CN106191528B - 镍基合金与由合金形成的物品 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种镍基合金，包括：7wt％～8wt％的钴；7.6wt％～8.5wt％的铬；6.35wt％～6.65wt％的铝；5.25wt％～5.75wt％的钽；5.25wt％～5.75wt％的钨；0.57wt％～0.63wt％的铪；0.04wt％～0.06wt％的碳；0.003wt％～0.005wt％的硼；0.02wt％～0.10wt％的硅；余量的镍。本申请通过平衡各强化元素W、Mo、Ta、Al、Co等元素在合金中的含量，且不含Re，降低了合金的成本，并且承温性能较高。
Description
本申请要求于2015年04月20日提交中国专利局、申请号为201510188089.3、发明名称为“镍基合金与由合金形成的物品”的中国专利申请的优先权。
技术领域
本发明涉及合金技术领域，尤其涉及镍基合金与由合金形成的物品。
背景技术
镍基高温合金是以镍为基体在650℃～1000℃范围内具有较高的强度与良好的抗氧化、抗燃气腐蚀能力的高温合金。镍基高温合金是30年代后期开始研制的。随着镍基高温合金应用温度的不断增高，迫使镍基高温合金的承温能力需要不断的提高，进而要求研制出不同的镍基高温合金。
为了提高镍基高温合金的性能，研究者不断地添加固溶强化元素与析出强化元素，使镍基高温合金的种类不断增加。目前国内外性能较好的镍基高温合金包括：CMSX-2、CMSX-3、AM3、N4、CMSX-4、N5与DD6等镍基高温合金。
其中CMSX-2镍基高温合金中包括：5wt％的Co、8wt％的Cr、5.6wt％的Al、6wt％的Ta、8wt％的W、6wt％的Mo、1wt％的Ti与余量的Ni。
CMSX-3镍基高温合金中包括：5wt％的Co、8wt％的Cr、5.6wt％的Al、6wt％的Ta、8wt％的W、0.1wt％的Hf、6wt％的Mo、1wt％的Ti与余量的Ni。
AM3镍基高温合金中包括：6wt％的Co、8wt％的Cr、6wt％的Al、4wt％的Ta、5wt％的W、2wt％的Mo、2wt％的Ti与余量的Ni。
N4镍基高温合金中包括：7.5wt％的Co、9.8wt％的Cr、4.2wt％的Al、4.8wt％的Ta、6wt％的W、0.15wt％的Hf、0.5wt％的Nb、0.05wt％的C、0.004wt％的B、1.5wt％的Mo、3.5wt％的Ti与余量的Ni。
CMSX-4镍基高温合金中包括：9.0wt％的Co、6.5wt％的Cr、5.6wt％的Al、6.5wt％的Ta、6.0wt％的W、0.10wt％的Hf、0.05wt％的C、0.004wt％的B、3.0wt％的Re、0.6wt％的Mo、1.0wt％的Ti与余量的Ni。
N5镍基高温合金中包括：7.5wt％的Co、7.0wt％的Cr、6.2wt％的Al、7.0wt％的Ta、5.0wt％的W、0.15wt％的Hf、0.05wt％的C、0.004wt％的B、3.0wt％的Re、1.50wt％的Mo与余量的Ni。
DD6镍基高温合金中包括：9.0wt％的Co、4.3wt％的Cr、5.6wt％的Al、7.5wt％的Ta、8.0wt％的W、0.10wt％的Hf、0.5wt％的Nb、0.05wt％的C、0.004wt％的B、2.0wt％的Re、2.00wt％的Mo与余量的Ni。
由于镍基高温合金具有优良的高温综合性能，其是目前制造先进燃气发动机涡轮叶片的关键材料。随着发动机进口温度和效率的不断提高，Re作为高温合金获得优异高温性能的关键元素，其添入镍基高温合金中能够显著提高镍基高温合金的承温性能。虽然Re的加入能大幅度提高合金的高温性能，但使合金的成本明显加大，因此低Re或无Re的高性能低成本高温合金成为人们的研究重点之一。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供一种镍基合金以及由此形成的制造物品，本申请的镍基高温合金无Re，但具有较好的承温能力。
有鉴于此，本申请提供了一种镍基合金，包括：
7wt％～8wt％的钴；
7.6wt％～8.5wt％的铬；
6.35wt％～6.65wt％的铝；
5.25wt％～5.75wt％的钽；
5.25wt％～5.75wt％的钨；
0.57wt％～0.63wt％的铪；
0.04wt％～0.06wt％的碳；
0.003wt％～0.005wt％的硼；
0.02wt％～0.10wt％的硅；
余量的镍。
优选的，包括6.4wt％～6.6wt％的铝。
优选的，包括5.3wt％～5.6wt％的钽。
优选的，包括0.04wt％～0.08wt％的硅。
优选的，包括5.3wt％～5.6wt％的钨。
优选的，包括7.8wt％～8.2wt％的铬。
本申请还提供了一种镍基合金，包括：
7.5wt％的钴；
8.0wt％的铬；
6.5wt％的铝；
5.5wt％的钽；
5.5wt％的钨；
0.6wt％的铪；
0.05wt％的碳；
0.004wt％的硼；
0.05wt％的硅；
余量的镍。
本申请还提供了一种制造物品，所述物品应用于燃气发动机，由包括以下元素的合金形成：
7wt％～8wt％的钴；
7.6wt％～8.5wt％的铬；
6.35wt％～6.65wt％的铝；
5.25wt％～5.75wt％的钽；
5.25wt％～5.75wt％的钨；
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0.04wt％～0.06wt％的碳；
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0.02wt％～0.10wt％的硅；
余量的镍。
优选的，所述合金包括6.4wt％～6.5wt％的铝。
优选的，所述合金包括5.3wt％～5.6wt％的钽。
优选的，所述合金包括0.04wt％～0.08wt％的硅。
优选的，所述合金包括5.3wt％～5.6wt％的钨。
优选的，所述合金包括7.8wt％～8.2wt％的铬。
优选的，所述物品为燃气发动机导向叶片。
本申请提供了一种镍基合金，包括：7wt％～8wt％的钴；7.6wt％～8.5wt％的铬；6.35wt％～6.65wt％的铝；5.25wt％～5.75wt％的钽；5.25wt％～5.75wt％的钨；0.57wt％～0.63wt％的铪；0.04wt％～0.06wt％的碳；0.003wt％～0.005wt％的硼；0.02wt％～0.10wt％的硅；余量的镍。本申请还提供了一种镍基合金，包括：7.5wt％的钴；8.0wt％的铬；6.5wt％的铝；5.5wt％的钽；5.5wt％的钨；0.6wt％的铪；0.05wt％的碳；0.004wt％的硼；0.05wt％的硅；余量的镍。本申请提供的镍基高温合金不含Re，但是通过提高Co、Al与Hf的含量，降低Ta与W的含量，并通过合理调整镍基合金中元素的含量，使合金的承温能力与力学性能达到了含Re高温合金的水平，抗氧化性和抗热腐蚀性能优良，且降低了成本。
附图说明
图1为本发明实施例的镍基合金初熔温度与现有技术镍基高温合金初熔温度的对比柱形图；
图2为本发明实施例的镍基合金中强化相γ＇的固溶温度与现有技术镍基高温合金的对比柱形图；
图3为本发明实施例的镍基合金糊状区区间大小与现有技术镍基高温合金的对比柱形图；
图4为本发明实施例的镍基合金热处理窗口与现有技术镍基高温合金的对比柱形图；
图5为本发明实施例的镍基合金强化相γ＇的最高含量与现有技术镍基高温合金的对比柱形图。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
本发明实施例公开了一种镍基合金，包括：
7wt％～8wt％的钴；
7.6wt％～8.5wt％的铬；
6.35wt％～6.65wt％的铝；
5.25wt％～5.75wt％的钽；
5.25wt％～5.75wt％的钨；
0.57wt％～0.63wt％的铪；
0.04wt％～0.06wt％的碳；
0.003wt％～0.005wt％的硼；
0.02wt％～0.10wt％的硅；
余量的镍。
镍基高温合金包括三种基本强化手段，即固溶强化、析出相强化与晶界强化。其中Co、Cr、Mo与W等元素具有固溶强化作用，Al、Ti、Nb与Ta等元素具有析出相强化作用，C、B与Zr等元素具有晶界强化等作用。本申请通过合理设计合金的成分，使合金达到的最佳的强化效果，而使本申请的镍基高温合金具有较高的承温能力，抗氧化性能与抗热腐蚀性能优良，还具有良好的组织稳定性与铸造性能。
Co与Ni可以形成连续置换固溶体而变成(Ni，Co)3(Al，Ti)，强化γ'相，从而提高合金的高温性能。高的Co含量可使合金拥有高的强度和抗蠕变性能，且提高γ'相固溶温度，提高热处理工艺的灵活性，尽可能减少热诱导孔洞的产生；但是Co含量过高则出现HCP-D024结构的Ni3Ti相，该相的存在会使强度下降，Ni3Ti相本身无硬化作用而且要消耗一部分γ'相。经过调整，本申请所述钴的含量为7wt％～8wt％。在另一个实施方案中，所述钴的含量优选为7.2wt％～7.8wt％。
Cr在镍基高温合金中主要是增加抗氧化和耐蚀能力。Cr与Ni形成具有一定溶解度的有限固溶体，主要固溶强化γ基体，过多的Cr降低合金的高温强度，且高温下Cr容易形成有害相σ相。在一个实施方案中，所述铬的含量为7.6wt％～8.5wt％，在另一实施方案中，所述铬的含量为7.8wt％～8.2wt％。
W是镍基粉末高温合金中重要的固溶强化元素，其在γ基体相中有较大的固溶度，将引起γ相的点阵常数和弹性模量有大的变化，对固溶体起强化效果。但过高的W能够促进TCP相形成。本申请中所述钨的含量为5.25wt％～5.75wt％，在一个具体实施方案中，所述钨的含量为5.3wt％～5.6wt％，在一个具体实施方式中，所述钨的含量为5.45wt％～5.55wt％。
由于Ta的原子半径较大，因此加入合金中可明显增加γ'相的点阵常数，提高γ'相的强化效果。加入Ta，既不影响合金塑性，还可提高合金的抗蠕变强度，最重要的是可明显降低704℃的保时疲劳裂纹扩展速率。本申请中所述钽的含量为5.25wt％～5.75wt％，在一个具体实施方案中，所述钽的含量为5.3wt％～5.6wt％；在一个具体实施方案中，所述钽的含量为5.4wt％～5.55wt％。
C与B这些晶界微量元素偏聚到晶界处可提高晶间结合力，强化晶界，从而提高合金的蠕变强度、塑性和低周循环疲劳寿命。但是当这些元素添加过量时，则促进碳(硼)化物的析出，合金的上述性能并没有得到进一步提高。本申请所述碳的含量为0.04wt％～0.06wt％，所述硼的含量为0.003wt％～0.005wt％。
本申请还提供了一个具体实施方案，所述镍基合金包括：7.5wt％的钴；8.0wt％的铬；6.5wt％的铝；5.5wt％的钽；5.5wt％的钨；0.6wt％的铪；0.05wt％的碳；0.004wt％的硼；0.05wt％的硅；余量的镍。
本申请所述镍基合金是由铸造的方式得到的，即制备具有上述组分的镍基合金铸锭，所述镍基合金铸锭的制备方法按照本领域技术人员熟知的方式进行。
根据本发明的实施方案，本申请所述镍基合金的形成方式为制造物品，所述物品可应用于燃气发动机组件，具体地应用于燃气发动机导向叶片。本申请所述制造的物品的镍基合金包括：7wt％～8wt％的钴；7.6wt％～8.5wt％的铬；6.35wt％～6.65wt％的铝；5.25wt％～5.75wt％的钽；5.25wt％～5.75wt％的钨；0.57wt％～0.63wt％的铪；0.04wt％～0.06wt％的碳；0.003wt％～0.005wt％的硼；0.02wt％～0.10wt％的硅；余量的镍。
根据本申请的另一实施方案，其中本发明的形式为一种制造的物品，所述镍基合金包括：7.5wt％的钴；8.0wt％的铬；6.5wt％的铝；5.5wt％的钽；5.5wt％的钨；0.6wt％的铪；0.05wt％的碳；0.004wt％的硼；0.05wt％的硅；余量的镍。
本申请上述制造物品是通过铸造的方法形成的，所述方法包括以下步骤：(1)制备具有上述组分的铸锭；(2)重熔铸锭并将其铸造成为具有特定形状与大小的物品；(3)采用适当的热处理工艺对所述物品进行热处理。
本申请提供的镍基高温合金中不含Re，Co、Al与Hf的含量相对提高，Ta与W的含量降低，但是合金的承温能力比现有的无Re高温合金提高了30℃，抗氧化性与抗腐蚀性较高，组织稳定性良好，且合金不含Re，成本低。实验结果表明，本申请提供的镍基高温合金强化相γ＇的热稳定性比现有的无Re的高温合金高30℃，糊状区区间比现有的无Re的高温合金稍高，热处理窗口与现有的含Re的高温合金相当。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的镍基高温合金进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1
制备镍基高温合金铸锭，其组成如表1所示。将本实施方案提供的镍基合金与现有技术的镍基合金性能进行对比，如图1、图2、图3、图4与图5所示；现有技术的镍基合金也是通过铸造的方式得到的。图1为本实施例的镍基合金初熔温度与现有技术镍基高温合金初熔温度的对比柱形图；图2为本实施例的镍基合金中强化相γ＇的固溶温度与现有技术镍基高温合金的对比柱形图；图3为本实施例的镍基合金糊状区区间大小与现有技术镍基高温合金的对比柱形图；图4为本实施例的镍基合金热处理窗口与现有技术镍基高温合金的对比柱形图；图5为本实施例的镍基合金强化相γ＇的最高含量与现有技术镍基高温合金的对比柱形图。
实施例2
制备镍基高温合金铸锭，其组成如表1所示。将本实施方案提供的镍基合金与现有技术的镍基合金性能进行对比，如图1、图2、图3、图4与图5所示；现有技术的镍基合金也是通过铸造的方式得到的。图1为本实施例的镍基合金初熔温度与现有技术镍基高温合金初熔温度的对比柱形图；图2为本实施例的镍基合金中强化相γ＇的固溶温度与现有技术镍基高温合金的对比柱形图；图3为本实施例的镍基合金糊状区区间大小与现有技术镍基高温合金的对比柱形图；图4为本实施例的镍基合金热处理窗口与现有技术镍基高温合金的对比柱形图；图5为本实施例的镍基合金强化相γ＇的最高含量与现有技术镍基高温合金的对比柱形图。
实施例3
制备镍基高温合金铸锭，其组成如表1所示。将本实施方案提供的镍基合金与现有技术的镍基合金性能进行对比，如图1、图2、图3、图4与图5所示；现有技术的镍基合金也是通过铸造的方式得到的。图1为本实施例的镍基合金初熔温度与现有技术镍基高温合金初熔温度的对比柱形图；图2为本实施例的镍基合金中强化相γ＇的固溶温度与现有技术镍基高温合金的对比柱形图；图3为本实施例的镍基合金糊状区区间大小与现有技术镍基高温合金的对比柱形图；图4为本实施例的镍基合金热处理窗口与现有技术镍基高温合金的对比柱形图；图5为本实施例的镍基合金强化相γ＇的最高含量与现有技术镍基高温合金的对比柱形图。
根据图1可以看出，本发明的镍基合金的初熔温度与现有的含Re高温合金相当，比现有的无Re高温合金高；根据图2可知，本发明的镍基合金中强化相γ＇的热稳定性普遍比现有的无Re高温合金高，与现有的含Re高温合金相当；根据图3可知，本发明的镍基合金的糊状区区间比现有的无Re高温合金稍高；根据图4可知，本发明的镍基合金的热处理窗口与现有的含Re高温合金相当；根据图5可知，本发明镍基合金中强化相γ＇的最高含量与现有的无Re和含Re的高温合金相当。
实施例4
一种镍基高温合金铸锭，其组成如表1所示。
实施例5
一种镍基高温合金铸锭，其组成如表1所示。
实施例6
一种镍基高温合金铸锭，其组成如表1所示。
表1 实施例1～6镍基合金铸锭的成分数据表
| 组别 | Ni | Co | Cr | Al | Ta | W | Hf | C | B | Si |
| 实施例1 | 余量 | 7.5 | 8.0 | 6.50 | 5.50 | 5.50 | 0.60 | 0.05 | 0.004 | 0.05 |
| 实施例2 | 余量 | 7 | 7.6 | 6.35 | 5.25 | 5.25 | 0.57 | 0.04 | 0.003 | 0.02 |
| 实施例3 | 余量 | 8 | 8.5 | 6.65 | 5.75 | 5.75 | 0.63 | 0.06 | 0.005 | 0.10 |
| 实施例4 | 余量 | 7.2 | 7.8 | 6.4 | 5.3 | 5.3 | 0.59 | 0.04 | 0.004 | 0.04 |
| 实施例5 | 余量 | 7.6 | 7.9 | 6.45 | 5.4 | 5.55 | 0.61 | 0.05 | 0.003 | 0.06 |
| 实施例6 | 余量 | 7.8 | 8.2 | 6.55 | 5.55 | 5.6 | 0.58 | 0.06 | 0.005 | 0.08 |
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (4)
1.一种镍基合金，由以下元素组成：
7wt％～8wt％的钴；
7.8wt％～8.2wt％的铬；
6.4wt％～6.6wt％的铝；
5.3wt％～5.6wt％的钽；
5.3wt％～5.6wt％的钨；
0.57wt％～0.63wt％的铪；
0.04wt％～0.06wt％的碳；
0.003wt％～0.005wt％的硼；
0.04wt％～0.08wt％的硅；
余量的镍。
2.一种镍基合金，由以下元素组成：
7.5wt％的钴；
8.0wt％的铬；
6.5wt％的铝；
5.5wt％的钽；
5.5wt％的钨；
0.6wt％的铪；
0.05wt％的碳；
0.004wt％的硼；
0.05wt％的硅；
余量的镍。
3.一种应用于燃气发动机的制造物品，由包括以下元素的合金形成：
7wt％～8wt％的钴；
7.8wt％～8.2wt％的铬；
6.4wt％～6.6wt％的铝；
5.3wt％～5.6wt％的钽；
5.3wt％～5.6wt％的钨；
0.57wt％～0.63wt％的铪；
0.04wt％～0.06wt％的碳；
0.003wt％～0.005wt％的硼；
0.04wt％～0.08wt％的硅；
余量的镍。
4.根据权利要求3所述的制造物品，其特征在于，所述物品为燃气发动机导向叶片。
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