CN117403105A - 一种低开裂敏感系数镍基高温合金及其制备方法和用途 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种低开裂敏感系数镍基高温合金及其制备方法和用途，所述镍基高温合金包含：16.73～17.40%Cr、15.60～16.70%Co、0.00～0.01%Mo、5.90～6.30%W、1.80～2.12%Ta、1.40～1.62%Nb、1.90～2.10%Al、3.40～3.60%Ti、0.12～0.14%C、0.003～0.007%B、0.005～0.009%Zr、余量为Ni和不可避免的杂质元素。本发明获得了低开裂敏感系数、高铝钛含量、高Co+W固溶强化元素含量、低氧含量的镍基高温合金，以其经增材制造工艺成型的透平叶片致密、蠕变强度高、含氧量低，有效满足于高功率燃气轮机的技术需求。
Description
技术领域
本发明属于合金技术领域，具体涉及一种低开裂敏感系数、高铝钛含量的镍基高温合金，以及该镍基高温合金的制备方法和用途。
背景技术
镍基合金是高温合金中应用最广、高温强度最高的一类合金，这是因为：
1.镍基合金中可以溶解较多合金元素，且能保持较好的组织稳定性；
2.可以形成共格有序的A3B型金属间化合物，γ’[Ni3(AI，Ti)]相作为强化相，使合金得到有效地强化，获得比铁基高温合金和钴基高温合金更高的高温强度；
3.含铬的镍基合金具有比铁基高温合金更好的抗氧化和抗燃气腐蚀能力。
因此，镍基高温合金被广泛用于制造航空、舰艇和工业用燃气轮机的涡轮叶片、导向叶片、涡轮盘、高压压气机盘和燃烧室等高温部件。
近年来，随着燃气轮机做功效率的逐步提升，对透平叶片的结构设计越来越复杂化。这种复杂化主要体现为透平叶片内部冷却通道的设计结构，从而增大了铸造成型工艺的技术难度，甚至是铸造成型工艺难以实现的。近年来兴起的激光增材制造工艺，正好可靠地解决了传统铸造成型工艺对透平叶片制造的技术不足。
高做功效率的燃气轮机，需要高蠕变强度的透平叶片来实现。基于上述镍基高温合金的特殊性，高蠕变强度的透平叶片需要高铝钛含量的镍基高温合金方能成型，以便使所成型的透平叶片具有高含量γ’强化相的内部组织。然而，矛盾的是，高铝钛含量的镍基高温合金的可焊接性差，在焊接过程中容易开裂，从而在激光增材制造工艺中，高铝钛含量的镍基高温合金粉末在激光热源作用之下，其熔化过程会产生热裂，致使打印后的部件内部组织存在大量的微裂纹，无法达到设计工况使用性能的技术要求。由此可见，对镍基高温合金一味的追求高铝钛含量，则必然存在影响激光增材制造工艺成型质量的微裂纹技术问题。
此技术问题也引起了业内的共鸣，业内以镍基高温合金的裂纹敏感度为评判基础，来开发裂纹敏感度低、但铝钛含量高的镍基高温合金材料，例如中国专利文献公开的名称为“一种用于3D打印的镍基高温合金及其粉末制备方法”(公开号CN 111996414 A，公开日2020年11月27日)、“一种高塑性增材制造专用沉淀硬化型镍基高温合金及其设计与制备方法”(公开号CN 116377286 A，公开日2023年07月04日)等技术。然而，在这些已开发出的镍基高温合金材料中，含有易氧化的Y、La、Ce、Mg等元素，具体而言，公开号CN 111996414 A技术中含有易氧化的Y、La、Ce元素，公开号CN 116377286 A技术中含有易氧化的Mg元素，致使材料的氧含量、以及激光增材制造过程中的增氧量较高，不利于可靠提高所成型部件的蠕变强度，所成型的透平叶片在高效率燃气轮机中应用时的性能欠佳。
基于此，为了能够获得高蠕变强度的透平叶片，有必要对镍基高温合金材料进行改进，以获得低开裂敏感系数、高铝钛含量、低氧含量的镍基高温合金材料。
发明内容
本发明的技术目的在于，针对上述镍基高温合金的特殊性和高功效率燃气轮机对高蠕变强度透平叶片的技术需求，提供一种低开裂敏感系数、高铝钛含量、低氧含量的镍基高温合金，以及该镍基高温合金的制备方法和用途。
为了实现上述技术目的，本发明采用的技术方案是，一种低开裂敏感系数镍基高温合金，所述镍基高温合金包含如下质量百分比的合金元素：
余量为Ni和不可避免的杂质元素。
进一步的，所述镍基高温合金中还包含有Mo元素；
所述Mo元素在所述镍基高温合金中的最高质量百分比为0.01％。
作为优选方案之一，所述镍基高温合金包含如下质量百分比的合金元素：
余量为Ni和不可避免的杂质元素。
作为优选方案之一，所述镍基高温合金包含如下质量百分比的合金元素：
余量为Ni和不可避免的杂质元素。
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余量为Ni和不可避免的杂质元素。
作为优选方案之一，所述镍基高温合金包含如下质量百分比的合金元素：
余量为Ni和不可避免的杂质元素。
作为优选方案之一，所述镍基高温合金包含如下质量百分比的合金元素：
余量为Ni和不可避免的杂质元素。
本申请人研究发现，镍基高温合金材料的开裂敏感性，主要考虑为液相凝固过程中易开裂时间及应力消除过程中所用时间，开裂敏感系数可以表示为两者之间的比值，凝固过程综合考虑了凝固速度、时间、相变等参数，因而可以采用非平衡热动力学计算获得开裂敏感系数，以镍基高温合金材料的裂纹敏感度为评判基础，开发出裂纹敏感度低、但铝钛含量高的镍基高温合金材料。
以上述技术措施所获得的镍基高温合金材料，采用Thermo-Calc软件计算合金凝固开裂敏感系数在0.3以下，远低于传统高铝钛含量镍基高温合金，例如牌号IN738LC(1.11)、Mar-M247(1.08)的镍基高温合金材料，降低开裂敏感系数可确保激光增材制造工艺的熔化过程中凝固裂纹得到有效控制。
上述技术措施不同于传统以Al、Ti含量的高低来简单评价材料在激光增材制造工艺中的可打印性，而是综合考虑所有元素在凝固过程中对开裂敏感系数的贡献，从而来确保Al和Ti的最大添加，以保证所获得材料中γ’相的最大析出量来达到高温性能最优异化，提高所成型部件的蠕变强度。同时，上述技术措施在维持高铝钛含量同时，相比牌号IN738LC、Mar-M247的镍基高温合金材料，具有更高的Co+W固溶强化元素含量，确保合金具有良好的抗高温蠕变性能，以及上述技术措施中不含Hf、La、Ce、Y、Mg等易氧化元素，保证粉末的氧含量和增材过程的氧增量最小化。
因此，上述技术措施针对于上述镍基高温合金的特殊性和高功效率燃气轮机对高蠕变强度透平叶片的技术需求，获得了具有低开裂敏感系数、高铝钛含量、高Co+W固溶强化元素含量、低氧含量技术特点的镍基高温合金材料，有效满足于高功效率燃气轮机所需高蠕变强度透平叶片经激光增材制造工艺成型的技术需求。
一种上述低开裂敏感系数镍基高温合金的制备方法，所述制备方法包括下列工艺步骤：
步骤1.将配方量的合金元素在真空感应炉内熔炼成合金锭；
步骤2.将合金锭进行真空自耗重熔，形成中心无二次缩孔的合金棒坯；
步骤3.将合金棒坯通过超高速旋转电极制成镍基高温合金球形粉末。
上述技术措施将上述低开裂敏感系数、高铝钛含量、高Co+W固溶强化元素含量、低氧含量的镍基高温合金材料，经真空自耗重熔处理，进一步降低了杂质元素含量，提高了合金纯度，降低了晶界富集痕量元素的含量，使得合金的抗开裂性能进一步提高，且中心无二次缩孔、致密。因此，依此获得的镍基高温合金材料的纯度高、致密性好，抗开裂性能优异。
一种上述制备方法制得的低开裂敏感系数镍基高温合金球形粉末的用途，在高纯氩气气氛环境之下，从镍基高温合金球形粉末中筛选出粒径15～53μm粉末，用作燃气轮机高温透平叶片以激光增材制造工艺成型的原料。该技术措施获得的透平叶片，致密性好，蠕变强度高，含氧量低(杂质元素氧的增量小于80ppm)，有效满足于高功率燃气轮机的技术需求。
本发明的有益技术效果是：上述技术措施针对于上述镍基高温合金的特殊性和高功效率燃气轮机对高蠕变强度透平叶片的技术需求，获得了具有低开裂敏感系数、高铝钛含量、高Co+W固溶强化元素含量、低氧含量(杂质元素氧的增量小于80ppm)技术特点的镍基高温合金材料，以该镍基高温合金材料经激光增材制造工艺所成型的透平叶片致密性好，蠕变强度高，含氧量低，有效满足于高功率燃气轮机的技术需求。
附图说明
图1为实施例1中经超高速旋转电极法制备的本发明粉末形貌图。
图2为实施例1至5所获得的镍基高温合金材料，与市售商用镍基高温合金材料的开裂敏感系数对比图。
图3为实施例1所获得的镍基高温合金材料，经激光增材制造工艺所获得的显微金相图。
图4为实施例1所获得的镍基高温合金材料，经激光增材制造工艺所获得的显微组织图。
具体实施方式
本发明属于合金技术领域，具体涉及一种低开裂敏感系数、高铝钛含量的镍基高温合金，以及该镍基高温合金的制备方法和用途，下面结合多个实施例对本发明的主体技术方案内容进行具体说明。
实施例1
本发明的镍基高温合金材料，用作以激光增材制造工艺成型燃气轮机用的高温透平叶片，具体包含如下质量百分比的合金元素(各元素的纯度不低于99.99％)：17.24％Cr、16.67％Co、0.01％Mo、6.09％W、1.95％Ta、1.47％Nb、2.04％Al、3.60％Ti、0.14％C、0.003％B、0.009％Zr、余量为Ni和不可避免的杂质元素。
上述配方量的镍基高温合金材料，被制成激光增材制造工艺用的球形粉末，具体制备方法包括下列工艺步骤：
步骤1.将配方量的合金元素装入坩埚内，坩埚置于真空感应炉内，在低于0.1Pa的真空度下采用感应加热，升温至1680℃进行高温真空熔炼25min；
关闭真空感应炉，在1600℃下进行浇注，形成合金锭；
步骤2.将合金锭装入真空自耗电弧炉内作为自耗电极，使炉内真空度低于0.3pa，接通电源形成电弧，对合金锭进行真空自耗重熔，自然冷却获得中心无二次缩孔的真空自耗合金棒坯；
步骤3.将合金棒坯置入等离子旋转电极制粉设备中，对制粉室抽真空度至0.1Pa以下，向制粉室充入He、Ar混合气体0.8MPa；
等离子枪电流为1400A，电压为55V，合金棒坯的转速为17000r/min，等离子枪与合金棒料之间的距离为40mm，超高速旋转的合金棒端部在同轴的等离子体电弧加热源的作用下熔化成液膜，并在离心力作用下向电极端外缘甩出，在空中破碎成球并快速凝固，最终落入制粉室下方的粉末收集器，获得如图1所示的镍基高温合金球形粉末；
步骤4.在高纯氩气气氛环境之下，从镍基高温合金球形粉末中筛选出粒径范围为15～53μm粉末，该粉末用作激光增材制造工艺的原料。
本实施例制得的镍基高温合金粉末(编号DFNC-1)，经检测发现，焊接开口裂纹敏感度为0.16443，与市售商用镍基高温合金材料的开裂敏感系数对比如图2所示，激光增材制造所获得部件的显微金相图如图3和图4所示，在激光增材制造工艺过程中能够有效控制选区熔化凝固裂纹。
实施例2
本发明的镍基高温合金材料，用作以激光增材制造工艺成型燃气轮机用的高温透平叶片，具体包含如下质量百分比的合金元素(各元素的纯度不低于99.99％)：16.73％Cr、15.60％Co、0.005％Mo、5.92％W、2.12％Ta、1.45％Nb、2.00％Al、3.54％Ti、0.12％C、0.005％B、0.007％Zr、余量为Ni和不可避免的杂质元素。
上述配方量的镍基高温合金材料，被制成激光增材制造工艺用的球形粉末，具体制备方法包括下列工艺步骤：
步骤1.将配方量的合金元素装入坩埚内，坩埚置于真空感应炉内，在低于0.1Pa的真空度下采用感应加热，升温至1550℃进行高温真空熔炼40min；
关闭真空感应炉，在1500℃下进行浇注，形成合金锭；
步骤2.将合金锭装入真空自耗电弧炉内作为自耗电极，使炉内真空度低于0.3pa，接通电源形成电弧，对合金锭进行真空自耗重熔，自然冷却获得中心无二次缩孔的真空自耗合金棒坯；
步骤3.将合金棒坯置入等离子旋转电极制粉设备中，对制粉室抽真空度至0.1Pa以下，向制粉室充入He、Ar混合气体0.7MPa；
等离子枪电流为1100A，电压为50V，合金棒坯的转速为18000r/min，等离子枪与合金棒料之间的距离为30mm，超高速旋转的合金棒端部在同轴的等离子体电弧加热源的作用下熔化成液膜，并在离心力作用下向电极端外缘甩出，在空中破碎成球并快速凝固，最终落入制粉室下方的粉末收集器，获得镍基高温合金球形粉末；
步骤4.在高纯氩气气氛环境之下，从镍基高温合金球形粉末中筛选出粒径范围为15～53μm粉末，该粉末用作激光增材制造工艺的原料。
本实施例制得的镍基高温合金粉末(编号DFNC-2)，经检测发现，焊接开口裂纹敏感度为0.19778，与市售商用镍基高温合金材料的开裂敏感系数对比如图2所示，在激光增材制造工艺过程中能够有效控制选区熔化凝固裂纹。
实施例3
本发明的镍基高温合金材料，用作以激光增材制造工艺成型燃气轮机用的高温透平叶片，具体包含如下质量百分比的合金元素(各元素的纯度不低于99.99％)：16.90％Cr、15.86％Co、0.009％Mo、6.29％W、1.93％Ta、1.58％Nb、2.02％Al、3.54％Ti、0.14％C、0.005％B、0.005％Zr、余量为Ni和不可避免的杂质元素。
上述配方量的镍基高温合金材料，被制成激光增材制造工艺用的球形粉末，具体制备方法包括下列工艺步骤：
步骤1.将配方量的合金元素装入坩埚内，坩埚置于真空感应炉内，在低于0.1Pa的真空度下采用感应加热，升温至1700℃进行高温真空熔炼20min；
关闭真空感应炉，在1620℃下进行浇注，形成合金锭；
步骤2.将合金锭装入真空自耗电弧炉内作为自耗电极，使炉内真空度低于0.3pa，接通电源形成电弧，对合金锭进行真空自耗重熔，自然冷却获得中心无二次缩孔的真空自耗合金棒坯；
步骤3.将合金棒坯置入等离子旋转电极制粉设备中，对制粉室抽真空度至0.1Pa以下，向制粉室充入He、Ar混合气体0.9MPa；
等离子枪电流为1500A，电压为65V，合金棒坯的转速为14000r/min，等离子枪与合金棒料之间的距离为50mm，超高速旋转的合金棒端部在同轴的等离子体电弧加热源的作用下熔化成液膜，并在离心力作用下向电极端外缘甩出，在空中破碎成球并快速凝固，最终落入制粉室下方的粉末收集器，获得镍基高温合金球形粉末；
步骤4.在高纯氩气气氛环境之下，从镍基高温合金球形粉末中筛选出粒径范围为15～53μm粉末，该粉末用作激光增材制造工艺的原料。
本实施例制得的镍基高温合金粉末(编号DFNC-3)，经检测发现，焊接开口裂纹敏感度为0.17461，与市售商用镍基高温合金材料的开裂敏感系数对比如图2所示，在激光增材制造工艺过程中能够有效控制选区熔化凝固裂纹。
实施例4
本发明的镍基高温合金材料，用作以激光增材制造工艺成型燃气轮机用的高温透平叶片，具体包含如下质量百分比的合金元素(各元素的纯度不低于99.99％)：17.40％Cr、16.70％Co、0.008％Mo、6.00％W、1.99％Ta、1.62％Nb、2.10％Al、3.49％Ti、0.14％C、0.007％B、0.006％Zr、余量为Ni和不可避免的杂质元素。
上述配方量的镍基高温合金材料，被制成激光增材制造工艺用的球形粉末，具体制备方法包括下列工艺步骤：
步骤1.将配方量的合金元素装入坩埚内，坩埚置于真空感应炉内，在低于0.1Pa的真空度下采用感应加热，升温至1600℃进行高温真空熔炼35min；
关闭真空感应炉，在1550℃下进行浇注，形成合金锭；
步骤2.将合金锭装入真空自耗电弧炉内作为自耗电极，使炉内真空度低于0.3pa，接通电源形成电弧，对合金锭进行真空自耗重熔，自然冷却获得中心无二次缩孔的真空自耗合金棒坯；
步骤3.将合金棒坯置入等离子旋转电极制粉设备中，对制粉室抽真空度至0.1Pa以下，向制粉室充入He、Ar混合气体0.8MPa；
等离子枪电流为1300A，电压为60V，合金棒坯的转速为16000r/min，等离子枪与合金棒料之间的距离为40mm，超高速旋转的合金棒端部在同轴的等离子体电弧加热源的作用下熔化成液膜，并在离心力作用下向电极端外缘甩出，在空中破碎成球并快速凝固，最终落入制粉室下方的粉末收集器，获得镍基高温合金球形粉末；
步骤4.在高纯氩气气氛环境之下，从镍基高温合金球形粉末中筛选出粒径范围为15～53μm粉末，该粉末用作激光增材制造工艺的原料。
本实施例制得的镍基高温合金粉末(编号DFNC-4)，经检测发现，焊接开口裂纹敏感度为0.07958，与市售商用镍基高温合金材料的开裂敏感系数对比如图2所示，在激光增材制造工艺过程中能够有效控制选区熔化凝固裂纹。
实施例5
本发明的镍基高温合金材料，用作以激光增材制造工艺成型燃气轮机用的高温透平叶片，具体包含如下质量百分比的合金元素(各元素的纯度不低于99.99％)：17.14％Cr、15.70％Co、0.01％Mo、6.00％W、1.99％Ta、1.45％Nb、2.02％Al、3.52％Ti、0.14％C、0.005％B、0.007％Zr、余量为Ni和不可避免的杂质元素。
上述配方量的镍基高温合金材料，被制成激光增材制造工艺用的球形粉末，具体制备方法包括下列工艺步骤：
步骤1.将配方量的合金元素装入坩埚内，坩埚置于真空感应炉内，在低于0.1Pa的真空度下采用感应加热，升温至1700℃进行高温真空熔炼35min；
关闭真空感应炉，在1600℃下进行浇注，形成合金锭；
步骤2.将合金锭装入真空自耗电弧炉内作为自耗电极，使炉内真空度低于0.3pa，接通电源形成电弧，对合金锭进行真空自耗重熔，自然冷却获得中心无二次缩孔的真空自耗合金棒坯；
步骤3.将合金棒坯置入等离子旋转电极制粉设备中，对制粉室抽真空度至0.1Pa以下，向制粉室充入He、Ar混合气体0.9MPa；
等离子枪电流为1400A，电压为50V，合金棒坯的转速为17000r/min，等离子枪与合金棒料之间的距离为45mm，超高速旋转的合金棒端部在同轴的等离子体电弧加热源的作用下熔化成液膜，并在离心力作用下向电极端外缘甩出，在空中破碎成球并快速凝固，最终落入制粉室下方的粉末收集器，获得镍基高温合金球形粉末；
步骤4.在高纯氩气气氛环境之下，从镍基高温合金球形粉末中筛选出粒径范围为15～53μm粉末，该粉末用作激光增材制造工艺的原料。
本实施例制得的镍基高温合金粉末(编号DFNC-5)，经检测发现，焊接开口裂纹敏感度为0.08387，与市售商用镍基高温合金材料的开裂敏感系数对比如图2所示，在激光增材制造工艺过程中能够有效控制选区熔化凝固裂纹。
实施例6
本发明的镍基高温合金材料，具体包含如下质量百分比的合金元素(各元素的纯度不低于99.99％)：16.80％Cr、16.45％Co、6.10％W、1.80％Ta、1.40Nb、1.90％Al、3.40Ti、0.13％C、0.006％B、0.008％Zr、余量为Ni和不可避免的杂质元素。
上述配方量的镍基高温合金材料，用作以传统铸造方式成型燃气轮机的透平叶片。
以上各实施例仅用以说明本发明，而非对其限制。
尽管参照上述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对上述各实施例进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明的精神和范围。
Claims (9)
1.一种低开裂敏感系数镍基高温合金，其特征在于，所述镍基高温合金包含如下质量百分比的合金元素：
Cr 16.73～17.40%、
Co 15.60～16.70%、
W 5.90～6.30%、
Ta 1.80～2.12%、
Nb 1.40～1.62%、
Al 1.90～2.10%、
Ti 3.40～3.60%、
C 0.12～0.14%、
B 0.003～0.007%、
Zr 0.005～0.009%、
余量为Ni和不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求1所述低开裂敏感系数镍基高温合金，其特征在于，所述镍基高温合金中还包含有Mo元素；
所述Mo元素在所述镍基高温合金中的最高质量百分比为0.01%。
3.根据权利要求2所述低开裂敏感系数镍基高温合金，其特征在于，所述镍基高温合金包含如下质量百分比的合金元素：
Cr 17.24%、
Co 16.67%、
Mo 0.01%、
W 6.09%、
Ta 1.95%、
Nb 1.47%、
Al 2.04%、
Ti 3.60%、
C 0.14%、
B 0.003%、
Zr 0.009%、
余量为Ni和不可避免的杂质元素。
4.根据权利要求2所述低开裂敏感系数镍基高温合金，其特征在于，所述镍基高温合金包含如下质量百分比的合金元素：
Cr 16.73%、
Co 15.60%、
Mo 0.005%、
W 5.92%、
Ta 2.12%、
Nb 1.45%、
Al 2.00%、
Ti 3.54%、
C 0.12%、
B 0.005%、
Zr 0.007%、
余量为Ni和不可避免的杂质元素。
5.根据权利要求2所述低开裂敏感系数镍基高温合金，其特征在于，所述镍基高温合金包含如下质量百分比的合金元素：
Cr 16.90%、
Co 15.86%、
Mo 0.009%、
W 6.29%、
Ta 1.93%、
Nb 1.58%、
Al 2.02%、
Ti 3.54%、
C 0.14%、
B 0.005%、
Zr 0.005%、
余量为Ni和不可避免的杂质元素。
6.根据权利要求2所述低开裂敏感系数镍基高温合金，其特征在于，所述镍基高温合金包含如下质量百分比的合金元素：
Cr 17.40%、
Co 16.70%、
Mo 0.008%、
W 6.00%、
Ta 1.99%、
Nb 1.62%、
Al 2.10%、
Ti 3.49%、
C 0.14%、
B 0.007%、
Zr 0.006%、
余量为Ni和不可避免的杂质元素。
7.根据权利要求2所述低开裂敏感系数镍基高温合金，其特征在于，所述镍基高温合金包含如下质量百分比的合金元素：
Cr 17.14%、
Co 15.70%、
Mo 0.01%、
W 6.00%、
Ta 1.99%、
Nb 1.45%、
Al 2.02%、
Ti 3.52%、
C 0.14%、
B 0.005%、
Zr 0.007%、
余量为Ni和不可避免的杂质元素。
8.一种权利要求1至7任一项所述低开裂敏感系数镍基高温合金的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括下列工艺步骤：
步骤1. 将配方量的合金元素在真空感应炉内熔炼成合金锭；
步骤2. 将合金锭进行真空自耗重熔，形成中心无二次缩孔的合金棒坯；
步骤3. 将合金棒坯通过超高速旋转电极制成镍基高温合金球形粉末。
9.一种权利要求8制得的低开裂敏感系数镍基高温合金球形粉末的用途，其特征在于，在高纯氩气气氛环境之下，从镍基高温合金球形粉末中筛选出粒径15～53μm粉末，用作燃气轮机高温透平叶片以激光增材制造工艺成型的原料。
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