、抗热冲击的镍基高温合金，包括：：C：0.05～0.18％、Cr：4～6.5％、Co：5.0～6.3％、W：14.0～16.8％、Al：1.5～4.0％、Ta：3.0～4.0％、Mo：4.5～7.5％、Hf：1.5～2.8％、Ti：3.0～5.0％、B：0.08～0.15％、Zr：0.08～0.25％、Mg：0.01～0.07％、Mn：≤0.40％、Si：≤0.4％、Nd：0.2～0.5％、Ba：0.1～0.25％，余量为镍和不可避免的杂质，以重量百分含量计。
本发明实施例还提供了低夹杂、抗热冲击的镍基高温合金在航空发动机中的应用。本发明实施例中的低夹杂、抗热冲击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精密设备中。
本发明实施例还提供了低夹杂、抗热冲击的镍基高温合金在燃气轮机中的应用。本发明实施例中的低夹杂、抗热冲击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精密设备中。
本发明实施例还提供了一种低夹杂、抗热冲击的镍基高温合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)按原料配比进行真空冶炼；
(2)调整浇铸温度，浇注成坯；
(3)将步骤(2)制备的铸坯进行热处理。
本发明实施例的低夹杂、抗热冲击的镍基高温合金制备方法，制得的镍基高温合金具有夹杂物数量少、高温性能和热冲击性能优异等特点，且铸造性能好，无缩孔、热裂等缺陷，满足了先进航空发动机和燃气轮机设计和使用的要求；工艺简单，降低了能源消耗，同时缩短了生产周期，提高了生产效率，适用于工业生产的推广应用。
在一些实施例中，优选地，所述步骤(1)中，所述冶炼的温度为1210～1320℃。
在一些实施例中，优选地，所述步骤(2)中，所述浇铸的温度为1000～1190℃。
在一些实施例中，优选地，所述步骤(3)中，所述热处理的温度为850～1170℃，热处理的时间为18～28h。
本发明实施例中，优选了热处理的工艺参数，有利于获得综合性能良好的镍基高温合金，更能满足现有行业对镍基合金的使用要求。
实施例1
(1)按原料配比进行真空冶炼，冶炼温度为1220℃；
(2)调整浇铸温度为1100℃，浇注成坯；
(3)将步骤(2)制备的铸坯在1120℃下，处理18小时。
实施例1制得的合金成分见表1，性能见表2。
实施例2～4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2～4制得的合金成分见表1，性能见表2。
实施例5
实施例5与实施例1的制备方法相同，不同在于合金成分不同，其中0.9W/Mo-Mg＝1.62，实施例5制得的合金成分见表1，性能见表2。
实施例6
实施例6与实施例1的制备方法相同，不同在于合金成分不同，其中Al-2.5(Nd+Ba)＝3.55，实施例6制得的合金成分见表1，性能见表2。
实施例7
实施例7与实施例1的制备方法相同，不同在于合金成分不同，其中0.9W/Mo-Mg＝3.15，Al-2.5(Nd+Ba)＝0.25，实施例7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Nd和Ba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Nd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，不含Ba元素，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，Nd含量为0.72％，Ba含量为0.56％，对比例4制得的合金成分见表1，性能见表2。
表1
表2
注：冲击功测试方法：采用一次摆锤冲击弯曲试验来测定材料抵抗冲击载荷的能力，即测定冲击载荷试样被折断而消耗的冲击功Ak。
热冲击循环次数：首先将试样装入试验机的加热装置内，以220℃/s升温速率迅速升温至1050℃，然后被迅速淬入水中冷却，冷却结束后，试样又重新进入电炉内加热，如此循环往复，记录达到规定裂纹长度4.5mm的循环次数。
夹杂物统计：通过扫描电镜对试样进行多个视场拍摄，对每个视场中的夹杂物进行统计。
从表1和表2的数据中可以看出，实施例1～7控制各元素的含量制备得到的镍基高温合金，合金1000℃下抗拉强度均超过了900MPa，断后延伸率大于25.5％，抗热冲击疲劳循环次数超过3700次，冲击功大于24.6J，夹杂物数量在17.5～22.5个/mm2，且加工流动性好。特别是当合金元素的含量满足1.82≤0.9W/Mo-Mg≤2.79及0.68≤Al-2.5(Nd+Ba)≤2.75时，如实施例1～4，制得的镍基高温合金具有更优异的性能。
对比例1中，合金不添加Nd和Ba元素，晶界强化和合金净化作用明显减弱，因此制得的镍基高温合金的高温强度低，夹杂物含量多，抗热冲击疲劳性差，无法满足使用。
对比例2中，没有加入Nd元素，由于Nd元素能够以氧化物的形式存在合金γ/γ′两相中起到弥散强化的作用，且Nd元素还能够细化晶粒，偏聚在晶界处，对晶界起钉扎作用，阻碍位错运动，提升合金的强度和韧性，而对比例2中没有引入Nd元素，导致制得的镍基高温合金中夹杂物含量增加为23个/mm2，热冲击循环次数仅为3675次，抗拉强度也降低至862MPa。
对比例3中，没有加入Ba元素，Ba元素能够使合金中的夹杂物变少，并在冶炼过程中使夹杂上浮，净化钢液，减少夹杂物引起的断裂；对比例3由于没有加入Ba，导致制得的镍基高温合金中夹杂物的含量增加至23.9个/mm2，热冲击循环次数只有3520次。
对比例4中，加入较多的Nd和Ba元素，Nd加入量为0.72％，Ba加入量为0.56％，Nd和Ba复合添加时能够起到合金强化和净化作用，但是Nd含量过多时，会在晶界处大量偏聚，引起合金断裂的发生，Ba含量过多会出现沿晶界网状分布的金属化合物，增大合金脆性，由于对比例4制得的镍基高温合金中Nd和Ba的含量较高，导致合金的抗拉强度只有807MPa，夹杂物较多，含量为24.5个/mm2，热冲击循环次数只有3400次，无法满足相关领域的使用需求。
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)

1.一种低夹杂、抗热冲击的镍基高温合金，其特征在于，包括：C：0.05～0.25％、Cr：4.0～7.5％、Co：4.5～7.0％、W：13.5～17.5％、Al：1.0～4.0％、Ta：3.0～4.5％、Mo：4.7～8.5％、Hf：1.5～2.8％、Ti：3.0～6.0％、B：0.04～0.15％、Zr：0.06～0.25％、Mg：0.001～0.07％、Mn：≤0.5％、Si：≤0.5％、Nd：0.1～0.5％、Ba：0.06～0.25％，余量为镍和不可避免的杂质，以重量百分含量计。
2.根据权利要求1所述的低夹杂、抗热冲击的镍基高温合金，其特征在于，所述W、Mo和Mg满足关系式：1.82≤0.9W/Mo-Mg≤2.79，优选为2.06≤0.9W/Mo-Mg≤2.71，其中，W、Mo、Mg为镍基高温合金中元素W、Mo、Mg的质量百分含量去除百分号后的数值。
3.根据权利要求1所述的低夹杂、抗热冲击的镍基高温合金，其特征在于，所述Al、Nd和Ba满足关系式0.68≤Al-2.5(Nd+Ba)≤2.75，优选为，2.35≤Al-2.5(Nd+Ba)≤2.7，其中，Al、Nd、Ba为镍基高温合金中元素Al、Nd、Ba的质量百分含量去除百分号后的数值。
4.根据权利要求1所述的低夹杂、抗热冲击的镍基高温合金，其特征在于，包括：C：0.05～0.18％、Cr：4.0～6.5％、Co：5.0～6.3％、W：14.0～16.8％、Al：1.5～4.0％、Ta：3.0～4.0％、Mo：4.5～7.5％、Hf：1.5～2.8％、Ti：3.0～5.0％、B：0.08～0.15％、Zr：0.08～0.25％、Mg：0.01～0.07％、Mn：≤0.40％、Si：≤0.4％、Nd：0.2～0.5％、Ba：0.1～0.25％，余量为镍和不可避免的杂质，以重量百分含量计。
5.权利要求1～4任一项所述的低夹杂、抗热冲击的镍基高温合金在航空发动机中的应用。
6.权利要求1～4任一项所述的低夹杂、抗热冲击的镍基高温合金在燃气轮机中的应用。
7.一种权利要求1～4任一项所述的低夹杂、抗热冲击的镍基高温合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按原料配比进行真空冶炼；
(2)调整浇铸温度，浇注成坯；
(3)将步骤(2)制备的铸坯进行热处理。
8.根据权利要求7所述的低夹杂、抗热冲击的镍基高温合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述冶炼的温度为1210～1320℃。
9.根据权利要求7所述的低夹杂、抗热冲击的镍基高温合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述浇铸的温度为1000～1190℃。
10.根据权利要求7所述的低夹杂、抗热冲击的镍基高温合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述热处理的温度为850～1170℃，热处理的时间为18～28h。
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