CN116179896A - 一种高强高塑性耐蚀镍基合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强高塑性耐蚀镍基合金及其制备方法,包括如下化学成分的配比;26.0%‑28.0%的W,6.0%‑8.0%的Cr,0.1%‑0.3%的Si,0.1%‑0.6%的Mn,0.015%‑0.06%的C,5‑450ppm的B,余量为Ni,S1:采用真空感应炉浇铸母合金;S2:对浇铸的母合金进行均匀化处理;S3:进行热加工处理,本发明为提高Ni‑(26‑28)W‑6Cr合金的中温强度、塑性和抗高温氧化性能,提供一种高强高塑性耐蚀镍基合金及其制备方法,在W、Cr、Si、Mn、C和Ni的基础上,通过添加B元素和改进其他元素的配比,使合金的中温强度和塑性显著提高,同时改善了合金的850℃抗高温氧化性能,可以满足高温熔盐环境结构合金的性能要求,解决了现有技术中存在的不足。
Description
技术领域
本发明涉及合金材料技术领域,特别涉及800℃以上熔盐环境用高强高塑性耐蚀镍基合金。
背景技术
氟化盐和氯化盐等熔盐具有高沸点和低蒸汽压等特性,在能源方面的应用受到关注。光热发电、熔盐堆等能源***中使用熔盐作为传热介质可以大幅度提高出口温度,进而提高能源转化效率,但熔盐对结构合金的性能提出极大挑战,结构合金不仅要具有优异的高温强度、塑性,还需要耐熔盐腐蚀和抗高温氧化。目前能在高温熔盐环境使用的合金是美国橡树岭国家实验室研发的UNS N10003合金,但它的最高使用温度只有704℃,而要实现高温制氢等高效率的能源转换则需要能源***的运行温度达到800℃以上,因此研发800℃以上的熔盐环境结构合金是急需解决的关键问题。
专利号为ZL201510612608.4的发明专利,一种耐熔盐腐蚀镍基变形高温合金,本发明涉及一种耐熔盐腐蚀镍基变形高温合金,按重量百分比计,其化学成分为:5.0-8.0%的Cr,15.0-28.0%的W,0.5-0.55%的Fe,0.5-0.8%的Mn,0.1-0.3%的Si,0.05-0.06%的C,0-1.0%的Mo,0-0.2%的Ti,以及余量的Ni。本发明还提供一种耐熔盐腐蚀镍基变形高温合金的制备方法。本发明的耐熔盐腐蚀镍基变形高温合金具有的优势包括:优良的可加工性能;较高的高温力学性能和组织稳定性,其拉伸强度和持久寿命要明显优于HastelloyN合金;具有优异的抗熔盐腐蚀性能,适用于熔盐核反应堆的高温结构材料,在800-850℃工作温度下表现出优异的综合性能。
Ni-(26-28)W-6Cr合金(专利号为:ZL201510612608.4)在800℃以上具有优异的力学性能(Mater.Sci.Eng.A,668(2016)137)和耐熔盐腐蚀性能(Corros.Sci.149(2019)218),是目前最有潜力运用于800℃熔盐环境的结构合金。
然而现有技术中,Ni-(26-28)W-6Cr合金存在以下不足:1、虽然Ni-(26-28)W-6Cr合金在室温和850℃下具有优异的力学性能,但在中温区(650-750℃)的强度和塑性较低(Mater.Sci.Eng.A,668(2016)137.);2、该合金为高W低Cr体系,在高温下无法形成连续致密的NiCr2O4氧化膜而导致合金的抗高温氧化性能较差(Corros.Sci.,149(2019)87.),这两个性能的不足制约了该合金的应用,基于此,我们提出一种高强高塑性耐蚀镍基合金及其制备方法对其进行优化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强高塑性耐蚀镍基合金及其制备方法,以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:
一种高强高塑性耐蚀镍基合金,包括如下化学成分的配比:26.0%-28.0%的W,6.0%-8.0%的Cr,0.1%-0.3%的Si,0.1%-0.6%的Mn,0.015%-0.06%的C,5-450ppm的B,余量为Ni。
作为本发明进一步的方案:包括如下化学成分的配比:26.0%-28.0%的W,6.0-8.0%的Cr,0.1-0.3%的Si,0.1-0.5%的Mn,0.015-0.05%的C,5-450ppm的B,余量为Ni。
作为本发明再进一步的方案:该合金具备较好的中温强度、塑性和抗高温氧化性能,可以满足高温熔盐环境结构合金的性能要求。
一种高强高塑性耐蚀镍基合金制备方法,其方法步骤如下:
S1:采用真空感应炉浇铸母合金;
S2:对浇铸的母合金进行均匀化处理;
S3:进行热加工处理。
所述S1中,通过采用真空感应炉浇铸母合金。
所述S2中,通过对浇铸的母合金进行均匀化处理,均匀化处理的温度控制在1050℃-1250℃之间,均匀化处理的时间控制在5-30小时之间。
所述S3中,进行热加工处理,热加工处理的温度控制在800℃-1250℃之间,热加工采用锻造、热轧制或热挤压的方式。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
1、本发明为提高Ni-(26-28)W-6Cr合金的中温强度、塑性和抗高温氧化性能,提供一种高强高塑性耐蚀镍基合金及其制备方法,在W、Cr、Si、Mn、C和Ni的基础上,通过添加B元素和改进其他元素的配比,显著提高合金的中温强度和塑性,同时使合金的850℃抗高温氧化性能显著提高,可以满足高温熔盐环境结构合金的性能要求,解决了现有技术中存在的不足。
附图说明
图1为高强高塑性耐蚀镍基合金及其制备方法中制备方法的方法流程图。
图2为用JMatPro 7.0(TTNi-8数据库)计算得到含有0-0.2wt.%B的Ni-26W-6Cr-0.1Si-0.45Mn-0.02C合金相图。
图3为高强高塑性耐蚀镍基合金及其制备方法中实施例3的微观形貌的示意图。
图4为高强高塑性耐蚀镍基合金及其制备方法中实施例1、实施例2、实施例3和实施例4的650℃拉伸断口形貌的示意图。
图5为高强高塑性耐蚀镍基合金及其制备方法中实施例1、实施例3和实施例4的850℃-100h氧化增重动力学曲线的示意图。
图6为高强高塑性耐蚀镍基合金及其制备方法中实施例1、实施例3和实施例4的850℃-100h氧化样品截面形貌的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,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。
请参阅图1~6,本发明实施例中,一种高强高塑性耐蚀镍基合金,包括如下化学成分的配比:26.0%-28.0%的W,6.0%-8.0%的Cr,0.1%-0.3%的Si,0.1%-0.6%的Mn,0.015%-0.06%的C,5-450ppm的B,余量为Ni。
进一步,包括如下化学成分的配比:26.0%-28.0%的W,6.0-8.0%的Cr,0.1-0.3%的Si,0.1-0.5%的Mn,0.015-0.05%的C,5-450ppm的B。
该合金具备较好的中温强度、塑性和抗高温氧化性能,可以满足高温熔盐环境结构合金的性能要求。
合金中的N、S、P的含量小于25ppm。
合金中不含Zr。
合金中不含Co。
合金中不含Al。
一种高强高塑性耐蚀镍基合金制备方法,其方法步骤如下:
S1:采用真空感应炉浇铸母合金;
S2:对浇铸的母合金进行均匀化处理;
S3:进行热加工处理。
所述S1中,通过采用真空感应炉浇铸母合金。
所述S2中,通过对浇铸的母合金进行均匀化处理,均匀化处理的温度控制在1050℃-1250℃之间,均匀化处理的时间控制在5-30小时之间。
所述S3中,进行热加工处理,热加工处理的温度控制在800℃-1250℃之间,热加工采用锻造、热轧制或热挤压的方式。
本发明中出现的%均为质量百分比。
经研究发现,因为高温熔盐环境结构合金的内壁与外壁分别与高温熔盐和空气接触,除了需要具有优异的力学性能外,还需要耐熔盐腐蚀和抗高温氧化,Ni-(26-28)W-6Cr合金在室温和850℃下具有优异的力学性能,但在650-750℃温度范围内的强度和塑性较差,通过对Ni-(26-28)W-6Cr合金在不同温度下拉伸断口的微观组织的研究,发现Ni-(26-28)W-6Cr合金在中温区(650-750℃)的晶界强度较弱而无法容纳过多位错,应力加载过程中少量的位错塞积就会导致晶界断裂失效,B是高温合金中常用的晶界强化元素,添加适量的B可以增强Ni-(26-28)W-6Cr合金的晶界,有效提高合金的中温强度和塑性。
为保障Ni-(26-28)W-6Cr合金具有良好的耐熔盐腐蚀性能,合金中的Cr含量远低于镍基合金中形成连续致密Cr2O3氧化膜的临界值,Ni-(26-28)W-6Cr合金在850℃下的氧化膜主要物相为NiWO4和CrWO4,这两种氧化物中均含有大量氧空位,可以为氧向合金基体中的扩散提供通道(Corros.Sci.,149(2019)87.),研究表明NiWO4中Ni的价态为+2,根据Hauffe-Wagner理论,如果向合金中掺杂价态高于+2的元素,掺杂元素可以替换NiWO4中Ni2+,使其呈正价,进而阻碍阳离子的扩散,使合金的抗高温氧化性能提高,B的价态一般为+4和+6,在Ni-(26-28)W-6Cr合金中掺杂适量B可以改善合金的抗高温氧化性能。
参照图2,图2是JMatPro 7.0(TTNi-8数据库)的计算结果,在Ni-26W-6Cr-0.1Si-0.45Mn-0.02C合金体系中B添加量超过0.05wt.%(500ppm)时会产生大量M3B2相,不利于合金的力学性能,因此将B添加量控制在0.05wt.%以内。
本发明中,在上述成分范围内,通过实施例1、实施例2、实施例3、实施例4和实施例5来进一步对本发明中的高强高塑性耐蚀镍基合金进行详细描述:
合金的获取方式为:通过将纯B(99.99%)与Ni-26W-6Cr母合金(成分见实施例1)按一定配比在真空感应炉中进行熔炼,随后进行热处理及加工,得到的合金化学成分参照表1,为体现本发明合金的性能,表1中也列出了Ni-26W-6Cr母合金的化学成分,(Ni-26W-6Cr的成分见实施例1);
表1:实施例与对比合金Ni-26W-6Cr的化学成分(B含量为ppm,其余元素为wt.%)
合金名称 | Ni | W | Cr | Si | Mn | C | B |
实施例1 | Bal. | 26.3 | 6.9 | 0.12 | 0.45 | 0.023 | \ |
实施例2 | Bal. | 26.1 | 6.4 | 0.10 | 0.47 | 0.021 | 11 |
实施例3 | Bal. | 26.4 | 6.1 | 0.13 | 0.45 | 0.024 | 224 |
实施例4 | Bal. | 26.1 | 6.0 | 0.11 | 0.44 | 0.023 | 432 |
实施例5 | Bal. | 27.3 | 6.6 | 0.21 | 0.32 | 0.041 | 35 |
参照图3,图3为实施例3的微观形貌,是其1200℃均匀化处理后的铸锭在1180℃的温度下进行锻造后棒材的组织形貌,可以看到,合金的组织均匀,细小的析出相均匀弥散于合金基体中。
参照表2,表2为实施例1-5的650℃拉伸性能数据,随着B含量增加至224ppm,合金的强度和延伸率同时提高,特别是延伸率由不含B的12.1%提升至36.5%,当B含量进一步增加至432ppm,合金的屈服强度增大,但抗拉强度和延伸率有所降低,参照图4,图4中的(a)和(b)分别为实施例1和实施例2的650℃拉伸断口形貌,是典型的沿晶脆性断裂形貌,图4中的(c)和(d)为实施例3和实施例4的拉伸断口形貌,当B含量达到224ppm以上时,实施例3和实施例4的断口为韧窝形貌,说明添加B可以显著改善Ni-(26-28)W-6Cr合金的中温塑性。
表2:实施例1-5的650℃拉伸力学性能
样品名称 | 温度(℃) | 屈服强度(MPa) | 抗拉强度(MPa) | 延伸率(%) |
实施例1 | 650 | 201 | 403 | 12.1 |
实施例2 | 650 | 205 | 422 | 20.1 |
实施例3 | 650 | 265 | 578 | 36.5 |
实施例4 | 650 | 273 | 536 | 28.9 |
实施例5 | 650 | 235 | 477 | 22.5 |
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,对于本领域的技术人员来说,其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换,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 (7)
1.一种高强高塑性耐蚀镍基合金,其特征在于:包括如下化学成分的配比:26.0%-28.0%的W,6.0%-8.0%的Cr,0.1%-0.3%的Si,0.1%-0.6%的Mn,0.015%-0.06%的C,5-450ppm的B,余量为Ni。
2.根据权利要求1所述的高强高塑性耐蚀镍基合金,其特征在于:包括如下化学成分的配比:26.0%-28.0%的W,6.0-8.0%的Cr,0.1-0.3%的Si,0.1-0.5%的Mn,0.015-0.05%的C,5-450ppm的B,余量为Ni。
3.根据权利要求1所述的高强高塑性耐蚀镍基合金,其特征在于:该合金具备较好的中温强度、塑性和抗高温氧化性能,可以满足高温熔盐环境结构合金的性能要求。
4.一种高强高塑性耐蚀镍基合金制备方法,其特征在于:其方法步骤如下:
S1:采用真空感应炉浇铸母合金;
S2:对浇铸的母合金进行均匀化处理;
S3:进行热加工处理。
5.根据权利要求4所述的高强高塑性耐蚀镍基合金制备方法,其特征在于:所述S1中,通过采用真空感应炉浇铸母合金。
6.根据权利要求4所述的高强高塑性耐蚀镍基合金制备方法,其特征在于:所述S2中,通过对浇铸的母合金进行均匀化处理,均匀化处理的温度控制在1050℃-1250℃之间,均匀化处理的时间控制在5-30小时之间。
7.根据权利要求4所述的高强高塑性耐蚀镍基合金制备方法,其特征在于:所述S3中,进行热加工处理,热加工处理的温度控制在800℃-1250℃之间,热加工采用锻造、热轧制或热挤压的方式。
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