CN101270427A - 由富铬析出相强化的高铬镍基高温合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种由富铬析出相强化的高铬镍基高温合金及其制备方法，属于高温用合金钢领域，特别适用于在1350℃以下使用的高强度耐腐蚀高温合金部件。本发明所提出的高铬镍基高温合金的成分范围(重量％)为Cr35～40％；C≤0.01；Al0.01～3％；Ti0.01～3％；余量为Ni及其它不可避免的杂质元素。其制备方法为：将构成元素的原料组合物依次经熔炼，浇铸，锻造或轧制后，先经1100～1200℃保持30mins～1h的固溶处理，再进行两段时效处理。经过上述热处理后，奥氏体基体中均匀分布着高密度的颗粒状富铬α－Cr析出相，其尺寸为0.1～2μm之间，实现了组织的优化匹配，同时保证了合金的塑韧性和强度。与现有技术相比较，不仅具有优异的抗氧化抗热腐蚀性能，而且将α－Cr作为强化相，显微组织稳定并具有优良的力学性能，尤其在高温、热腐蚀环境中使用其综合性能明显优于现有合金。

Description

由富铬析出相强化的高铬镍基高温合金及其制备方法

技术领域

本发明属于高温用合金钢领域。特别适用于在1350℃以下使用的高强度耐热腐蚀高温合金部件。

背景技术

燃烧室是航空航天发动机中的关键承热部件。燃油雾化、油气混合、点火和燃烧等过程都是在燃烧室(除去外壳部分也称火焰筒)内进行的。因此燃烧室是发动机各部件中温度最高的区域，燃烧室内燃气温度高达1500℃～2000℃时，室壁合金承受的温度可达800℃～900℃以上，局部处可达1100℃。因此，燃烧室所受的机械应力较小，但热应力较大，对材料的要求主要有：高温抗氧化和抗燃气腐蚀性能；足够的强度；良好的冷热疲劳性能；良好的工艺塑性(持久、弯曲性能)和焊接性能；以及合金在工作温度下长期组织稳定。

众所周知，Cr含量越高，合金的高温抗氧化性和耐蚀性尤其是耐硫腐蚀性越好。因此，提高Cr含量可以满足抗氧化和燃气腐蚀的需求，但是Cr含量增加势必导致合金中富铬的体心立方α-Cr相从基体过饱和析出。一般在Cr含量超过30％的镍基铸态合金中，从基体析出α-Cr多呈粗片层状，这就大大限制了高铬合金的力学性能，尤其是塑性。由于抗氧化腐蚀能力与力学性能上的矛盾，常规的镍基高温合金的Cr含量仍多维持在30％以下[陈国良.高温合金学，北京：冶金工业出版社，1988；董建新，谢锡善.不同Cr含量高温合金中α-Cr相析出行为及作用.金属学报，2005，41(11)：1159]。如目前燃烧室常用的合金材料GH1140，GH3030，GH3044等，Cr含量都在20％～30％之间，多利用固溶强化[刘伯操.航空材料选用目录.北京：中国航空工业公司出版社，1995]。所以，对于燃烧室材料的综合性能要求，常规的高温合金由于Cr含量无法进一步提高，不能突破抗氧化和抗燃气腐蚀的要求界限，也就无法提升燃气温度，从而无法进一步提高发动机的能力。目前也有通过涂层等表面处理的方法来提高合金的高温抗氧化及热腐蚀性能，虽然能达到要求但却经常受到尺寸形状的限制且存在一定隐患[荀柏秋，李琦，赵乌恩.高温材料在燃气轮机中的应用和发展，热能动力工程，2004，19(5)：447]。

发明内容

本发明的目的是提出一种高铬含量、具有超强抗氧化和抗热腐蚀能力的合金，并通过组织优化方法，把原本合金中不可避免的有害α-Cr相转变为弥散均匀的颗粒态，作为强化相加以利用，从而保证合金的力学性能。

本发明提出高铬镍基高温合金的化学组分(重量％)为Cr：35～40％；C：≤0.01；Al：0.01～3％；Ti：0.01～3％；余量为Ni及其它不可避免的杂质元素。在合金的奥氏体基体中均匀分布着高密度的颗粒状富铬α-Cr析出相，其尺寸为0.1～2μm之间。

上述高铬镍基高温合金的制备方法是将构成元素的原料组合物依次经熔炼，浇铸，锻造或轧制后，先经1100～1200℃保持30分钟～1小时的固溶处理，再进行时效处理。时效处理分为两段，第一次是在650～750℃保持3～5h，空冷，第二次是在850～950℃保持1～2h，空冷。

从本发明的各合金成分来看，考虑到Cr是保证合金抗氧化抗硫化和抗热腐蚀性能的决定性元素，因此本发明的Cr含量在35％～40％之间，大大超过了常规的镍基高温合金，所以其在高温环境下特别是燃气下使用时，耐氧化及各种腐蚀的能力也远远强于普通的合金。另外，由于Cr含量的提高，超过了基体的固溶度，因此富铬的α-Cr相会直接从基体中析出，该相通过合适的热处理制度可以被优化成为弥散高密度的均匀颗粒，因此不但不会影响合金的力学性能，而且可以作为强化相来加以利用，另外本发明中α-Cr相的溶解温度高达1200℃左右，因此将其作为强化相可以保障合金具有相当优异的高温组织稳定性。

Al是传统强化相γ′的形成元素，其含量控制在0.01～3％之间，在时效过程中会生成尺寸较α-Cr更小的γ′相，二者可相互搭配，作为补充强化，使合金具备900℃以下更高的强度。另外，Al元素也可以进一步提高Cr的氧化膜致密度，从而进一步提高合金的高温抗氧化和热腐蚀性能。

Ti同Al一样可作为γ′的形成元素，其含量控制在0.01～3％之间，与Al同时加入可以调整γ′的强度和稳定性。

C含量控制在0.01％以下，可以避免由于设计元素Cr含量较高引起大块Cr的碳化物析出，而严重影响合金的塑性和加工性能。

本发明高铬镍基高温合金制备时将构成元素的原料组合物依次经熔炼、浇铸、锻造或轧制后，经过固溶处理和两段时效处理可以将α-Cr相从有害相变为强化相，有效地解决因提高抗氧化腐蚀能力而提高Cr含量所带来的影响其力学性能的问题。

本发明采用的固溶处理可以回溶掉铸态或轧态原始组织中存在的片层状α-Cr相，积累一定的过饱和度，为下一步时效中控制析出形态合理的α-Cr相做准备。

本发明采用的时效处理在第1段时，可以利用较大的过冷度使α-Cr广泛、均匀的大量形核。在第2段时效处理时，可以利用上一步时效中生成的大量细小核心，使α-Cr相依附形核长大成均匀颗粒状，一方面避免了α-Cr重新连成片层状或针网状组织，另一方面由于属于非均匀形核还间接地加快了析出长大的速度。另外，第二段时效较高的温度下由于Cr元素扩散较快，α-Cr可以快速长大，迅速实现较高的密度，减少了热处理时间，而且形貌也比较圆润。

采用本发明高铬镍基高温合金与现有技术相比，通过组织优化，以α-Cr作为强化相，从而解决了镍基合金抗氧化能力，Cr含量与力学性能之间的矛盾，不仅具有了优异的抗氧化抗热腐蚀性能，而且显微组织稳定，具有很好的力学性能，尤其在高温腐蚀环境中使用其综合性能明显优于现有合金。

附图说明

图1为实施例中合金2经热处理(1140℃×30min AC+700℃×4h AC+950℃×2hAC)后的扫描电镜照片

具体实施方式

实施例：

表1列出了成分在本发明规定成分范围内的3种高铬镍基高温合金。其制备方法均由25公斤真空冶炼炉冶炼然后直接热轧制成的棒材，后再经表2列出的热处理工艺制度进行处理。图1就是表1列出的合金2经表2中的热处理2后的扫描电镜照片。可见析出的高密度的α-Cr相呈颗粒状均匀分布在基体上，起到了强化的作用，而且良好的形态也并不影响合金的塑韧性。为了方便对比，表1列出了常规的航空发动机燃烧室材料。其成分，热处理方法及性能数据均来源于中国航空材料手册[《中国航空材料手册》编辑委员会，中国航空材料手册，北京：中国标准出版社，2002]。

热处理后加工成拉伸样品进行力学性能测试，结果和对比合金的相应性能列于表3。另外，对实施例作了1000℃100h空气介质的氧化速率实验，结果与对比合金的相应性能列于4。对比表3，表4的结果可以看出，采用本发明高铬镍基高温合金与常规的燃烧室材料相比，不仅抗氧化抗热腐蚀性能大大提升，而且还具有很高的高温强度，同时还保证了一定的塑性，综合性能有了较大的提高。

表1(wt％)

表2

表3

表4

Claims (3)

1.一种由富铬析出相强化的高铬镍基高温合金，其特征在于，化学组分按重量百分比计为Cr：35～40％；C：≤0.01；Al：0.01～3％；Ti：0.01～3％；余量为Ni及其它不可避免的杂质元素，在合金的奥氏体基体中均匀分布着高密度的颗粒状富铬α-Cr析出相，其尺寸为0.1～2μm之间。

2.权利要求1所述的由富铬析出相强化的高铬镍基高温合金的制备方法，将构成元素的原料组合物依次熔炼、浇铸、锻造或轧制，其特征在于，锻造或轧制之后，先经1100～1200℃保持30分钟～1小时的固溶处理，再进行时效处理。

3.如权利要求2所述的由富铬析出相强化的高铬镍基高温合金的制备方法，其特征在于，时效处理分为两段，第一次是在650～750℃保持3～5h，空冷，第二次是在850～950℃保持1～2h，空冷。

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