CN108441707B - 一种高强度含钨系镍基高温合金材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高强度含钨系镍基高温合金材料及其制备方法和应用，所述材料按重量百分比计，包括以下元素组成：C0.07～0.09％、Cr 17.15～19.35％、Mo 2.95～3.25％、Co 6.18～7.28％、W 6.10～6.30％、Al 1.70～1.80％、Nb 0.75～1.05％、Fe 14.7～16.3％、以及余量为Ni和不可避免的杂质；所述杂质包括：P≤0.002％、S≤0.002％、N≤0.002％、Cu≤0.05％。本发明提供的上述高温合金材料具备优异的高温力学强度和高温持久性能，能够作为汽轮机发动机叶片钢的材料，具有很好的高温强度性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种镍基高温合金材料，具体涉及一种高强度含钨系镍基高温合金材料及其制备方法和应用。
背景技术
高温合金材料是指在760-1500℃以上及一定应力条件下进行长期工作的高温金属材料，根据温度条件的不同，高温合金材料可分为三类：760℃高温材料、1200℃高温材料和1500℃高温材料，其抗拉强度通常可达800MPa。高温合金材料由于具有优异的综合力学性能和抗氧化、耐腐蚀能力而成为石化、核能、航空等工业领域承受高温、腐蚀、载荷等恶劣使用环境关键部件不可或缺的材料，主要用于制造航空、舰艇和工业用燃气轮机的涡轮叶片、导向叶片、涡轮盘、高压压气机盘和燃烧室等高温部件，还用于制造航天飞行器、火箭发动机、核反应堆、石油化工设备以及煤的转化等能源转换装置。
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。它是在Cr20Ni80合金基础上发展起来的，为了满足镍基高温合金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，常在其中加入了大量的强化元素，以保证其优越的高温性能。其中钨作为一种强化元素常被用于加入到镍基高温合金中。
然而现有的镍基高温合金中含有的强化元素种类繁多，合金中的元素组成除杂质外，往往高达十二种以上，这在一定程度上增加了成本；另一方面，现有的镍基高温合金中大多需要多种强化元素的共同组合，才能获得较好的力学强度，一旦降低元素的种类，其合金的强度将会受到较大影响，其高温持久性能也无法获得保障。因此，如何在缩小成本，减少元素用量的基础上，还能够很好保证镍基高温合金的高温强度性能，成为亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述技术问题，而提供一种高强度含钨系镍基高温合金材料及其制备方法和应用，一方面本发明的镍基高温合金材料使用的强化元素种类较少，合金中除杂质外总元素的组成仅为九种，原料成本降低；另一方面，本发明还获得了高温力学强度和持久性能优异的镍基高温合金材料。
本发明的目的之一是提供一种含钨系镍基耐高温合金材料，按重量百分比计，所述高温合金材料包括以下元素组成：C 0.07～0.09％、Cr 17.15～19.35％、Mo 2.95～3.25％、Co 6.18～7.28％、W 6.10～6.30％、Al 1.70～1.80％、Nb 0.75～1.05％、Fe 14.7～16.3％、以及余量为Ni和不可避免的杂质。
本发明提供的上述高温合金材料是一种含钨的镍基高温合金材料。钨在合金中起固溶强化作用，钨原子的半径比较大，比基体镍的半径大百分之十几，固溶强化作用明显，再结合钼、钴等元素的添加，使得合金的高温强度和持久强度极其显著，且该高温合金的主要元素仅选择为9种，原料成本较低，由于该高温合金中的元素含量较少，其高温强度比其他采用多种强化元素的合金材料下降效果较明显，因此，本发明提高了钨和钴的含量，使其具备较高的强度，该高温合金材料的高温力学强度极其优异。
但是，钨是一种能够加速热腐蚀的元素，当其含量大于6％时，其热腐蚀效果明显，本发明为了获得强度效果极其明显的高温合金材料，无法对钨的含量进行减少，最终发明人从元素组成和占比上考虑，选择了上述组分的元素组成，将W设置为6.10～6.30％，并设置Mo为2.95～3.25％、Co为6.18～7.28％、Al为1.70～1.80％、Nb为0.75～1.05％，通过各元素含量达到相互协同，在很好保证强度和降低成本的同时，还使得该合金材料的耐热腐蚀性能不受较大影响，其高温持久性能得到了大大提升。
作为本发明较为优选的技术方案，按重量百分比计，所述高温合金材料包括以下元素组成：C 0.08％、Cr 18.25％、Mo 3.15％、Co 6.88％、W 6.20％、Al 1.77％、Nb0.96％、Fe 15.8％、以及余量为Ni和不可避免的杂质。
本发明所提供的镍基高温合金材料具备很好的高温强度性能，同时经过检测发现，上述合金材料的杂质含量也得到了显著降低，在上述提供的技术方案下，本发明的高温合金材料中不可避免的杂质包括：P≤0.002％、S≤0.002％、N≤0.002％、Cu≤0.05％。与其它的含钨镍基高温合金材料相比，这四类杂质元素的含量均得到了降低，现有的含钨镍基高温合金材料中杂质的含量仅为：P≤0.008％、S≤0.008％、N≤0.008％、Cu≤0.10％，很难达到本发明如此低的杂质含量。
经检测后发现，本发明提供的上述含钨系镍基高温合金材料的高温强度性能如下：在760℃高温下的力学性能为：抗拉强度≥1725MPa、屈服强度≥1421MPa、断后延伸率≥15.1％；高温(应力240MPa、温度980℃)持久性能为：持久断裂时间125小时以上，伸长率≥11％。
本发明的目的之二是提供上述含钨系镍基耐高温合金材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)按各元素比例称量含有上述元素的冶炼原料，将原料加入熔炼炉中，于≥50Pa的真空氛围中进行初炼，初炼温度为1580～1590℃，初炼熔速为1～1.5kg/min，得到钢液；
(2)待步骤(1)的原料熔化70％以上时，提高熔炼炉的温度至1610～1620℃，并降压至8～15Pa的真空氛围中进行二次熔炼，二次熔炼的时间为35～70分钟，然后将钢液浇注成自耗电极；
(3)将步骤(2)浇注得到的自耗电极进行重熔精炼，重熔成电渣锭；
(4)将步骤(3)所得电渣锭加热后锻造成钢棒；
(5)将步骤(4)所得钢棒进行热处理，然后制成所需成品棒材或型材。
本发明的制备方法采用两段真空熔炼工艺，通过控制熔炼过程中的熔融和温度条件，能够获得组织均匀性较好的钢材，并有利于钢液中杂质的去除，最终钢液经锻造和热处理工艺，很好保证了制备得到的合金材料具有优良的高温力学强度，且杂质含量得到了有效降低。
进一步的，步骤(1)中在初炼钢液过程中加入白云石和石灰造渣，造渣剂的总重量为所述原料重量的3.6～4.5％，所述造渣剂中白云石和石灰的比例为2～5:1～6，待原料熔清后，进行除渣。采用上述造渣工艺，使得钢材冶炼过程中杂质含量得到更好控制，有利于保证钢材的强度。
进一步的，步骤(3)中重熔精炼采用的重熔渣系组成为：CaF2:65％、Al2O3:23％、MgO:7％、SiO2:5％。本发明选取的上述电渣重熔渣系，是与本发明的元素组成和冶炼工艺相匹配的，该重熔渣系对精炼除杂效果显著，更有利于保证材料的性能。
进一步的，步骤(5)中所述热处理的操作为：先将钢棒加热至1182～1210℃，保温1～1.5小时，冷却至室温，然后再加热至860～900℃，保温5～6小时。
进一步的是，所述冷却的方式包括水冷或空冷，冷却效率比空冷要高的冷却方式均可。
本发明的目的之三是提供上述高温合金材料或采用上述方法制备得到的高温合金材料在汽轮机发动机叶片钢上的应用。将本发明所得镍基高温合金材料用于发动机汽轮机叶片钢上，能够很好满足发动机叶片的工作需要，其高温强度极其优异。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
(1)本发明提供的合金材料具有优异的高温强度性能，在760℃下的力学性能为：抗拉强度≥1725MPa、屈服强度≥1421MPa、断后延伸率≥15.1％；高温(应力240MPa、温度980℃)持久性能为：持久断裂时间125小时以上，伸长率≥11％；
(2)本发明提供的合金材料杂质含量较低，其中，P≤0.002％、S≤0.002％、N≤0.002％、Cu≤0.02％，与现有高温合金材料相比，杂质含量大大下降；
(3)本发明提供的合金材料元素组成较少，原料成本更低，组分更易控制，制备工艺简单，适合推广使用。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行具体描述，有必要指出的是，以下实施例仅仅用于对本发明进行解释和说明，并不用于限定本发明。本领域技术人员根据上述发明内容所做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
实施例1
一种高强度含钨系镍基高温合金材料，按重量百分比计，其元素组成包括：C0.07％、Cr 17.15％、Mo 2.95％、Co 6.18％、W 6.10％、Al 1.70％、Nb 0.75％、Fe 14.7％、以及余量为Ni和不可避免的杂质。
上述高温合金材料的制备方法如下：
(1)按各元素比例称量含有上述元素的冶炼原料，将原料加入熔炼炉(真空感应炉)中，于50Pa的真空氛围中进行初炼，初炼温度为1580℃，初炼熔速为1.0kg/min，在初炼钢液过程中加入白云石和石灰(重量比为2:1)造渣，造渣剂的总重量为所述原料重量的3.6％，待原料熔清后，进行除渣；
(2)待步骤(1)的原料熔化70％以上时，提高熔炼炉的温度至1610℃，并降压至15Pa的真空氛围中进行二次熔炼，二次熔炼的时间为35分钟，然后将钢液浇注成自耗电极；
(3)将步骤(2)浇注得到的自耗电极进行重熔精炼，重熔成电渣锭，重熔精炼采用的重熔渣系组成为：CaF2:65％、Al2O3:23％、MgO:7％、SiO2:5％；
(4)将步骤(3)所得电渣锭加热后锻造成钢棒；
(5)将步骤(4)所得钢棒进行热处理，先将钢棒加热至1182℃，保温1小时，水冷至室温，然后再加热至860℃，保温5小时，完成操作后制成所需棒材或型材。
上述制备得到的高温合金材料中，不可避免的杂质为：P:0.002％、S:0.002％、N:0.002％、Cu:0.05％，而现有的含钨镍基高温合金材料中杂质的含量仅为：P≤0.008％、S≤0.008％、N≤0.008％、Cu≤0.10％，可见，本发明的高温合金材料中杂质含量较低。
将上述高温合金材料用于制备汽轮机发动机叶片钢，可很好满足发动机的使用要求，使用半年后未出现故障，叶片基本无损耗。
实施例2
一种高强度含钨系镍基高温合金材料，按重量百分比计，其元素组成包括：C0.09％、Cr 19.35％、Mo 3.25％、Co 7.28％、W 6.30％、Al 1.80％、Nb 1.05％、Fe 16.3％、以及余量为Ni和不可避免的杂质。
上述高温合金材料的制备方法如下：
(1)按各元素比例称量含有上述元素的冶炼原料，将原料加入熔炼炉(真空感应炉)中，于55Pa的真空氛围中进行初炼，初炼温度为1590℃，初炼熔速为1.5kg/min，在初炼钢液过程中加入白云石和石灰(重量比为3:2)造渣，造渣剂的总重量为所述原料重量的4.5％，待原料熔清后，进行除渣；
(2)待步骤(1)的原料熔化70％以上时，提高熔炼炉的温度至1620℃，并降压至8Pa的真空氛围中进行二次熔炼，二次熔炼的时间为70分钟，然后将钢液浇注成自耗电极；
(3)将步骤(2)浇注得到的自耗电极进行重熔精炼，重熔成电渣锭，重熔精炼采用的重熔渣系组成为：CaF2:65％、Al2O3:23％、MgO:7％、SiO2:5％；
(4)将步骤(3)所得电渣锭加热后锻造成钢棒；
(5)将步骤(4)所得钢棒进行热处理，先将钢棒加热至1210℃，保温1.5小时，空冷至室温，然后再加热至900℃，保温6小时，完成操作后制成所需棒材或型材。
上述制备得到的高温合金材料中，不可避免的杂质包括：P 0.002％、S 0.001％、N0.002％、Cu 0.03％，而现有的含钨镍基高温合金材料中杂质的含量仅为：P≤0.008％、S≤0.008％、N≤0.008％、Cu≤0.10％，可见，本发明的高温合金材料中杂质含量较低。
将上述高温合金材料用于制备汽轮机发动机叶片钢，可很好满足发动机的使用要求，使用半年后未出现故障，叶片基本无损耗。
实施例3
一种高强度含钨系镍基高温合金材料，按重量百分比计，其元素组成包括：C0.08％、Cr 18.25％、Mo 3.15％、Co 6.88％、W 6.20％、Al 1.77％、Nb 0.96％、Fe 15.8％、以及余量为Ni和不可避免的杂质。
上述高温合金材料的制备方法如下：
(1)按各元素比例称量含有上述元素的冶炼原料，将原料加入熔炼炉(真空感应炉)中，于56Pa的真空氛围中进行初炼，初炼温度为1585℃，初炼熔速为1.2kg/min，在初炼钢液过程中加入白云石和石灰(重量比为5:6)造渣，造渣剂的总重量为所述原料重量的3.8％，待原料熔清后，进行除渣；
(2)待步骤(1)的原料熔化70％以上时，提高熔炼炉的温度至1615℃，并降压至10Pa的真空氛围中进行二次熔炼，二次熔炼的时间为48分钟，然后将钢液浇注成自耗电极；
(3)将步骤(2)浇注得到的自耗电极进行重熔精炼，重熔成电渣锭，重熔精炼采用的重熔渣系组成为：CaF2:65％、Al2O3:23％、MgO:7％、SiO2:5％；
(4)将步骤(3)所得电渣锭加热后锻造成钢棒；
(5)将步骤(4)所得钢棒进行热处理，先将钢棒加热至1196℃，保温1.2小时，水冷至室温，然后再加热至870℃，保温5.5小时，完成操作后制成所需棒材或型材。
上述制备得到的高温合金材料中，不可避免的杂质包括：P:0.001％、S:0.001％、N:0.001％、Cu 0.01％，而现有的含钨镍基高温合金材料中杂质的含量仅为：P≤0.008％、S≤0.008％、N≤0.008％、Cu≤0.10％，可见，本发明的高温合金材料中杂质含量较低。
将上述高温合金材料用于制备汽轮机发动机叶片钢，可很好满足发动机的使用要求，使用半年后未出现故障，叶片基本无损耗。
实施例4
一种高强度含钨系镍基高温合金材料，按重量百分比计，其元素组成包括：C0.07％、Cr 18.15％、Mo 3.05％、Co 6.38％、W 6.15％、Al 1.75％、Nb 0.85％、Fe 15.1％、以及余量为Ni和不可避免的杂质。
上述高温合金材料的制备方法如下：
(1)按各元素比例称量含有上述元素的冶炼原料，将原料加入熔炼炉(真空感应炉)中，于52Pa的真空氛围中进行初炼，初炼温度为1582℃，初炼熔速为1.1kg/min，在初炼钢液过程中加入白云石和石灰(重量比为3:4)造渣，造渣剂的总重量为所述原料重量的3.8％，待原料熔清后，进行除渣；
(2)待步骤(1)的原料熔化70％以上时，提高熔炼炉的温度至1617℃，并降压至12Pa的真空氛围中进行二次熔炼，二次熔炼的时间为55分钟，然后将钢液浇注成自耗电极；
(3)将步骤(2)浇注得到的自耗电极进行重熔精炼，重熔成电渣锭，重熔精炼采用的重熔渣系组成为：CaF2:65％、Al2O3:23％、MgO:7％、SiO2:5％；
(4)将步骤(3)所得电渣锭加热后锻造成钢棒；
(5)将步骤(4)所得钢棒进行热处理，先将钢棒加热至1196℃，保温1.3小时，水冷或空冷至室温，然后再加热至876℃，保温5.1小时，完成操作后制成所需棒材或型材。
上述制备得到的高温合金材料中，不可避免的杂质包括：P:0.001％、S:0.002％、N:0.001％、Cu:0.03％，而现有的含钨镍基高温合金材料中杂质的含量仅为：P≤0.008％、S≤0.008％、N≤0.008％、Cu≤0.10％，可见，本发明的高温合金材料中杂质含量较低。
将上述高温合金材料用于制备汽轮机发动机叶片钢，可很好满足发动机的使用要求，使用半年后未出现故障，叶片基本无损耗。
实施例5
一种高强度含钨系镍基高温合金材料，按重量百分比计，其元素组成包括：C0.09％、Cr 19.12％、Mo 3.02％、Co 7.11％、W 6.28％、Al 1.73％、Nb 1.01％、Fe 15.2％、以及余量为Ni和不可避免的杂质。
上述高温合金材料的制备方法如下：
(1)按各元素比例称量含有上述元素的冶炼原料，将原料加入熔炼炉(真空感应炉)中，于58Pa的真空氛围中进行初炼，初炼温度为1590℃，初炼熔速为1.5kg/min，在初炼钢液过程中加入白云石和石灰(重量比4:3)造渣，造渣剂的总重量为所述原料重量的3.7％，待原料熔清后，进行除渣；
(2)待步骤(1)的原料熔化70％以上时，提高熔炼炉的温度至1620℃，并降压至15Pa的真空氛围中进行二次熔炼，二次熔炼的时间为55分钟，然后将钢液浇注成自耗电极；
(3)将步骤(2)浇注得到的自耗电极进行重熔精炼，重熔成电渣锭，重熔精炼采用的重熔渣系组成为：CaF2:65％、Al2O3:23％、MgO:7％、SiO2:5％；
(4)将步骤(3)所得电渣锭加热后锻造成钢棒；
(5)将步骤(4)所得钢棒进行热处理，先将钢棒加热至1190℃，保温1.3小时，水冷或空冷至室温，然后再加热至870℃，保温5.5小时，完成操作后制成所需棒材或型材。
其中，制备得到的高温合金材料中，不可避免的杂质包括：P:0.002％、S:0.001％、N:0.001％、Cu:0.02％，而现有的含钨镍基高温合金材料中杂质的含量仅为：P≤0.008％、S≤0.008％、N≤0.008％、Cu≤0.10％，可见，本发明的高温合金材料中杂质含量较低。
将上述高温合金材料用于制备汽轮机发动机叶片钢，可很好满足发动机的使用要求，使用半年后未出现故障，叶片基本无损耗。
实验例1
对实施例1-5所得高温合金材料进行高温强度检测，包括高温力学性能和高温持久性能，检测结果如下(表1-表2)：
表1 高温(760℃)力学性能
表2 高温(应力240MPa、温度980℃)持久性能
从上述结果可以看出，本发明制备得到的高温合金材料具有优异的高温强度性能。
Claims (2)
1.一种高强度含钨系镍基高温合金材料的制备方法，其特征在于，按重量百分比计，所述高温合金材料由以下元素组成：C 0.08％、Cr 18.25％、Mo 3.15％、Co 6.88％、W6.20％、Al 1.77％、Nb 0.96％、Fe 15.8％、以及余量为Ni和不可避免的杂质：P 0.001％、S0.001％、N 0.001％、Cu 0.01％；所述制备方法包括以下步骤：
(1)按各元素比例称量含有上述元素的冶炼原料，将原料加入熔炼炉中，于56Pa的真空氛围中进行初炼，初炼温度为1585℃，初炼熔速为1.2kg/min，得到钢液；在初炼钢液过程中加入白云石和石灰造渣，造渣剂的总重量为所述原料重量的3.8％，造渣剂中白云石和石灰的重量比为5:6，待原料熔清后，进行除渣；
(2)待步骤(1)的原料熔化70％以上时，提高熔炼炉的温度至1615℃，并降压至10Pa的真空氛围中进行二次熔炼，二次熔炼的时间为48分钟，然后将钢液浇注成自耗电极；
(3)将步骤(2)浇注得到的自耗电极进行重熔精炼，重熔成电渣锭；重熔精炼采用的重熔渣系组成为：CaF2:65％、Al2O3:23％、MgO:7％、SiO2:5％；
(4)将步骤(3)所得电渣锭加热后锻造成钢棒；
(5)将步骤(4)所得钢棒进行热处理，然后制成所需成品棒材或型材；
所述热处理的操作为：先将钢棒加热至1196℃，保温1.2小时，水冷至室温，然后再加热至870℃，保温5.5小时；
所述高温合金材料在760℃下的力学性能为：抗拉强度1742MPa、屈服强度1428MPa、断后延伸率15％。
2.根据权利要求1所述方法制备得到的高温合金材料在汽轮机发动机叶片钢上的应用。
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