CN111575535A - 一种镍基高温合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种镍基高温合金及其制备方法，具体涉及高温合金领域，其中各主要元素质量百分数分别为：铬Cr:2wt％‑3.2wt％、钨W:4.8wt％‑5wt％、钼Mo:0.2wt％‑0.6wt％、钴Co:2.8wt％‑4wt％、硅Si:0.5wt％‑0.9wt％、铁Fe:12wt％‑13.6wt％、铝A1:5.3wt％‑6.4wt％、钛Ti:0.15wt％‑0.3wt％、硼B:0.005wt％‑0.01wt％、铌Nb:0.05wt％‑0.15wt％、钽Ta:7.2wt％‑9.6wt％、铪Hf:0.15wt％‑0.28wt％、铬Cr:1.8wt％‑2.4wt％，余量设置为镍Ni。本发明通过镍基合金中溶解较多合金元素，且能保持较好的组织稳定性；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，从而提高制得的镍基高温合金的整体特性。

Description

一种镍基高温合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及高温合金技术领域，更具体地说，本发明涉及一种镍基高温合金及其制备方法。
背景技术
高温合金是指以铁、镍、钴为基，在高温环境下服役，并能承受严酷的机械应力及具有良好表面稳定性的一类合金。高温合金一般具有高的室温和高温强度、良好的抗氧化性和抗热腐蚀性、优异的蠕变与疲劳抗力、良好的组织稳定性和使用的可靠性。因此，高温合金既是航空、航天发动机高温部件的关键材料，又是舰船、能源、石油化工等工业领域不可缺少的重要材料，已成为衡量一个国家材料发展水平的重要标志之一。在整个高温合金领域中，镍基高温合金占有特殊重要的地位。与铁基和钴基高温合金相比，镍基高温合金具有更高的高温强度和组织稳定性，广泛应用于制作航空喷气发动机和工业燃气轮机的热端部件。现代燃气涡轮发动机有50％以上质量的材料采用高温合金，其中镍基高温合金的用量在发动机材料中约占40％。镍基合金在中、高温度下具有优异综合性能，适合长时间在高温下工作，能够抗腐蚀和磨蚀，是最复杂的、在高温零部件中应用最广泛的、在所有超合金中许多冶金工作者最感兴趣的合金。镍基高温合金主要用于航空航天领域950-1050℃下工作的结构部件，如航空发动机的工作叶片、涡轮盘、燃烧室等。
镍基高温合金指的是以镍为基体(含量一般大于50％)在650-1000℃范围内具有较高的强度和良好的抗氧化、抗燃气腐蚀能力的高温合金。虽然现有的镍基合金的抗热腐蚀性能较佳，但随着各行业对耐高温合金的耐高温要求越来越高，现有技术中镍基高温合金无法满足使用需求，需要制备耐更高温度的镍基高温合金来满足使用需求。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供一种镍基高温合金及其制备方法，本发明所要解决的技术问题是：如何制备耐更高温度的镍基高温合金来满足使用需求。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种镍基高温合金，其中各主要元素质量百分数分别为：铬Cr:2wt％-3.2wt％、钨W:4.8wt％-5wt％、钼Mo:0.2wt％-0.6wt％、钴Co:2.8wt％-4wt％、硅Si:0.5wt％-0.9wt％、铁Fe:12wt％-13.6wt％、铝A1:5.3wt％-6.4wt％、钛Ti:0.15wt％-0.3wt％、硼B:0.005wt％-0.01wt％、铌Nb:0.05wt％-0.15wt％、钽Ta:7.2wt％-9.6wt％、铪Hf:0.15wt％-0.28wt％、铬Cr:1.8wt％-2.4wt％，余量设置为镍Ni。
在一个优选地实施方式中，其中各主要元素质量百分数分别为：铬Cr:2wt％、钨W:4.8wt％、钼Mo:0.2wt％、钴Co:2.8wt％、硅Si:0.5wt％、铁Fe:12wt％、铝A1:5.3wt％、钛Ti:0.15wt％、硼B:0.005wt％、铌Nb:0.05wt％、钽Ta:7.2wt％、铪Hf:0.15wt％、铬Cr:1.8wt％，余量设置为镍Ni。
在一个优选地实施方式中，其中各主要元素质量百分数分别为：铬Cr:2.6wt％、钨W:4.9wt％、钼Mo:0.4wt％、钴Co:3.4wt％、硅Si:0.7wt％、铁Fe:12.8wt％、铝A1:5.85wt％、钛Ti:0.23wt％、硼B:0.007wt％、铌Nb:0.1wt％、钽Ta:8.4wt％、铪Hf:0.21wt％、铬Cr:2.1wt％，余量设置为镍Ni。
在一个优选地实施方式中，其中各主要元素质量百分数分别为：铬Cr:3.2wt％、钨W:5wt％、钼Mo:0.6wt％、钴Co:4wt％、硅Si:0.9wt％、铁Fe:13.6wt％、铝A1:6.4wt％、钛Ti:0.3wt％、硼B:0.01wt％、铌Nb:0.15wt％、钽Ta:9.6wt％、铪Hf:0.28wt％、铬Cr:2.4wt％，余量设置为镍Ni。
本发明还包括镍基高温合金的制备方法，具体步骤如下：
S1、冶炼制粉：使用真空自耗炉采用真空感应冶炼的方式进行炼气雾化法制备高温合金粉末；
S2、锻造铸型：提高空感应炉内温度，对步骤S1制得的合金粉末采用锻造、轧制工艺熔炼，保证合金成分冶炼时气体的控制量和杂质含量，并用真空重熔-精密铸造法制成零件胚件，铸造变形的目的是为了破碎铸造组织，优化微观组织结构；
S3、热处理：将步骤S2制得的零件胚件进行固溶处理、中间处理和时效处理，以获得所要求的组织状态和良好的综合性能；
S4、表面处理：通过强激光诱导的冲击波在金属表层引入残余压应力，进行表面改性，通过强激光诱导的冲击波在金属表层引入残余压应力，从而抑制疲劳裂纹的萌生和发展，从而提高疲劳寿命增益系数。
在一个优选地实施方式中，所述步骤S3中固溶处理温度设置为1150-1200℃，处理时长设置为1.5-2.5h，再自然冷却至室温。
在一个优选地实施方式中，所述步骤S3中中间处理温度设置为1050-1100℃，处理时长设置为3-5h，再自然冷却至室温。
在一个优选地实施方式中，所述步骤S3中时效处理包括一次时效处理和二次时效处理，所述一次时效处理温度设置为820-860℃，处理时长设置为24h，再自然冷却至室温，所述二次时效处理温度设置为750-770℃，处理时长设置为15-17h，再自然冷却至室温。
本发明的技术效果和优点：
本发明通过镍基合金中溶解较多合金元素，且能保持较好的组织稳定性；形成共格有序的A3B型金属间化合物γ[Ni3(Al，Ti)]相作为强化相，使合金得到有效的强化，获得比铁基高温合金和钴基高温合金更高的高温强度；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，从而提高制得的镍基高温合金的整体特性，从而提高了镍基合金的工作温度，更能满足现有行业对镍基合金的使用要求。
具体实施方式
下面将结合本发明中的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
本发明提供了一种镍基高温合金，其中各主要元素质量百分数分别为：铬Cr:2wt％-3.2wt％、钨W:4.8wt％-5wt％、钼Mo:0.2wt％-0.6wt％、钴Co:2.8wt％-4wt％、硅Si:0.5wt％-0.9wt％、铁Fe:12wt％-13.6wt％、铝A1:5.3wt％-6.4wt％、钛Ti:0.15wt％-0.3wt％、硼B:0.005wt％-0.01wt％、铌Nb:0.05wt％-0.15wt％、钽Ta:7.2wt％-9.6wt％、铪Hf:0.15wt％-0.28wt％、铬Cr:1.8wt％-2.4wt％，余量设置为镍Ni；
而具体到本实施例中，其中各主要元素质量百分数分别为：铬Cr:2wt％、钨W:4.8wt％、钼Mo:0.2wt％、钴Co:2.8wt％、硅Si:0.5wt％、铁Fe:12wt％、铝A1:5.3wt％、钛Ti:0.15wt％、硼B:0.005wt％、铌Nb:0.05wt％、钽Ta:7.2wt％、铪Hf:0.15wt％、铬Cr:1.8wt％，余量设置为镍Ni。
本发明还包括镍基高温合金的制备方法，具体步骤如下：
S1、冶炼制粉：使用真空自耗炉采用真空感应冶炼的方式进行炼气雾化法制备高温合金粉末，添加Cr的目的是进一步提高高温合金抗氧化、抗高温腐蚀性能，镍基高温合金具有良好的综合性能；
S2、锻造铸型：提高空感应炉内温度，对步骤S1制得的合金粉末采用锻造、轧制工艺熔炼，保证合金成分冶炼时气体的控制量和杂质含量，并用真空重熔-精密铸造法制成零件胚件，铸造变形的目的是为了破碎铸造组织，优化微观组织结构，为了满足1000℃左右高温热强性(高温强度、蠕变抗力、高温疲劳强度)和气体介质中的抗氧化、抗腐蚀的要求，加入了W、Mo、Ti、Al、Nb、Co等大量的强化元素，以保证其优越的高温性能，除具有固溶强化作用，高温合金更依靠Al、Ti等与Ni形成金属问化合物γ′相(Ni3A1或Ni3Ti等)的析出强化和部分细小稳定碳化物的晶内弥散强化以及B对晶界起净化、强化作用；
S3、热处理：将步骤S2制得的零件胚件进行四段处理：固溶处理、中间处理和时效处理，固溶处理温度设置为1150-1200℃，处理时长设置为1.5-2.5h，再自然冷却至室温；中间处理温度设置为1050-1100℃，处理时长设置为3-5h，再自然冷却至室温；时效处理包括一次时效处理和二次时效处理，所述一次时效处理温度设置为820-860℃，处理时长设置为24h，再自然冷却至室温，所述二次时效处理温度设置为750-770℃，处理时长设置为15-17h，再自然冷却至室温，以获得所要求的组织状态和良好的综合性能；
S4、表面处理：通过强激光诱导的冲击波在金属表层引入残余压应力，进行表面改性，由于镍基高温合金成分十分复杂，含有铬、铝等活泼元素，高温合金零件表面在氧化或热腐蚀环境中表现为表面化学不稳定，通过强激光诱导的冲击波在金属表层引入残余压应力，从而抑制疲劳裂纹的萌生和发展，可消除这些影响来提高疲劳性能的表面改性工艺技术，从而提高疲劳寿命增益系数。
实施例2：
本发明提供了一种镍基高温合金，其中各主要元素质量百分数分别为：铬Cr:2wt％-3.2wt％、钨W:4.8wt％-5wt％、钼Mo:0.2wt％-0.6wt％、钴Co:2.8wt％-4wt％、硅Si:0.5wt％-0.9wt％、铁Fe:12wt％-13.6wt％、铝A1:5.3wt％-6.4wt％、钛Ti:0.15wt％-0.3wt％、硼B:0.005wt％-0.01wt％、铌Nb:0.05wt％-0.15wt％、钽Ta:7.2wt％-9.6wt％、铪Hf:0.15wt％-0.28wt％、铬Cr:1.8wt％-2.4wt％，余量设置为镍Ni；
而具体到本实施例中，其中各主要元素质量百分数分别为：铬Cr:2.6wt％、钨W:4.9wt％、钼Mo:0.4wt％、钴Co:3.4wt％、硅Si:0.7wt％、铁Fe:12.8wt％、铝A1:5.85wt％、钛Ti:0.23wt％、硼B:0.007wt％、铌Nb:0.1wt％、钽Ta:8.4wt％、铪Hf:0.21wt％、铬Cr:2.1wt％，余量设置为镍Ni。
本发明还包括镍基高温合金的制备方法，具体步骤如下：
S1、冶炼制粉：使用真空自耗炉采用真空感应冶炼的方式进行炼气雾化法制备高温合金粉末，添加Cr的目的是进一步提高高温合金抗氧化、抗高温腐蚀性能，镍基高温合金具有良好的综合性能；
S2、锻造铸型：提高空感应炉内温度，对步骤S1制得的合金粉末采用锻造、轧制工艺熔炼，保证合金成分冶炼时气体的控制量和杂质含量，并用真空重熔-精密铸造法制成零件胚件，铸造变形的目的是为了破碎铸造组织，优化微观组织结构，为了满足1000℃左右高温热强性(高温强度、蠕变抗力、高温疲劳强度)和气体介质中的抗氧化、抗腐蚀的要求，加入了W、Mo、Ti、Al、Nb、Co等大量的强化元素，以保证其优越的高温性能，除具有固溶强化作用，高温合金更依靠Al、Ti等与Ni形成金属问化合物γ′相(Ni3A1或Ni3Ti等)的析出强化和部分细小稳定碳化物的晶内弥散强化以及B对晶界起净化、强化作用；
S3、热处理：将步骤S2制得的零件胚件进行四段处理：固溶处理、中间处理和时效处理，固溶处理温度设置为1150-1200℃，处理时长设置为1.5-2.5h，再自然冷却至室温；中间处理温度设置为1050-1100℃，处理时长设置为3-5h，再自然冷却至室温；时效处理包括一次时效处理和二次时效处理，所述一次时效处理温度设置为820-860℃，处理时长设置为24h，再自然冷却至室温，所述二次时效处理温度设置为750-770℃，处理时长设置为15-17h，再自然冷却至室温，以获得所要求的组织状态和良好的综合性能；
S4、表面处理：通过强激光诱导的冲击波在金属表层引入残余压应力，进行表面改性，由于镍基高温合金成分十分复杂，含有铬、铝等活泼元素，高温合金零件表面在氧化或热腐蚀环境中表现为表面化学不稳定，通过强激光诱导的冲击波在金属表层引入残余压应力，从而抑制疲劳裂纹的萌生和发展，可消除这些影响来提高疲劳性能的表面改性工艺技术，从而提高疲劳寿命增益系数。
实施例3：
本发明提供了一种镍基高温合金，其中各主要元素质量百分数分别为：铬Cr:2wt％-3.2wt％、钨W:4.8wt％-5wt％、钼Mo:0.2wt％-0.6wt％、钴Co:2.8wt％-4wt％、硅Si:0.5wt％-0.9wt％、铁Fe:12wt％-13.6wt％、铝A1:5.3wt％-6.4wt％、钛Ti:0.15wt％-0.3wt％、硼B:0.005wt％-0.01wt％、铌Nb:0.05wt％-0.15wt％、钽Ta:7.2wt％-9.6wt％、铪Hf:0.15wt％-0.28wt％、铬Cr:1.8wt％-2.4wt％，余量设置为镍Ni；
而具体到本实施例中，其中各主要元素质量百分数分别为：铬Cr:3.2wt％、钨W:5wt％、钼Mo:0.6wt％、钴Co:4wt％、硅Si:0.9wt％、铁Fe:13.6wt％、铝A1:6.4wt％、钛Ti:0.3wt％、硼B:0.01wt％、铌Nb:0.15wt％、钽Ta:9.6wt％、铪Hf:0.28wt％、铬Cr:2.4wt％，余量设置为镍Ni。
本发明还包括镍基高温合金的制备方法，具体步骤如下：
S1、冶炼制粉：使用真空自耗炉采用真空感应冶炼的方式进行炼气雾化法制备高温合金粉末，添加Cr的目的是进一步提高高温合金抗氧化、抗高温腐蚀性能，镍基高温合金具有良好的综合性能；
S2、锻造铸型：提高空感应炉内温度，对步骤S1制得的合金粉末采用锻造、轧制工艺熔炼，保证合金成分冶炼时气体的控制量和杂质含量，并用真空重熔-精密铸造法制成零件胚件，铸造变形的目的是为了破碎铸造组织，优化微观组织结构，为了满足1000℃左右高温热强性(高温强度、蠕变抗力、高温疲劳强度)和气体介质中的抗氧化、抗腐蚀的要求，加入了W、Mo、Ti、Al、Nb、Co等大量的强化元素，以保证其优越的高温性能，除具有固溶强化作用，高温合金更依靠Al、Ti等与Ni形成金属问化合物γ′相(Ni3A1或Ni3Ti等)的析出强化和部分细小稳定碳化物的晶内弥散强化以及B对晶界起净化、强化作用；
S3、热处理：将步骤S2制得的零件胚件进行四段处理：固溶处理、中间处理和时效处理，固溶处理温度设置为1150-1200℃，处理时长设置为1.5-2.5h，再自然冷却至室温；中间处理温度设置为1050-1100℃，处理时长设置为3-5h，再自然冷却至室温；时效处理包括一次时效处理和二次时效处理，所述一次时效处理温度设置为820-860℃，处理时长设置为24h，再自然冷却至室温，所述二次时效处理温度设置为750-770℃，处理时长设置为15-17h，再自然冷却至室温，以获得所要求的组织状态和良好的综合性能；
S4、表面处理：通过强激光诱导的冲击波在金属表层引入残余压应力，进行表面改性，由于镍基高温合金成分十分复杂，含有铬、铝等活泼元素，高温合金零件表面在氧化或热腐蚀环境中表现为表面化学不稳定，通过强激光诱导的冲击波在金属表层引入残余压应力，从而抑制疲劳裂纹的萌生和发展，可消除这些影响来提高疲劳性能的表面改性工艺技术，从而提高疲劳寿命增益系数。
实施例4：
分别取上述实施例1-3所制得的镍基高温合金制得的90个零件，每30个为一组，分三组分别试用三个实施例中制备的镍基高温合金零件，得到以下数据：
Figure BDA0002491216420000081
由上表可知，实施例2中原料配合比例适中，且由实施例2制得的镍基合金零件在940℃、200MPa的检测环境下，持续寿命可达45小时以上，且在室温环境下的拉伸强度在870MPa以上、屈服强度在360MPa以上，在1000℃的温度环境下拉伸强度在140MPa以上，且最高的抗氧化温度在1300以上，可适应各行业对镍基高温合金的性能需求。
最后：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种镍基高温合金，其特征在于：其中各主要元素质量百分数分别为：铬Cr:2wt％-3.2wt％、钨W:4.8wt％-5wt％、钼Mo:0.2wt％-0.6wt％、钴Co:2.8wt％-4wt％、硅Si:0.5wt％-0.9wt％、铁Fe:12wt％-13.6wt％、铝A1:5.3wt％-6.4wt％、钛Ti:0.15wt％-0.3wt％、硼B:0.005wt％-0.01wt％、铌Nb:0.05wt％-0.15wt％、钽Ta:7.2wt％-9.6wt％、铪Hf:0.15wt％-0.28wt％、铬Cr:1.8wt％-2.4wt％，余量设置为镍Ni。
2.根据权利要求1所述的一种镍基高温合金，其特征在于：其中各主要元素质量百分数分别为：铬Cr:2wt％、钨W:4.8wt％、钼Mo:0.2wt％、钴Co:2.8wt％、硅Si:0.5wt％、铁Fe:12wt％、铝A1:5.3wt％、钛Ti:0.15wt％、硼B:0.005wt％、铌Nb:0.05wt％、钽Ta:7.2wt％、铪Hf:0.15wt％、铬Cr:1.8wt％，余量设置为镍Ni。
3.根据权利要求1所述的一种镍基高温合金，其特征在于：其中各主要元素质量百分数分别为：铬Cr:2.6wt％、钨W:4.9wt％、钼Mo:0.4wt％、钴Co:3.4wt％、硅Si:0.7wt％、铁Fe:12.8wt％、铝A1:5.85wt％、钛Ti:0.23wt％、硼B:0.007wt％、铌Nb:0.1wt％、钽Ta:8.4wt％、铪Hf:0.21wt％、铬Cr:2.1wt％，余量设置为镍Ni。
4.根据权利要求1所述的一种镍基高温合金，其特征在于：其中各主要元素质量百分数分别为：铬Cr:3.2wt％、钨W:5wt％、钼Mo:0.6wt％、钴Co:4wt％、硅Si:0.9wt％、铁Fe:13.6wt％、铝A1:6.4wt％、钛Ti:0.3wt％、硼B:0.01wt％、铌Nb:0.15wt％、钽Ta:9.6wt％、铪Hf:0.28wt％、铬Cr:2.4wt％，余量设置为镍Ni。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的一种镍基高温合金，其特征在于：还包括镍基高温合金的制备方法，具体步骤如下：
S1、冶炼制粉：使用真空自耗炉采用真空感应冶炼的方式进行炼气雾化法制备高温合金粉末；
S2、锻造铸型：提高空感应炉内温度，对步骤S1制得的合金粉末采用锻造、轧制工艺熔炼，保证合金成分冶炼时气体的控制量和杂质含量，并用真空重熔-精密铸造法制成零件胚件；
S3、热处理：将步骤S2制得的零件胚件进行固溶处理、中间处理和时效处理；
S4、表面处理：通过强激光诱导的冲击波在金属表层引入残余压应力，进行表面改性。
6.根据权利要求5所述的一种镍基高温合金的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中固溶处理温度设置为1150-1200℃，处理时长设置为1.5-2.5h，再自然冷却至室温。
7.根据权利要求5所述的一种镍基高温合金的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中中间处理温度设置为1050-1100℃，处理时长设置为3-5h，再自然冷却至室温。
8.根据权利要求5所述的一种镍基高温合金的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中时效处理包括一次时效处理和二次时效处理，所述一次时效处理温度设置为820-860℃，处理时长设置为24h，再自然冷却至室温，所述二次时效处理温度设置为750-770℃，处理时长设置为15-17h，再自然冷却至室温。
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