CN105821250A

CN105821250A - 一种高强度镍基高温合金及其制造方法

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Publication number: CN105821250A
Application number: CN201510003934.5A
Authority: CN
Inventors: 王资兴; 代朋超; 陈国胜; 王庆增; 魏志刚; 吴静; 曹秀丽
Original assignee: Baosteel Special Steel Co Ltd
Current assignee: Baosteel Special Steel Co Ltd
Priority date: 2015-01-06
Filing date: 2015-01-06
Publication date: 2016-08-03

Abstract

本发明公开了一种高强度镍基高温合金及其制造方法，所述合金包括按重量百分数计的如下组分：C0.02～0.08；Cr14.0～17.0；Fe5.0～9.0％；Al0.50～1.30；Ti2.25～2.75；Nb0.7～1.2；Mn0.02～1.0；Mg0.001～0.006；Ce0.001～0.03；Zr0.01～0.06；S≤0.005；P≤0.008；Si≤0.30；Cu≤0.30，余量为镍和不可避免的杂质。所述合金的制造方法为真空感应熔炼和热处理。本发明的优点在于：可以显著减少零部件在使用过程中的失效，具有很好的应用前景。

Description

一种高强度镍基高温合金及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种高强度镍基高温合金及其制造方法，属于金属冶炼技术领域。

背景技术

高温合金是指在600℃以上温度能承受一定应力并具有抗氧化和抗腐蚀性能的一类合金。按基体可分为铁基、镍基和钴基。其中镍基高温合金以其优异的抗氧化腐蚀性能，及优异的高温强度而广泛应用于航空航天发动机、燃气轮机、油气田、汽车工业等领域。高温合金的性能取决于合金成分、制造工艺制度，其中高温强度、抗氧化腐蚀性能是高温合金最重要的性能，它最终决定于成品钢材的显微组织状态。随着科技进步，人们对于高温合金的承温能力、综合性能(抗氧化腐蚀性、高温强度、高温持久塑性等)提出了更高的要求，这可以通过合金成分的设计、新的冶炼工艺及优化的热处理工艺实现。

InconelX-750合金(美国标准牌号为UNSN00750，国内为GH4145合金)，其标准成分如表1所示，由于具有较高的强度、良好的高温耐腐蚀性，广泛应用于燃气轮机或沸水核反应堆中的弹性件或紧固件，如螺栓、铆钉、弹簧等。但是，利用该合金制造高温受力元件后，在使用过程中晶界成为薄弱环节，并且不发生明显变形时突然失效，极大地影响设备的使用安全性。通过试验研究发现，在合金的性能指标上表现为，该合金的中温持久塑性(如730℃/345MPa)偏低，经常为5％以下，使用过程中容易发生变形失效。因此，有必要对该合金进行成分和制造工艺进行优化。

表1InconelX-750合金的标准成分

C

Cr

Fe

Al

Ti

Nb

Mn

S

Si

P

Cu

≤0.08

14.0-17.0

5.0-9.0

0.40-1.0

2.25-2.75

0.7-1.2

≤1.0

≤0.01

≤0.50

≤0.015

≤0.5

经过文献查询和专利检索，CN201210457802.6专利申请中提供了一种镍基合金，包括以下重量百分比的组分：77～82％的镍；17～22％的铬；不高于0.3％的铈；余量的铁和不可避免的杂质。该合金通过添加了稀土元素铈，以达到细化晶粒和提高了抗氧化能力效果，但该合金由于成分较为单一，虽然具有良好的抗氧化性，但无法达到高强度要求。另外中国专利CN102766787A涉及一类用于燃气轮机应用的镍基合金，该合金中含有较高含量的钴(5-10％)，另添加了贵重元素铪，成本较高，另外添加了吸收中子元素的硼，不能应用于沸水核反应堆中。中国专利CN1151191一种提高高温合金抗蠕变性，疲劳特性和应力断裂寿命的方法，以及由此得到的合金。该方法包括将合金调整为含(以重量计)0.012-0.05％P，不超过0.1％C，和不超过0.03％B。复合添加P、B能改善部分镍基合金的持久性能(如Inconel718)，但对于类似于X-750合金，P是有害元素，会显著降低使用性能，另外添加较多的吸收中子元素的硼，不能应用于沸水核反应堆等装置中。

发明内容

本发明的目的是提供一种高强度镍基高温合金成分,以及其制备方法的介绍。该合金与同系列合金相比，合理调整了Al、Mn等元素的含量范围，复合添加了Mg、Ce、Zr等微合金化元素，在采用合理的热加工和热处理工艺后，最终成品可以获得较高的强度，并且具有良好的中温持久塑性，可以有效减少在使用过程中的失效。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案为：

一种高强度镍基高温合金，所述合金包括按重量百分数计的如下组分：C：0.02～0.08％；Cr：14.0～17.0％；Fe：5.0～9.0％；Al：0.50～1.30％；Ti：2.25～2.75％；Nb：0.7～1.2％；Mn：0.02～1.0％；Mg：0.001～0.006％；Ce：0.001～0.03％；Zr：0.01～0.06％；S≤0.005％；P≤0.008％；Si≤0.30％；Cu≤0.30％，余量为镍和不可避免的杂质。

下面对本发明具有优良热塑性镍基高温合金的化学成分及其控制范围的理由作如下说明：

C：0.02-0.08％

C是镍基高温合金中碳化物形成的必需元素。C控制在0.02-0.08％是必要的，一要保证一定数量的碳化物在晶界析出，起着细化晶粒、提高持久强度和塑性的作用，二要防止过多的碳化物造成夹杂物过多和偏析倾向，致使晶粒不均匀和合金塑性恶化。综合考虑C含量控制在0.02-0.08％。

Cr：14.0-17.0％

Ni-Cr-Fe合金组成了该镍基合金的基体，Cr元素的加入量考虑两个因素,一是保证形成单相奥氏体固溶体，二是要考虑耐蚀性,Cr是提高合金耐蚀性最有效的元素，综合考虑将Cr含量控制在14.0-17.0％。

Ni：≥70％

Ni-Cr-Fe合金组成了该镍基合金的基体，而Fe加入量约7％。适量的Fe加入，能替换部分Ni，并不显著影响合金的性能，能显著降低合金成本。但是，过多的Fe，对于合金的稳定性不利，综合考虑，Ni含量必须≥70％。

Al：0.5～1.3％

Al是镍基合金中相的必需形成元素，而相是镍基合金中最重要的一种强化相。通过控制合适的Al，可以析出一定数量组织，通过与基体固溶体形成共格或半共格的关系，进而形成强化。同时，Al的加入对于合金的抗氧化性能有明显的提高，在高温下Al与O2反应，形成一层致密的Al2O3氧化膜，对合金形成保护。Al含量越高，相的析出量越大，但Al过高会增加合金热加工的难度，使材料容易产生裂纹。所以Al控制在0.5-1.3％。

Ti：2.25～2.75％

本合金中含有较高Ti，是因为合金中Ti很容易溶入相，可以代替三分之二的Al原子。Ti进入后，使析出减慢，有效阻止过时效的作用，这种作用使合金适合在高温工作环境中长期使用。但Ti加入过多就会产生了Ni3Ti(η相)，而Ni3Ti相无时效硬化能力，本合金Ti含量得控制范围在Ti：2.25-2.75％。

Nb：0.7～1.2％

本合金中加入一定量的Nb，是因为Nb与Ni形成强化相，显著地提高合金的强度，另外，稍高的Nb能提高合金的高温稳定性。但是，Nb加入过多，由于Nb元素比重大，在冶炼过程中容易形成偏析，如产生黑斑等冶金缺陷。本合金Nb含量得控制范围在0.7-1.2％。

Mn：0.02～1.0％

合金中加入少量的Mn，可以细化晶粒，另外在炼钢过程中有一定的脱氧作用。但是，过多的Mn元素加入会偏聚于晶界，削弱晶界结合力，显著降低合金持久性能。本合金Mn含量控制在0.02-1.0％。

Mg：0.001～0.006％

由于合金中加入的Mg元素，主要分布在晶界处，而Mg与S有很强的结合力，进而降低晶界处S的偏聚，可以大大改善合金的热塑性。但是，Mg含量过高，对于力学性能有不利影响。

Ce：0.001～0.03％

Ce的加入，一方面作为净化剂具有脱氧和脱硫作用，降低氧和硫在晶界的有害作用；另一方面可以作为活性元素改善合金的抗氧化性，提高表面稳定性。

Zr：0.01～0.06％

本合金中加入的Zr元素，偏聚到晶界，减少晶界缺陷，提高晶界结合力，降低晶界扩散速率，从而减缓位错攀移，强化晶界。同时，Zr偏聚于晶界能够降低界面能，改善晶界相形态，减少晶界相的尺寸，提高持久寿命，改善持久塑性。

S、P作为本合金的有害元素，其含量越低越好，同时考虑到合金制造成本，将其控制在S≤0.005；P≤0.008范围内。

其它元素，如、Si、Cu等，是本合金中难以完全避免的非有益元素，含量增加后会容易发生偏聚，影响合金的性能，同时考虑到合金制造成本，将其控制在Si≤0.30；Cu≤0.30范围内。

一种如本发明所述的高强度镍基高温合金的制造方法，包括冶炼步骤和热处理步骤，其中，冶炼步骤为真空感应冶炼加电渣重熔或真空感应冶炼加真空自耗重熔，热处理步骤为锻造开坯成材或者锻造加热轧成材。

作为优选方案，所述冶炼后得到的钢锭在1100～1200℃保温后，进行锻造开坯或者热轧成盘圆；开锻或开轧温度为：1050～1150℃，终锻或终轧温度≥900℃，锻后或轧后空冷至室温。

作为优选方案，所述热处理的方法包括固溶处理和时效处理，其中，所述固溶处理为将锻后或轧后的半成品钢在1120～1140℃保温2小时后空冷；所述时效处理为将固溶处理后的钢材半成品在835～855℃下保温24小时后，在2小时内降温至695～715℃后，保温20小时，空冷。

作为优选方案，所述的重熔工艺参数设定以在最终钢锭或成品材中不出现冶金偏析为限。

采用了上述技术方案后，本发明具有以下优点和积极效果：与现行的X-750合金相比，调整了Al、Mn元素的含量水平，降低了S、P杂质元素含量，并通Mg、Ce、Zr元素的复合添加，采用合理的热加工及热处理工艺后，可以获得较高强度和塑性匹配，同时大大改善了合金中温塑性，730℃/345MPa下的中温持久塑性稳定控制在8％以上，可以显著减少零部件在使用过程中的失效，具有很好的应用前景。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步描述，但本发明的保护范围不仅局限于实施例。

实施例1：

一、按照表2中的配方配料，控制C为0.079％、Cr为15.3％、Fe为7.11％、Mn为0.04％、Nb为1.01％、Al为0.79％、Ti为2.57％、P为0.007％、S为0.003％、Si为0.06％、Cu为0.03％、Mg为0.003％、Ce为0.0028％、Zr为0.046％，余量为镍和不可避免的杂质。

二、通过真空感应熔炼并浇铸成Φ290电极，电极经过氩气保护电渣或真空自耗重熔后得到Φ400钢锭。其中重熔工艺参数设定，如熔速等，以在最终钢锭或成品材中不出现冶金偏析为限。

三、钢锭加热到1100～1200℃保温至少2h后，进行锻造开坯，开坯为120方轧坯。开锻温度为：1050～1150℃，终锻温度≥900℃，锻后空冷至室温。

四、轧坯加热到1100～1200℃保温足够的时间后，进行轧制成材，轧制成55-80mm棒材。开轧温度为：1050～1150℃，终轧温度≥900℃，轧后空冷至室温。

五、棒材热处理工艺为：固溶处理：1l20～1140℃保温2小时空冷。时效处理：835～855℃保温24小时，2小时内炉冷至695～715℃保温20小时空冷。

实施例2：

一、按照表2中的配方配料，控制C为0.050％、Cr为15.4％、Fe为8.21％、Mn为0.36％、Nb为1.06％、Al为0.74％、Ti为2.53％、P为0.007％、S为0.003％、Si为0.05％、Cu为0.02％、Mg为0.002％、Ce为0.0024％、Zr为0.045％，余量为镍和不可避免的杂质。

三、钢锭加热到1100～1200℃保温足够的时间后，进行锻造开坯，开坯为120方轧坯。开锻温度为：1050～1150℃，终锻温度≥900℃，锻后空冷至室温。

四、轧坯加热到1100～1200℃保温至少2h后，进行轧制成材，轧制成55～80mm棒材。开轧温度为：1050～1150℃，终轧温度≥900℃，轧后空冷至室温。

实施例3：

一、按照表2中的配方配料，控制C为0.052％、Cr为15.5％、Fe为6.78％、Mn为0.05％、Nb为1.05％、Al为0.89％、Ti为2.27％、P为0.006％、S为0.002％、Si为0.02％、Cu为0.03％、Mg为0.003％、Ce为0.0042％、Zr为0.040％，余量为镍和不可避免的杂质。

四、轧坯加热到1100～1200℃保温足够的时间后，进行轧制成材，轧制成55～80mm棒材。开轧温度为：1050～1150℃，终轧温度≥900℃，轧后空冷至室温。

实施例4：

一、按照表2中的配方配料，控制C为0.032％、Cr为15.5％、Fe为6.44％、Mn为0.70％、Nb为1.00％、Al为0.82％、Ti为2.54％、P为0.004％、S为0.004％、Si为0.07％、Cu为0.03％、Mg为0.003％、Ce为0.0030％、Zr为0.030％，余量为镍和不可避免的杂质。

实施例5：

一、按照表2中的配方配料，控制C为0.030％、Cr为15.3％、Fe为7.00％、Mn为0.10％、Nb为0.98％、Al为0.87％、Ti为2.60％、P为0.005％、S为0.005％、Si为0.02％、Cu为0.02％、Mg为0.002％、Ce为0.0041％、Zr为0.032％，余量为镍和不可避免的杂质。

实施例6：

一、按照表2中的配方配料，控制C为0.035％、Cr为15.9％、Fe为6.98％、Mn为0.16％、Nb为0.96％、Al为0.78％、Ti为2.56％、P为0.005％、S为0.003％、Si为0.10％、Cu为0.02％、Mg为0.004％、Ce为0.0029％、Zr为0.024％，余量为镍和不可避免的杂质。

实施例7：

一、按照表2中的配方配料，控制C为0.022％、Cr为15.8％、Fe为6.92％、Mn为0.50％、Nb为0.98％、Al为0.81％、Ti为2.61％、P为0.006％、S为0.002％、Si为0.02％、Cu为0.03％、Mg为0.004％、Ce为0.0034％、Zr为0.043％，余量为镍和不可避免的杂质。

对比例1：

一、按照表2中的配方配料，控制C为0.047％、Cr为15.8％、Fe为6.20％、Mn为0.02％、Nb为1.02％、Al为0.85％、Ti为2.50％、P为0.005％、S为0.005％、Si为0.07％、Cu为0.03％，余量为镍和不可避免的杂质。

二、通过真空感应熔炼并浇铸成Φ290电极，电极经过氩气保护电渣或自耗重熔后得到Φ400钢锭。其中重熔工艺参数设定，如熔速等，以在最终钢锭或成品材中不出现冶金偏析为限。

三、钢锭加热到1100-1200℃保温至少2h后，进行锻造开坯，开坯为120方轧坯。开锻温度为：1050～1150℃，终锻温度≥900℃，锻后空冷至室温。

四、轧坯加热到1100-1200℃保温足够的时间后，进行轧制成材，轧制成55-80mm棒材。开轧温度为：1050～1150℃，终轧温度≥900℃，轧后空冷至室温。

五、棒材热处理工艺为：固溶处理：1l30℃±10℃保温2小时空冷。时效处理：845℃±10℃保温24小时，2小时内炉冷至705℃±10℃保温20小时空冷。

表2合金的化学成分(重量百分比)

各实施例及对比例的产品的力学性能如表3所示。

表3合金棒材的力学性能

综上，采用了上述技术方案后，本发明具有以下优点和积极效果：与现行的X-750合金相比，调整了Al、Mn元素的含量水平，降低了S、P杂质元素含量，并通Mg、Ce、Zr元素的复合添加，采用合理的热加工及热处理工艺后，可以获得较高强度和塑性匹配，同时大大改善了合金中温塑性，730℃/345MPa下的中温持久塑性稳定控制在8％以上，可以显著减少零部件在使用过程中的失效，具有很好的应用前景。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims

1.一种高强度镍基高温合金，其特征在于，所述合金包括按重量百分数计的如下组分：C：0.02～0.08％；Cr：14.0～17.0％；Fe：5.0～9.0％；Al：0.50～1.30％；Ti：2.25～2.75％；Nb：0.7～1.2％；Mn：0.02～1.0％；Mg：0.001～0.006％；Ce：0.001～0.03％；Zr：0.01～0.06％；S≤0.005％；P≤0.008％；Si≤0.30％；Cu≤0.30％，余量为镍和不可避免的杂质。

2.一种如权利要求1所述的高强度镍基高温合金的制造方法，其特征在于，冶炼步骤为真空感应冶炼加电渣重熔或真空感应冶炼加自耗重熔，热处理步骤为锻造开坯成材或者锻造加热轧成材。

3.如权利要求2所述的高强度镍基高温合金的制造方法，其特征在于，所述冶炼后得到的钢锭在1100～1200℃保温至少2h后，进行锻造开坯或者热轧成盘圆；开锻或开轧温度为：1050～1150℃，终锻或终轧温度≥900℃，锻后或轧后空冷至室温。

4.如权利要求2所述的高强度镍基高温合金的制造方法，其特征在于，所述热处理的方法包括固溶处理和时效处理，其中，所述固溶处理为将锻后或轧后的半成品钢在1120～1140℃保温2小时后空冷；所述时效处理为将固溶处理后的钢材半成品在835～855℃下保温24小时后，在2小时内降温至695～715℃后，保温20小时，空冷。

5.如权利要求2所述的高强度镍基高温合金的制造方法，其特征在于，所述的重熔工艺参数设定以在最终钢锭或成品材中不出现冶金偏析为限。