CN112553505A - 一种镍基板材及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种镍基板材，各元素的重量百分比为：C:0.05‑0.15%，Si:0.25‑0.75%，Mn:0.30‑1.0%，P:≤0.030%，S:≤0.015%，Cr:20.0‑24.0%，Al:0.2‑0.5%，Ti:≤0.10%，Fe:≤3.0%，Mo:1.0‑3.0%，W:13‑15%，Co:≤5.0%，La:0.005‑0.05，B:≤0.015%，Nb:≤0.50，余量为Ni和不可避免的杂质。本发明还提供该镍基板材的制备方法，制备方法包括：真空冶炼、电渣重熔、锻造和热轧。本发明通过添加Nb元素和优化加工工艺制得镍基合金，在高温条件下，能长时间耐颗粒粗化，具有良好的焊接性能，可以更好地应用于航天、能源、电热工业等行业。

Description

一种镍基板材及其制备方法
技术领域
本发明涉及高温合金材料领域，尤其涉及一种镍基板材及其制备方法。
背景技术
高温合金是指能够在600℃以上高温，承受较大复杂应力，并具有表面稳定性的高合金化铁基、镍基或钴基奥氏体金属材料。
其中Alloy 230合金是一种镍铬钨钼合金，兼具优良的高温强度，抗氧化性能，超长时间的热稳定性和良好的可加工性能。
但是现有技术中的镍基板材在长时间的高温条件下容易晶粒粗化，导致力学性能变差，焊接性能降低，影响最终的使用寿命。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，提供一种镍基板材及其制备方法，用于解决高温条件下镍基板材晶粒容易粗化，导致力学和焊接性能变差的问题。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
本发明提供一种镍基板材，所述镍基板材中各元素的重量百分比为：C:0.05-0.15%，Si:0.25-0.75%，Mn:0.30-1.0%，P:≤0.030%，S:≤0.015%，Cr:20.0-24.0%，Al:0.2-0.5%，Ti:≤0.10%，Fe:≤3.0%，Mo:1.0-3.0%，W:13-15%，Co:≤5.0%，La:0.005-0.05，B:≤0.015%，Nb:≤0.50，余量为Ni和不可避免的杂质。
较佳的，各元素的重量百分比为：C:0.05-0.10%，Si:0.25-0.50%，Mn:0.30-0.50%，P:≤0.020%，S:≤0.010%，Cr:21.0-23.0%，Al:0.30-0.40%，Ti:≤0.10%，Fe:≤2.0%，Mo:1.5-2.5%，W:13-15%，Co:≤4.0%，La:0.02-0.05，B:≤0.010%，Nb：0.2-0.5%，余量为Ni和不可避免的杂质。
本发明还提供一种镍基板材的制备方法，包括以下步骤：
S1真空冶炼：将合金原料按照既定的重量比例精准配料，并按工艺要求烘烤使用，采用25%的返回料，熔化期真空度小于5帕，精炼期真空度≤10Pa，采用不少于两次的高温瞬时精炼和一次低温长时精炼，提温到1540℃持续1至2分钟，摇炉搅拌3到5分钟，降温到1450℃，再调整精炼温度1520℃，精炼时间≥25分钟，脱氧良好的情况下，调整出钢温度1540℃，浇注电极，浇注后期补缩充分，浇铸完成20分钟后破空出模标识。
S2电渣重熔：清理电极表面杂质和端部耐材，将端部缩孔切除，渣料严格按照工艺要求烘烤，水温控制在25℃～60℃，使用渣系为：CaF2:AL2O3:CaO:MgO=60:20:10:10，电压55-60V，电流：3500-5000A，后期充分补缩，确保无缩孔。
S3锻造：加热温度1140℃～1160℃，缓慢加热至800℃保温2h，再升温1000℃保温1.5h，再升温至1140℃保温2h，中间翻动两次使受热均匀，开锻温度≥1050℃，终锻温度≥900℃，回火时间大于60分钟，100%探伤检测，切除缺陷，表面磨光标识。
S4热轧：加热温度：1140℃～1160℃，板材中间坯表面研磨去除缺陷，精轧成成品板材。
较佳的，所述S1真空冶炼中原料装炉顺序为，采用小块纯铁和小块镍板加入底部,配入底碳，将Cr放在真空冶炼坩埚中上部，上部用Ni板覆盖，按照真空冶炼工艺执行，精炼时加Ni-Mg0.05%，另外Al、Ti等小料应分开按顺序分批加入，熔化搅拌均匀。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明对现有镍基合金的组分和工艺进行优化设计，能够保证合金具有优异的高温强度、高温耐蚀性能以及抗氧化性能，延长合金的使用寿命。特别通过添加元素铌细化了晶粒、降低了钢的过热敏感性及回火脆性,提高了强度,改善了焊接性能，还防止了晶间腐蚀现象。另外采用真空冶炼和电渣重熔双联熔炼法，提高了合金纯度、减少杂质夹杂、保证合金脱气充分、金相组织和化学成分均匀。
附图说明
图1为本发明的一种镍基板材的制备方法的流程图。
具体实施方式
为使对本发明的目的、构造、特征、及其功能有进一步的了解，兹配合实施例详细说明如下。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种镍基板材，所述镍基板材中各元素的重量百分比为：C:0.05-0.15%，Si:0.25-0.75%，Mn:0.30-1.0%，P:≤0.030%，S:≤0.015%，Cr:20.0-24.0%，Al:0.2-0.5%，Ti:≤0.10%，Fe:≤3.0%，Mo:1.0-3.0%，W:13-15%，Co:≤5.0%，La:0.005-0.05，B:≤0.015%，Nb:≤0.50，余量为Ni和不可避免的杂质。
优选的，各元素的重量百分比为：C:0.05-0.10%，Si:0.25-0.50%，Mn:0.30-0.50%，P:≤0.020%，S:≤0.010%，Cr:21.0-23.0%，Al:0.30-0.40%，Ti:≤0.10%，Fe:≤2.0%，Mo:1.5-2.5%，W:13-15%，Co:≤4.0%，La:0.02-0.05，B:≤0.010%，Nb：0.2-0.5%，余量为Ni和不可避免的杂质。
本发明的镍基板材中各元素起到的作用如下：
C:碳元素在一定含量范围内可以提高合金的强度和耐磨损性能，本发明将碳含量设计为0.05-0.15%，可以提高合金的高温性能。
Si:硅元素可提高合金的延展性及抗张强度，还具备脱氧功能，本发明将硅含量设计为0.25-0.75%，可提高合金的高温强度，降低杂质含量。
Mn:锰可提高合金的耐磨损性及抗张强度，还具有分离脱氧功能，本发明将锰含量设计为0.30-1.0%，可提高合金的高温强度，降低杂质含量。
P、S:为两种致命却无法避免的有害元素，很难溶解到合金中，它们能与镍和铬生成低熔点和共晶化合物，随着合金的凝固，从晶界处析出并聚集在晶界上，使晶界变得脆化，影响了合金的塑性和热强性。因此，将其含量分别设置在P：≤0.030%。S：≤0.015%。
Cr:铬是提高合金高温抗氧化性能的关键元素，合金在高温形成的保护氧化膜主要由CrO组成，以CrO为主的氧化膜较致密，附着性也较强，可以保证合金在高温下长期使用。本发明将铬含量设计为20.0-24.0%，可以提高合金的耐高温性能。
Al:铝可以提高合金的高温抗氧化性、提高时效硬化，本发明将铝含量设计为0.2-0.5%，可以提高合金高温性能，延长合金在高温环境下的使用寿命。
Ti:钛与碳结合，可以减少热处理时发生碳化铬沉淀造成的晶间腐蚀，本发明将钛含量设计为不大于0.10%，可提高合金的高温耐蚀性能。
Fe:铁可以提高合金对高温环境的抵抗性、降低合金成本、控制热膨胀，本发明将铁含量设计为不高于3.0%，可提高合金的耐高温性能。
Mo:钼能使钢的晶粒细化,提高淬透性和热强性能,在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力。本发明将钼含量设计为1.0-3.0%，能提高合金的机械性能，抑制合金的脆性。W:钨熔点高,比重大,与碳形成碳化钨有很高的硬度和耐磨性。本发明将钼含量设计为13-15%，能提高合金的耐高温性能和硬度。
Co:钴元素可以增加合金的硬度和力度，提高合金的高温强度，本发明将钴含量设计为不大于5%，可延长合金在高温环境下的使用寿命。
La:在合金中加入稀土元素镧，能改善氧化薄膜的致密性，从而提高合金的高温抗氧化性能。当合金中加入适量的稀土元素时，稀土元素能与合金中的S等元素形成稀土化合物，有效地降低了有害杂质元素的含量，使其能够均匀地弥散于合金中。本发明将镧元素含量设计为0.005-0.05%，能抑制合金晶粒长大，使晶粒趋向细化，减少裂纹的发生，从而提高合金的高温和室温的塑性和强度。
B:微量的硼可改善钢的致密性和热轧性能,提高强度，本发明将硼元素含量设计为≤0.015%，可以提高合金的热轧性能和强度。
Nb:铌元素能细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性,提高强度,还可改善焊接性能，但塑性和韧性有所下降。因此将其限定在≤0.50%。
Ni:镍在镍基高温合金中为母体，形成奥氏体基体，合金抗晶间腐蚀性能随着镍含量的增加而提高，增加镍含量可以减小在碱溶液中的应力腐蚀开裂敏感性。
本发明还提供一种镍基板材的制备方法，包括以下步骤：
S1真空冶炼：将合金原料按照既定的重量比例精准配料，并按工艺要求烘烤使用，投料时采用小块纯铁和小块镍板加入底部,配入底碳，将Cr放在真空冶炼坩埚中上部，上部用Ni板覆盖，按照真空冶炼工艺执行，同时采用25%的返回料，精炼时加Ni-Mg0.05%，另外Al、Ti等小料应分开按顺序分批加入，熔化搅拌均匀。熔化期真空度小于5帕，精炼期真空度≤10Pa，采用不少于两次的高温瞬时精炼和一次低温长时精炼，提温到1540℃持续1至2分钟，摇炉搅拌3到5分钟，降温到1450℃，再调整精炼温度1520℃，精炼时间≥25分钟，脱氧良好的情况下，调整出钢温度1540℃，浇注电极，浇注后期补缩充分，浇铸完成20分钟后破空出模标识。
S2电渣重熔：清理电极表面杂质和端部耐材，将端部缩孔切除，渣料严格按照工艺要求烘烤，水温控制在25℃～60℃，使用渣系为：CaF2:AL2O3:CaO:MgO=60:20:10:10，电压55-60V，电流：3500-5000A，后期充分补缩，确保无缩孔。
S3锻造：加热温度1140℃～1160℃，缓慢加热至800℃保温2h，再升温1000℃保温1.5h，再升温至1140℃保温2h，中间翻动两次使受热均匀，开锻温度≥1050℃，终锻温度≥900℃，回火时间大于60分钟，100%探伤检测，切除缺陷，表面磨光标识。
S4热轧：加热温度：1140℃～1160℃，板材中间坯表面研磨去除缺陷，精轧成成品板材。
本发明的合金制备工艺采用真空冶炼和电渣重熔双联熔炼法，对各步骤操作顺序及工艺参数进行优化设计，能够提高合金纯度、减少杂质夹杂、保证合金脱气充分、金相组织和化学成分均匀，提高合金的高温耐蚀性能，细化合金晶粒。
实施例1：
本发明实施例1的一种镍基板材中，各元素的重量百分比为：C:0.10%，Si:0.5%，Mn:0.5%，P:0.020%，S:0.012%，Cr:23%，Al:0.4%，Ti:0.06%，Fe:1.5%，Mo:2%，W:14%，Co:3.0%，La:0.025，B:0.01%，Nb:0.35，余量为Ni和不可避免的杂质。
本实施例的镍基板材的制备方法如下：
S1真空冶炼：将合金原料按照上述重量比例精准配料，并按工艺要求烘烤使用，投料时采用小块纯铁和小块镍板加入底部,配入底碳，将Cr放在真空冶炼坩埚中上部，上部用Ni板覆盖，按照真空冶炼工艺执行，同时采用25%的返回料，精炼时加Ni-Mg0.05%，另外Al、Ti等小料应分开按顺序分批加入，熔化搅拌均匀。熔化期真空度4.5帕，精炼期真空度10Pa，采用不少于两次的高温瞬时精炼和一次低温长时精炼，提温到1540℃持续1至2分钟，摇炉搅拌3到5分钟，降温到1450℃，再调整精炼温度1520℃，精炼时间30分钟，脱氧良好的情况下，调整出钢温度1540℃，浇注电极，浇注后期补缩充分，浇铸完成20分钟后破空出模标识。
S2电渣重熔：清理电极表面杂质和端部耐材，将端部缩孔切除，渣料严格按照工艺要求烘烤，水温控制在55℃，使用渣系为：CaF2:AL2O3:CaO:MgO=60:20:10:10，电压60V，电流：4500A，后期充分补缩，确保无缩孔。
S3锻造：加热温度1160℃，缓慢加热至800℃保温2h，再升温1000℃保温1.5h，再升温至1140℃保温2h，中间翻动两次使受热均匀，开锻温度1100℃，终锻温度650℃，回火时间70分钟，100%探伤检测，切除缺陷，表面磨光标识。
S4热轧：加热温度：1160℃，板材中间坯表面研磨去除缺陷，精轧成成品板材。
实施例2：
本发明实施例2的一种镍基板材中，各元素的重量百分比为：C:0.05%，Si:0.30%，Mn:0.40%，P:0.010%，S:0.010%，Cr:20.0%，Al:0.3%，Ti:0.05%，Fe:1.2%，Mo:1.0%，W:13%，Co:2.0%，La:0.010，B:0.005%，Nb:0.20，余量为Ni和不可避免的杂质。
本实施例的镍基板材的制备方法如下：
S1真空冶炼：将合金原料按照上述重量比例精准配料，并按工艺要求烘烤使用，投料时采用小块纯铁和小块镍板加入底部,配入底碳，将Cr放在真空冶炼坩埚中上部，上部用Ni板覆盖，按照真空冶炼工艺执行，同时采用25%的返回料，精炼时加Ni-Mg0.05%，另外Al、Ti等小料应分开按顺序分批加入，熔化搅拌均匀。熔化期真空度4.5帕，精炼期真空度9Pa，采用不少于两次的高温瞬时精炼和一次低温长时精炼，提温到1540℃持续1至2分钟，摇炉搅拌3到5分钟，降温到1450℃，再调整精炼温度1520℃，精炼时间30分钟，脱氧良好的情况下，调整出钢温度1540℃，浇注电极，浇注后期补缩充分，浇铸完成20分钟后破空出模标识。
S2电渣重熔：清理电极表面杂质和端部耐材，将端部缩孔切除，渣料严格按照工艺要求烘烤，水温控制在50℃，使用渣系为：CaF2:AL2O3:CaO:MgO=60:20:10:10，电压55V，电流：4500A，后期充分补缩，确保无缩孔。
S3锻造：加热温度1140℃～1160℃，缓慢加热至800℃保温2h，再升温1000℃保温1.5h，再升温至1140℃保温2h，中间翻动两次使受热均匀，开锻温度1050℃，终锻温度900℃，回火时间60分钟，100%探伤检测，切除缺陷，表面磨光标识。
S4热轧：加热温度：1150℃，板材中间坯表面研磨去除缺陷，精轧成成品板材。
实施例3：
本发明实施例3的一种镍基板材中，各元素的重量百分比为：C:0.15%，Si:0.7%，Mn:1.0%，P:0.030%，S:0.014%，Cr:23.5%，Al:0.45%，Ti:0.09%，Fe:3.0%，Mo:3.0%，W:14.5%，Co:5.0%，La:0.05，B:0.012%，Nb:0.50，余量为Ni和不可避免的杂质。
本实施例的镍基板材的制备方法如下：
S1真空冶炼：将合金原料按照上述重量比例精准配料，并按工艺要求烘烤使用，投料时采用小块纯铁和小块镍板加入底部,配入底碳，将Cr放在真空冶炼坩埚中上部，上部用Ni板覆盖，按照真空冶炼工艺执行，同时采用25%的返回料，精炼时加Ni-Mg0.05%，另外Al、Ti等小料应分开按顺序分批加入，熔化搅拌均匀。熔化期真空度4.9帕，精炼期真空度10Pa，采用不少于两次的高温瞬时精炼和一次低温长时精炼，提温到1540℃持续1至2分钟，摇炉搅拌3到5分钟，降温到1450℃，再调整精炼温度1520℃，精炼时间30分钟，脱氧良好的情况下，调整出钢温度1540℃，浇注电极，浇注后期补缩充分，浇铸完成20分钟后破空出模标识。
S2电渣重熔：清理电极表面杂质和端部耐材，将端部缩孔切除，渣料严格按照工艺要求烘烤，水温控制在60℃，使用渣系为：CaF2:AL2O3:CaO:MgO=60:20:10:10，电压60V，电流：5000A，后期充分补缩，确保无缩孔。
S3锻造：加热温度1160℃，缓慢加热至800℃保温2h，再升温1000℃保温1.5h，再升温至1140℃保温2h，中间翻动两次使受热均匀，开锻温度1100℃，终锻温度950℃，回火时间75分钟，100%探伤检测，切除缺陷，表面磨光标识。
S4热轧：加热温度：1160℃，板材中间坯表面研磨去除缺陷，精轧成成品板材。
综上所述，本发明提供的一种镍基板材及其制备方法，对现有镍基合金的组分和工艺进行优化设计，能够保证合金具有优异的高温强度、高温耐蚀性能以及抗氧化性能，延长合金的使用寿命。特别通过添加元素铌细化了晶粒、降低了钢的过热敏感性及回火脆性,提高了强度,改善了焊接性能，还防止了晶间腐蚀现象。采用真空冶炼和电渣重熔双联熔炼法，提高了合金纯度、减少杂质夹杂、保证合金脱气充分、金相组织和化学成分均匀。本发明的镍基板材可广泛应用于燃气涡轮发动机燃烧罐、转换管道、加力燃烧室部件、火焰稳定器、热电偶外壳，高温热交换器，工业锅炉耐热部件，且使用寿命可延长30%左右。
本发明已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本发明的范例。必需指出的是，已揭露的实施例并未限制本发明的范围。相反地，在不脱离本发明的精神和范围内所作的更动与润饰，均属本发明的专利保护范围。

Claims (4)

1.一种镍基板材，其特征在于：所述镍基板材中各元素的重量百分比为：C:0.05-0.15%，Si:0.25-0.75%，Mn:0.30-1.0%，P:≤0.030%，S:≤0.015%，Cr:20.0-24.0%，Al:0.2-0.5%，Ti:≤0.10%，Fe:≤3.0%，Mo:1.0-3.0%，W:13-15%，Co:≤5.0%，La:0.005-0.05，B:≤0.015%，Nb:≤0.50，余量为Ni和不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的镍基板材，其特征在于：各元素的重量百分比为：C:0.05-0.10%，Si:0.25-0.50%，Mn:0.30-0.50%，P:≤0.020%，S:≤0.010%，Cr:21.0-23.0%，Al:0.30-0.40%，Ti:≤0.10%，Fe:≤2.0%，Mo:1.5-2.5%，W:13-15%，Co:≤4.0%，La:0.02-0.05，B:≤0.010%，Nb:0.2-0.5%，余量为Ni和不可避免的杂质。
3.如权利要求1-2中任一项所述的一种镍基板材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1真空冶炼：将合金原料按照既定的重量比例精准配料，并按工艺要求烘烤使用，采用25%的返回料，熔化期真空度小于5帕，精炼期真空度≤10Pa，采用不少于两次的高温瞬时精炼和一次低温长时精炼，提温到1540℃持续1至2分钟，摇炉搅拌3到5分钟，降温到1450℃，再调整精炼温度1520℃，精炼时间≥25分钟，脱氧良好的情况下，调整出钢温度1540℃，浇注电极，浇注后期补缩充分，浇铸完成20分钟后破空出模标识；
S2电渣重熔：清理电极表面杂质和端部耐材，将端部缩孔切除，渣料严格按照工艺要求烘烤，水温控制在25℃～60℃，使用渣系为：CaF2:AL2O3:CaO:MgO=60:20:10:10，电压55-60V，电流：3500-5000A，后期充分补缩，确保无缩孔；
S3锻造：加热温度1140℃～1160℃，缓慢加热至800℃保温2h，再升温1000℃保温1.5h，再升温至1140℃保温2h，中间翻动两次使受热均匀，开锻温度≥1050℃，终锻温度≥900℃，回火时间大于60分钟，100%探伤检测，切除缺陷，表面磨光标识；
S4热轧：加热温度：1140℃～1160℃，板材中间坯表面研磨去除缺陷，精轧成成品板材。
4.如权利要求3所述的镍基板材的制备方法，其特征在于：所述S1真空冶炼中，投料时采用小块纯铁和小块镍板加入底部,配入底碳，将Cr放在真空冶炼坩埚中上部，上部用Ni板覆盖，按照真空冶炼工艺执行，精炼时加Ni-Mg0.05%，另外Al、Ti等小料应分开按顺序分批加入，熔化搅拌均匀。
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