CN110607470B

CN110607470B - 一种抗氧化镍基合金

Info

Publication number: CN110607470B
Application number: CN201910961662.8A
Authority: CN
Inventors: 谭政; 佟健; 郑志
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS
Priority date: 2019-10-11
Filing date: 2019-10-11
Publication date: 2021-11-09
Anticipated expiration: 2039-10-11
Also published as: CN110607470A

Abstract

本发明公开了一种镍基合金，属于抗氧化镍基合金领域。该合金的成分组成与百分含量(wt.％)为：C 0.2～0.5％，Cr 26～28％，Nb 0.5～1.5％，W 3～5％，Ti 2～4％，Al 1～3％，B 0.005～0.012％，Si 0.1～0.5％，Zr 0.01～0.1％，Fe 0～5％，RE 0.01～0.1％，其余为Ni。通过适当的元素选择及成分设计，使该合金既具有较高的高温力学性能，又兼备优异的抗高温氧化性能，且生产成本低廉，适用于制造在高温高应力下工作的玻璃棉用离心器。

Description

一种抗氧化镍基合金

技术领域

本发明涉及一种镍基合金，尤其是一种兼具良好高温力学性能及优异抗高温氧化性能的抗氧化镍基合金。

背景技术

离心器是离心喷吹法生产玻璃棉及其制品的关键部件。熔融的玻璃液经通道和漏板流入高速旋转的离心器内，在离心力的作用下，玻璃液通过离心器侧壁数万个小孔形成细流股，再在高温高速燃气流的作用下进一步牵引生成直径约4～8μm的玻璃棉。

由于工作环境恶劣，要求制造离心器所用合金具有良好的高温力学性能、高温抗氧化性能及抗熔融玻璃液腐蚀和冲刷的性能，因而多采用Ni基或Co基抗氧化合金制备离心器。但钴元素价格昂贵且属于稀缺元素，从成本等方面考虑，目前大量使用的玻璃棉离心器多采用镍基抗氧化合金制造。

随着对玻璃棉生产效率及质量要求的不断提高，离心器的设计尺寸、旋转速度及工作温度也在不断上升。目前离心器的尺寸较以往更大(Φ400mm以上)且工作温度更高(1050℃～1080℃)，这对离心器材料在更高温度下的力学性能及抗氧化性能等提出了新的挑战。现有的离心器合金，如Inconel 625、ZG40Cr28Ni48W5等，或高温力学性能不足，或抗高温氧化性能较差，难以满足新工作条件下的使用要求。因此，亟待研制一种兼具较高的高温力学性能及优异抗高温氧化性能，且成本低廉的抗氧化镍基合金，用于制备玻璃棉离心器。

发明内容

针对以上现有技术的不足，本发明提供一种抗氧化镍基合金。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种抗氧化镍基合金，其中该合金的成分组成与百分含量(wt.％)为，C 0.2～0.5％、Cr 26～28％、Nb 0.5～1.5％、W 3～5％、Ti 2～4％、Al 1～3％、B 0.005～0.012％、Si 0.1～0.5％、Zr 0.01～0.1％、Fe 0～5％、稀土0.01～0.1％，余量为Ni。

作为优选的技术方案：所述抗氧化镍基合金中，W+Cr-5C≤31％，0.8≤Ti/Al≤3.5，其中W、Cr、C、Ti、Al分别表示所述抗氧化镍基合金中元素W、Cr、C、Ti、Al的质量分数。

本发明合金的化学成分设计主要基于如下理由：

本发明合金以Ni作为基体，同时在保证不损害合金高温性能下，可加入少量的Fe以降低成本。

C(碳)是影响合金高温力学性能和耐磨性能的重要元素。C在合金中形成不同类型的碳化物，阻碍位错运动，提高合金的强度。此外，碳化物硬度较大，有利于提高合金耐熔融玻璃液和高温气流磨蚀的能力。然而，碳化物在高温氧化时容易被优先氧化形成疏松孔洞，破坏合金氧化膜的致密性，影响合金的高温抗氧化性能。因此，本合金中C的含量控制在0.2～0.5wt.％。

Cr(铬)是影响合金抗氧化和抗熔融玻璃液腐蚀性能的重要元素，同时又可与C结合生成骨架状碳化物起强化作用。Cr还可固溶于基体中起固溶强化作用。此外，W(钨)也是重要的固溶强化元素。然而，过高的固溶元素含量会降低合金的组织稳定性，导致有害相的析出。综合考虑元素的抗氧化作用及固溶强化效果，本合金中Cr的含量控制在26～28wt.％，W的含量控制为3～5wt.％，且W+Cr-5C≤31％，其中W、Cr、C分别表示所述抗氧化镍基合金中元素W、Cr、C的质量分数。

Nb(铌)是影响合金高温力学性能的重要元素，其可与C结合形成MC型碳化物NbC。一方面，Nb的碳化物取代了一部分Cr的碳化物，有助于提高基体中的Cr含量，增强合金的抗高温氧化能力；另一方面，NbC在合金中呈细小、弥散状分布，有利于提高合金的高温力学性能。然而过量的Nb会导致合金晶界处析出有害相，因此本合金中Nb的含量控制在0.5～1.5％wt.％。

Al(铝)是合金中沉淀强化相γ′(Ni₃Al)的基本组成元素，适量的Al有助于提高合金的高温强度。然而，Al在高温氧化时生成Al₂O₃，会与呈碱性的熔融玻璃液发生反应，破坏氧化膜的完整性，不利于合金的抗玻璃液腐蚀性能。Ti(钛)原子可以替代γ′相中的Al原子，形成Ni₃(Al,Ti)，也可起到沉淀强化作用。此外，Ti还可以促进MC型碳化物的形成，提高合金的高温强度。然而，过高的Ti/Al比会降低γ′相的稳定性。并且，Ti属于活泼金属元素，易在合金高温氧化时发生内氧化或内氮化，不利于合金的高温抗氧化性能。结合上述各因素，本发明控制Al含量在1～3wt.％，Ti含量在2～4wt.％，且0.8≤Ti/Al≤3.5，其中Ti、Al分别表示所述抗氧化镍基合金中元素Ti、Al的质量分数。

B(硼)、Zr(锆)加入合金后偏聚于晶界处，对合金的力学性能有一定改善作用，且两者复合添加时效果更为明显。但过高的B、Zr含量会降低合金的初熔温度，对合金高温性能不利。本合金中同时加入B、Zr元素，并将加入量分别控制在B 0.005～0.012wt.％和Zr0.01～0.1％wt.％。

Si(硅)可以改善合金中碳化物的形貌，同时有利于提高合金的高温耐磨性能。但过高的Si含量会损害合金的高温力学性能，因此本合金中控制Si含量在0.1～0.5％wt.％。

RE(稀土)，合金中添加微量的稀土元素，在高温氧化过程中形成氧化物钉扎基体，可以提高氧化膜的粘附性，增强合金抗高温气流和熔融玻璃液冲蚀的能力。因此本合金中加入0.01～0.1wt.％的RE，提高合金的使役性能。

上述各元素的合理配比是使本发明合金获得优异综合性能的基础。本发明根据各元素对合金高温力学性能及抗氧化性能的不同作用，通过大量试验研究，确定各元素的合适含量范围，使合金既具有较高的高温力学性能，又兼备优异的抗高温氧化性能。

本发明的优点：与现有玻璃棉离心器用合金相比，本发明合金兼具较高的高温力学性能及优异的抗高温氧化性能，采用本发明合金制备的大尺寸玻璃棉离心器，在1050℃～1080℃的高温下使用时不易变形，使用寿命明显提高，且合金成本低廉，具有非常好的经济效益。

附图说明

图1为实施例一、二合金与对比文件合金1080℃氧化损伤深度的比较。

图2为实施例三、四合金与对比文件合金1080℃氧化损伤深度的比较。

图3为实施例五、六合金与对比文件合金1080℃氧化损伤深度的比较。

图4为实施例一合金在1080℃氧化150h后的氧化层情况。

图5为实施例二合金在1080℃氧化150h后的氧化层情况。

图6为实施例三合金在1080℃氧化150h后的氧化层情况。

图7为实施例四合金在1080℃氧化150h后的氧化层情况。

图8为实施例五合金在1080℃氧化150h后的氧化层情况。

图9为实施例六合金在1080℃氧化150h后的氧化层情况。

图10为对比文件一合金在1080℃氧化150h后的氧化层情况。

图11为对比文件二合金在1080℃氧化150h后的氧化层情况。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明做以下详细说明。

实施例一：

各组分的含量为C 0.2％、Cr 26％、Nb 0.5％、W 3％、Ti 2％、Al 1％、B 0.005％、Si 0.1％、Zr 0.01％、稀土0.01％，余量为Ni。

实施例二：

各组分的含量为C 0.47％、Cr 27.5％、Nb 1.2％、W 4.1％、Ti 3.2％、Al 2.1％、B0.01％、Si 0.3％、Zr 0.05％、Fe 4.6％、稀土0.05％，余量为Ni。

实施例三：

各组分的含量为C 0.42％、Cr 26.5％、Nb 1.0％、W 3.0％、Ti 3.4％、Al 2.3％、B0.005％、Si 0.1％、Zr 0.02％、Fe 3.0％、稀土0.02％，余量为Ni。

实施例四：

各组分的含量为C 0.34％、Cr 27.3％、Nb 1.2％、W 4.7％、Ti 3.7％、Al 2.8％、B0.008％、Si 0.2％、Zr 0.03％、Fe 4.2％、稀土0.08％，余量为Ni。

实施例五：

各组分的含量为C 0.4％、Cr 27％、Nb 1.0％、W 5％、Ti 3％、Al 2％、B 0.01％、Si 0.3％、Zr 0.05％、Fe 2.5％、稀土0.05％，余量为Ni。

实施例六：

各组分的含量为C 0.5％、Cr 28％、Nb 1.5％、W 5％、Ti 4％、Al 3％、B 0.012％、Si 0.5％、Zr 0.1％、Fe 5％、稀土0.1％，余量为Ni。

表1本发明实施例的合金及对比文件合金化学成分对照表(wt.％)：

本发明所述镍基合金经真空感应炉熔炼，然后再用精密铸造工艺成型，经热处理、机加工等步骤制成玻璃棉离心器。

与现有玻璃棉离心器用合金相比，本发明合金兼具较高的高温力学性能及优异的抗高温氧化性能。

表2本发明实施例的合金和对比文件合金持久性能比较

本发明合金在高温下表现出了良好的持久性能，在1050℃、35MPa的应力下持久寿命大于110小时。

图1-3为实施例合金与对比文件合金1080℃氧化损伤深度的比较。可以看出，本发明的合金在高温下不同氧化时间后的氧化损伤深度较小，高温抗氧化性能优异。

图4-11为实施例合金和对比文件合金在1080℃氧化150h后的氧化层情况。可以看出，本发明的合金经高温氧化后，表面可生成一层较为完整致密的氧化膜，有利于阻止合金基体的进一步氧化，也有利于阻挡熔融玻璃液对基体的腐蚀。此外，本发明的合金氧化程度较为均匀，表现出优异的抗高温氧化性能。

表3本发明实施例合金和对比文件合金制备的离心器使用寿命比较

由本发明合金制备的大尺寸玻璃棉离心器，在1050℃～1080℃的高温下使用时不易变形，使用寿命明显提高。且合金成本低廉，具有非常好的经济效益。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种用于制造玻璃棉用离心器的抗氧化镍基合金，其特征在于：该合金的成分组成与按质量分数的百分含量为，C 0.2~0.5%、Cr 26~28%、Nb 0.5~1.5%、W 3~4.7%、Ti 2~4%、Al1~3%、B 0.005~0.012%、Si 0.1~0.5%、Zr 0.01~0.1%、Fe 0~5%、稀土 0.01~0.1%，余量为Ni；

所述抗氧化镍基合金中，W+Cr-5C≤31%，其中W、Cr、C分别表示所述抗氧化镍基合金中元素W、Cr、C的质量分数；0.8≤Ti/Al≤3.5，其中Ti、Al分别表示所述抗氧化镍基合金中元素Ti、Al的质量分数；

采用所述抗氧化镍基合金制备的大尺寸玻璃棉离心器，在1050℃~1080℃的高温下使用时不易变形。