CN110983111A

CN110983111A - 一种镍基高温合金板材及其制备方法

Info

Publication number: CN110983111A
Application number: CN201911421613.1A
Authority: CN
Inventors: 华大凤; 王树平; 王方; 邵兴明; 刘威; 陈杰; 华鹏
Original assignee: Jiangsu Xinhua Alloy Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Xinhua Alloy Co Ltd
Priority date: 2019-12-31
Filing date: 2019-12-31
Publication date: 2020-04-10

Abstract

本发明提供一种镍基高温合金板材及其制备方法，制备方法包括以下步骤：S1中频冶炼；S2电渣重熔（精炼）；S3多次热锻；S4轧制；S5退火：进行退火处理，得到镍基高温合金板材。本发明工艺设计合理，各原料成分配比设计得到优化，成品率高；原料中添加适合比例的返回料，能够降低合金材料成本20%以上；电渣重熔步骤中能够很好地除去有害成分，将磷硫成分控制在较低水平；最终制备出的镍基高温板材力学性能优良，在室温下的抗拉强度≥586MPa，屈服强度≥240MPa，延伸率≥30%，制得镍基高温合金板材规格大，其规格可达厚度≥20mm，宽幅≥1800mm，长度≥2000mm。

Description

一种镍基高温合金板材及其制备方法

技术领域

本发明涉及合金材料制备技术领域，特别是涉及一种镍基高温合金板材及其制备方法。

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。高温合金具有良好的高温强度和抗氧化抗腐蚀性能、优异的抗疲劳和抗蠕变性能、断裂性能和组织稳定性，是现代国防建设和国民经济发展不可替代的关键材料。高温合金的发展与航空发动机和各种工业燃气轮机的发展密切相关，在航空发动机中，主要应用于导向器、涡轮叶片、涡轮盘和燃烧室四大热端部件。先进高温合金材料和工艺的研制属高技术领域，高温合金的发展水平是一个国家工业水平高低的标志之一，也是一个国家国防力量强弱的标志之一。世界各先进国家都非常重视高温合金的研究、生产和应用，并投入了大量的人力和物力。

Inconel 690高温合金是一种含铬30％左右的综合性能优良的固溶强化型单相奥氏体镍基变形高温合金，不仅在含氯化物和氢氧化钠的溶液中具有比Inconel 600、Incoloy800和304不锈钢更优异的抗应力腐蚀开裂能力，而且还具有高强度、良好的冶金稳定性、优良的加工性能和焊接性能，因此，自从上世纪80年代以来，逐渐代替Inconel 600合金，被广泛应用于压水堆核电站蒸汽发生器的传热管材料。

现有技术生产的Inconel 690高温合金板材制备工艺存在如下难点：多元多相的大规格合金铸锭在烧结过程中因各相膨胀各异而导致合金铸锭开裂和组织性能不均等问题；大规格合金铸锭在轧制变形过程中存在残余应力分布不均、变形不均导致板坯开裂、组织性能不均等缺陷。

发明内容

针对上述存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种镍基高温合金板材及其制备方法，其原料元素配比得到改进，生产工艺得到优化，成品率高，适合大规模工业生产；利用其制得的镍基高温合金板材力学性能优良，在室温下的抗拉强度≥586MPa，屈服强度≥240MPa，延伸率≥30%；同时采用返回料生产能够降低合金材料成本20%以上。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种镍基高温合金板材，按重量百分含量计，所述镍基高温合金板材中各成分组成如下：

C：≤0.05%；Si：≤0.50%；Mn：≤0.50%；P：≤0.020%；S：≤0.015%；Cr：27.0～31.0%；Al：0.10～0.20%；Ti：0.05～0.08%；Fe：7.0～11.0%；Cu：≤0.50%；（La+Ce）：0.05%～0.5%；余量为Ni。

进一步地，所述镍基高温合金板材为Inconel 690合金板材。

进一步地，所述镍基高温合金板材在室温下的抗拉强度≥586 MPa，屈服强度≥240 MPa，延伸率≥30%。

进一步地，所述制备方法包括以下步骤。

S1中频冶炼：将合金原材料按照既定的重量比例精准配料，所述合金原材料中包括30%～40%的返回料，将所述合金原材料中除Al、Ti、（La+Ce）和部分Ni以外的其他原料投入中频炉内进行熔炼得到钢水。

S2电渣重熔（精炼）：向所述钢水内投入石灰及萤石进行造渣，并加入Al、Ti及部分Ni进行脱氧，（La+Ce）在出钢前3min～5min加入，出钢时吹氩镇静后浇注，充分补缩得到合金铸锭，精炼温度为1520℃～1540℃，精炼时间＞45min，出钢温度为1540℃～1560℃。

S3多次热锻：将所述合金铸锭用天然气炉加热，加热温度为1150℃～1180℃，缓慢加热至800℃保温3h，再升温1000℃保温1h再升温1160℃，保温4h；开锻温度≥1140℃，终锻温度≥920℃，回火时间大于60min。

S4轧制：对经所述S3多次热锻后的所述合金铸锭进行热轧，热轧时的加热温度为1150℃～1180℃，开轧温度≥1140℃，终轧温度≥920℃。

S5退火：进行退火处理，得到所述镍基高温合金板材，退火温度为1000℃～1080℃。

优选地，所述部分Ni以Ni-Mg中间合金形式存在，所述Ni-Mg中间合金加入量为1.5kg/吨钢水。

以本发明技术制作的镍基高温合金板材的成品规格常为：S=20*1900*4170；S=20*2000*4170或S=25*2000*2000（mm）。

本发明的一种电热合金镍铬丝材中成分设计的原理在于：

C：碳起着稳定合金结构，保证强度的作用。但随着碳含量的增加，合金抗晶间腐蚀性能会恶化。因此，其含量设置为≤0.05%。

Si：硅在高温氧化后形成SiO₂，分布在氧化膜与基体金属的界面处，可以阻止氧渗入，降低合金的氧化速度。因此将其含量限定在≤0.50%。

Mn：锰起着脱氧和脱硫的作用，是确保抗氧化性的重要元素。将其含量限定在≤0.50%。

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：≤0.020%。S：≤0.015%。

Cr：抗晶间腐蚀性随铬含量的增加而提高，增加铬含量可降低该高温合金在含氯离子和氧的高温水中的应力腐蚀开裂的敏感性，也是合金高温抗氧化性能的关键元素，可以保证合金在高温下长期使用，含量过低，不能显现效果，含量过高，强度和韧性显著降低。因此将其含量限定在27.0～31.0%。

Al：作为脱氧剂及能够增大电阻率。因此将其含量限定在0.10～0.20%。

Ti：起到脱氧剂的作用，也为强化碳元素形成的元素，可与碳元素结合形成稳定的碳化物。当Inconel 690合金中有钛的存在时，它能够综合钛和铬，起到钉扎晶界的作用。因此将其含量限定在0.05～0.08%。

Fe：铁在脱氧纯水或氯化水中具有应力腐蚀开裂敏感性，也是合金在这些环境中有应力腐蚀敏感性的主要原因。因此将其含量限定在7.0～11.0%。

Cu：铜为微量元素产生微合金化效果，可以使高温合金的高温抗蚀性、持久高温强度和塑性均有所提升。因此将其含量限定在≤0.50%。

（La+Ce）：在合金中加入稀土元素，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；当该高温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；同时加入稀土元素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。因此将其含量限定在0.05%～0.5%。

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718合金在碱溶液中的应力腐蚀开裂敏感性。因此将其含量限定在58～65%。

本发明具有如下有益效果：本发明提供的制备方法依次包括中频冶炼、电渣重熔、多次热锻、轧制及退火等步骤，工艺设计合理，各原料成分配比设计得到优化，成品率高；原料中添加适合比例的返回料，能够降低合金材料成本20%以上；电渣重熔步骤中能够很好地除去有害成分，将磷硫成分控制在较低水平；最终制备出的镍基高温板材力学性能优良，在室温下的抗拉强度≥586，屈服强度≥240，延伸率≥30%，制得镍基高温合金板材规格大，其规格可达厚度≥20mm，宽幅≥1800mm，长度≥2000mm。

具体实施方式

为使对本发明的目的及其功能有进一步地了解，兹配合实施例详细说明如下。

实施例1

本发明的一种镍基高温合金板材的一实施例中，按重量百分含量计，镍基高温合金板材中各成分组成如下：

C：0.04%；Si：0.35%；Mn：0.3%；P：0.019%；S：0.010%；Cr：29%；Al：0.15%；Ti：0.07%；Fe：8.5%；Cu：0.5%；（La+Ce）：0.2%；余量为Ni。

进一步地，镍基高温合金板材为Inconel 690合金板材。

进一步地，一种镍基高温合金板材的制备方法包括以下步骤。

S1中频冶炼：将合金原材料按照既定的重量比例精准配料，合金原材料中包括35%的返回料，将合金原材料中除Al、（La+Ce）Ti、和部分Ni以外的其他原料投入中频炉内进行熔炼得到钢水。

S2电渣重熔（精炼）：向钢水内投入石灰及萤石进行造渣，并加入Al、Ti及部分Ni进行脱氧，（La+Ce）在出钢前5min加入，出钢时吹氩镇静后浇注，充分补缩得到合金铸锭，精炼温度为1525℃，精炼时间为1h，出钢温度为1550℃。优选地，部分Ni以Ni-Mg中间合金形式存在，Ni-Mg中间合金加入量为1.5kg/吨钢水。

S3多次热锻：将合金铸锭用天然气炉加热，加热温度为1150℃，缓慢加热至800℃保温3h，再升温1000℃保温1h再升温1160℃，保温4h；开锻温度为1160℃，终锻温度为1000℃，回火时间为1h。

S4轧制：对经S3多次热锻后的合金铸锭进行热轧，热轧时的加热温度为1160℃，开轧温度为1140℃，终轧温度为950℃。

S5退火：进行退火处理，得到镍基高温合金板材，退火温度为1000℃。

对上述镍基高温合金板材进行力学性能测试，在室温下测得的抗拉强度为596MPa，屈服强度为303MPa，延伸率为59%。

实施例2

C：0.035%；Si：0.15%；Mn：0.20%；P：0.015%；S：0.010%；Cr：28.3%；Al：0.20%；Ti：0.08%；Fe：8.5%；Cu：0.35%；（La+Ce）：0.1%；余量为Ni。

进一步地，镍基高温合金板材为Inconel 690合金板材。

S1中频冶炼：将合金原材料按照既定的重量比例精准配料，合金原材料中包括35%的返回料，将合金原材料中除Al、Ti、（La+Ce）和部分Ni以外的其他原料投入中频炉内进行熔炼得到钢水。

对上述镍基高温合金板材进行力学性能测试，在室温下测得的抗拉强度为955MPa，屈服强度为461MPa，延伸率为52%。

实施例3

C：0.05%；Si：0.35%；Mn：0.30%；P：0.020%；S：0.009%；Cr：30%；Al：0.15%；Ti：0.08%；Fe：10.0%；Cu：0.45%；（La+Ce）：0.3%；余量为Ni。

进一步地，镍基高温合金板材为Inconel 690合金板材。

对上述镍基高温合金板材进行力学性能测试，在室温下测得的抗拉强度为796MPa，屈服强度为353MPa，延伸率为44%。

本发明提供的制备方法依次包括中频冶炼、电渣重熔、多次热锻、轧制及退火等步骤，工艺设计合理，各原料成分配比设计得到优化，成品率高；原料中添加适合比例的返回料，能够降低合金材料成本20%以上；电渣重熔步骤中能够很好地除去有害成分，将磷硫成分控制在较低水平；最终制备出的镍基高温板材力学性能优良，在室温下的抗拉强度≥586，屈服强度≥240，延伸率≥30%，制得镍基高温合金板材规格大，其规格可达厚度≥20mm，宽幅≥1800mm，长度≥2000mm。

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。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

1.一种镍基高温合金板材，其特征在于，按重量百分含量计，所述镍基高温合金板材中各成分组成如下：

2.如权利要求1所述的一种镍基高温合金板材，其特征在于所述镍基高温合金板材为Inconel 690合金板材。

3.如权利要求1所述的一种镍基高温合金板材，其特征在于所述镍基高温合金板材在室温下的抗拉强度≥586 MPa，屈服强度≥240 MPa，延伸率≥30%。

4.如权利要求1-3中任一项所述的一种镍基高温合金板材的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

S1中频冶炼：将合金原材料按照既定的重量比例精准配料，所述合金原材料中包括30%～40%的返回料，将所述合金原材料中除Al、Ti、（La+Ce）和部分Ni以外的其他原料投入中频炉内进行熔炼得到钢水；

S2电渣重熔（精炼）：向所述钢水内投入石灰及萤石进行造渣，并加入Al、Ti及部分Ni进行脱氧，（La+Ce）在出钢前3min～5min加入，出钢时吹氩镇静后浇注，充分补缩得到合金铸锭，精炼温度为1520℃～1540℃，精炼时间＞45min，出钢温度为1540℃～1560℃；

S3多次热锻：将所述合金铸锭用天然气炉加热，加热温度为1150℃～1180℃，缓慢加热至800℃保温3h，再升温1000℃保温1h再升温1160℃，保温4h；开锻温度≥1140℃，终锻温度≥920℃，回火时间大于60min；

S4轧制：对经所述S3多次热锻后的所述合金铸锭进行热轧，热轧时的加热温度为1150℃～1180℃，开轧温度≥1140℃，终轧温度≥920℃；

5.如权利要求4中所述的一种镍基高温合金板材的制备方法，其特征在于，所述部分Ni以Ni-Mg中间合金形式存在，所述Ni-Mg中间合金加入量为1.5kg/吨钢水。