CN114182139B

CN114182139B - 一种析出强化镍基高温合金及其制备方法

Info

Publication number: CN114182139B
Application number: CN202111506743.2A
Authority: CN
Inventors: 李小琳; 何毅; 郝晓晓; 王海丰; 杨佳伟
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2021-12-10
Filing date: 2021-12-10
Publication date: 2022-12-02
Anticipated expiration: 2041-12-10
Also published as: CN114182139A

Abstract

本发明公开了一种析出强化镍基高温合金及其制备方法，该合金强度高且耐磨性好，按原子百分比计为Cr：6％‑14％，Mo:12％‑20％，W:≤4％，Ti:≤4％，余量为Ni。其中，当W＝2.15％，Ti＝2％时，合金具备优异的室温及高温力学性能，经变形和热处理后，室温条件下屈服强度达到1645MPa，在650℃进行拉伸实验氏屈服强度为1122MPa。本发明采用真空感应熔炼制备该合金，通过加入Ti元素诱导析出纳米级D0₂₂超点阵相，利用析出强化提高合金的强度和硬度，最终获得的合金在高温下具有优异的耐磨性，因此本发明制备的合金可应用于高温环境，如航空发动机、核反应堆等。

Description

一种析出强化镍基高温合金及其制备方法

【技术领域】

本发明属于高温金属结构材料技术领域，涉及一种析出强化镍基高温合金，具体涉及一种析出强化镍基高温合金及其制备方法。

【背景技术】

高温合金，也称热强合金，一般是以铁、钴、镍为基体的面心立方结构，能够服役于高温环境，并能承受较大复杂应力和良好组织稳定性的一类合金。高温合金一般具有高的室温和高温强度、优异的抗疲劳和抗蠕变性能、良好的抗氧化性和抗腐蚀性。因此，高温合金被广泛应用于航空、航天发动机的高温部件，核反应堆，以及船舶、石油化工等领域。随着航空技术的进步，高温合金在种类、质量和生产工艺等方面也都有了很大的发展。而相比于铁基和钴基高温合金，镍基高温合金具有合金化能力高、化学稳定性好、无同素异构转变等优点，因此，在整个高温合金领域，镍基高温合金占据重要的地位。

镍基高温合金是以镍为基体的一类高温合金，其具有优异的力学性能、抗氧化和耐腐蚀性。然而随着各行各业的发展，对高温合金的服役温度要求越来越高，现有的镍基高温合金已无法满足使用的需求，因此，设计一种具有高服役温度的镍基高温合金是当前急需解决的问题。

【发明内容】

针对上述问题，本发明提供一种析出强化镍基高温合金制备方法，通过在不同温度下对合金进行时效处理，使得合金中析出均匀弥散分布的纳米级Pt₂Mo和D0₂₂超点阵相，获得具有高强度、高稳定性和耐磨性的合金。

本发明是通过以下技术方案实现的，提供一种析出强化镍基高温合金，其特征在于，按原子百分比计算，其包括如下成分：

Cr：6％-14％，Mo:12％-20％，W:≤4％，Ti:≤4％，余量为Ni。

特别的，按原子百分比计算，其包括如下成分：

Cr：10.04％，Mo：15.32％，W：2.15％，Ti：2％，余量为Ni。

特别的，所述合金平衡态组织为奥氏体基体，析出相为Pt₂Mo型和D0₂₂型，其中Pt₂Mo型和D0₂₂型超点阵相均匀弥散分布于奥氏体基体内。

特别的，所述合金晶粒尺寸为10-20μm，该合金在室温和650℃的屈服强度分别为1645MPa和1122MPa，且在室温和650℃的塑性分别不低于30％和15％。

特别的，所述合金的磨损率随着温度的变化现增加后减小，在800℃时磨损率达到低，为1.36×10^-6mm³/m·N。

本发明还提供一种析出强化镍基高温合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1按原子百分比配置合金，所述合金按原子百分比计算，包括如下成分：Cr：6％-14％，Mo:12％-20％，W:≤4％，Ti:≤4％，余量为Ni；

S2将配置的合金压在真空感应电弧熔炼炉熔炼，并在电弧熔炼炉内使用铜模模具浇铸成型，获得合金样品；

S3将合金样品取出，放入热处理炉中进行淬火处理后进行冷轧处理；

S4于该步骤中，将温度控制在1060-1120℃，可以使合金样品快速完成再结晶，形成等轴晶组织，而保温时间过短合金可能未完全再结晶，而保温时间过长会使再结晶形成的等轴晶快速长大，于合金的力学性能不利，因此将冷轧后的合金样品在1060-1120℃保温5-15min，再结晶退火；

S5将结晶退火后的合金样品在600-800℃保温72-240h后空冷至室温即可，于该步骤中，在600-800℃，Ni基高温合金中超点阵相开始产生且不会发生固溶，并且在72-240h析出的超点阵相不会异常长大粗化，会保持适当的尺寸，达到更好的析出强化效果，若温度过高或者过低会使得合金中析出的超点阵相发生回溶或者没有超点阵相析出，不能起到强化合金的作用。

特别的，所述S2中合金需要在真空感应电弧熔炼炉熔炼4-6次。

特别的，所述S3淬火处理需在1100-1220℃保温24小时。

特别的，所述S3中冷轧总变形量不低于60％，每道次变形量为2-12％。

本发明提供一种析出强化镍基高温合金，其以Ni元素为基体，使其奥氏体组织更稳定，Cr元素的加入有利于提高合金的抗氧化性，W和Mo元素的加入能降低γ基体的层错能，有效阻碍合金变形过程中位错的运动，降低合金的变形速率，并且可以引发变形孪晶参与合金变形，提高合金强度，此外，大原子半径的元素添加，使得基体的晶格畸变程度变大，起到固溶强化效果；Ti元素的加入，首先通过热处理工艺可促使合金中析出D0₂₂超点阵相，该超点阵相处于纳米级，通过析出强化提高合金的性能，其次可以细化合金晶粒，通过细晶强化提高合金的性能。在制备过程中，经过冷轧处理后，消除了铸造缺陷，细化了晶粒，进一步提高了合金的性能。

综上所述，本发明提供的析出强化镍基高温合金服役于高温环境时，析出的超点阵相仍能保持较好的稳定性，从而使合金依然具有较高的屈服强度，且随着温度的升高，合金表面可以形成致密的氧化膜，磨损率逐渐降低，具有良好的耐磨性。

【附图说明】

图1为本发明实施例1制备的镍基高温合金和对比例的显微组织，其中(b)为施例1制备的镍基高温合金微观组织的背散射电子图像(SEM-BSE)，(a)为对比例的微观组织图像；

图2(a)、(b)为本发明实施例1制备的镍基高温合金的透射电子显微分析图像(TEM)，(c)为对比例合金的透射电子显微分析；

图3(a)、(b)为本发明实施例1制备的镍基高温合金和对比例在室温和高温(650℃)拉伸应力-应变曲线；

图4为本发明制备的镍基高温合金的高温摩擦磨损实验结果，其中，(a)、(b)、(c)、(d)分别为实施例1制备的高温合金在室温、300℃、650℃、800℃的摩擦系数曲线，磨损率图、磨坑深度和磨损三维轮廓形貌图。

【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，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。

本发明提供一种析出强化镍基高温合金，其特征在于，按原子百分比计算，其包括如下成分：

Cr：6％-14％，Mo:12％-20％，W:≤4％，Ti:≤4％，余量为Ni。

特别的，按原子百分比计算，其包括如下成分：

Cr：10.04％，Mo：15.32％，W：2.15％，Ti：2％，余量为Ni。

S2将配置的合金压在真空感应电弧熔炼炉中熔炼4-6次，并在电弧熔炼炉内使用铜模模具浇铸成型，获得板状的合金样品；

S3将合金样品取出，放入热处理炉中进行淬火处理后水冷，之后进行冷轧处理，所述淬火处理需在1100-1220℃保温24小时，冷轧后其总变形量不低于60％，每道次变形量在2-12％；

S4将冷轧后的合金样品在1060-1120℃保温5-15min，再结晶退火；

S5将结晶退火后的合金样品在600-800℃保温72-240h后空冷至室温即可。

对比例

按原子百分比为Cr：10.24％，Mo：15.63％，W：2.19％，余量为Ni的比例计算并称取单质原料，然后将上述原料分别放入真空感应电弧熔炼炉中熔炼制备获得合金，并在真空感应电弧熔炼炉内使用铜模进行浇铸，然后将所铸合金在热处理炉内在1200℃下保温24小时，之后将热处理后的合金在室温下进行多道次轧制，使合金厚度由6mm轧到1.5mm，最后将冷轧后的合金置于1100℃的热处理炉内保温5分钟，取出水冷。最终将获得产品进行表面打磨、抛光处理，然后使用扫描电子显微镜对合金的进行观察，获得图1(a)、图2(c)。

实施例1

按原子百分比为Cr：10.04％，Mo：15.32％，W：2.15％，Ti：2％，余量为Ni的比例计算并称取单质原料，然后将上述原料分别放入真空感应电弧熔炼炉中熔炼制备获得合金，并在真空感应电弧熔炼炉内使用铜模进行浇铸，然后将所铸合金在热处理炉内在1200℃下保温24小时，之后将热处理后的合金在室温下进行多道次轧制，使合金厚度由6mm轧到1.5mm，最后将冷轧后的合金置于1100℃的热处理炉内保温5分钟，取出水冷。最终将获得产品进行表面打磨、抛光处理，然后使用扫描电子显微镜对合金的微观组织进行观察，获得图1(b)。

由图1(b)可知，本发明实施例1的合金为等轴晶，晶粒尺寸在10-25μm，对比例制备的合金为等轴晶，晶粒尺寸在20-35μm。由此说明，Ti元素的加入可以细化合金的晶粒，不会影响合金中晶粒的形态。

为了获得本发明制备合金的力学性能及强度，将实施1热处理水冷后的合金样品置于650℃的热处理炉内保温120小时，取出水冷。最终将获得的合金使用进行砂纸打磨、冲孔和电解双喷，制备TEM样品，使用透射电子显微镜对样品进行观察，获得图2(a)、(b)，分析合金中析出相的变化。并对样品进行室温和高温(650℃)拉伸试验，测量合金的力学性能，获得图3(a)、(b)。

由图2可知本发明实施例1制备的镍基高温合金中有Pt₂Mo和D0₂₂两种类型的超点阵相，而对比例合金中只有Pt₂Mo型超点阵相，缺少D0₂₂型超点阵相。

由图3可知，本发明实施例1制备的镍基高温合金具有高屈服的强度，可达到1645MPa，且具有高的塑性。

为了获得本发明制备合金的耐磨性，将上述实施例1于650℃条件下热处理后的合金样品表面进行抛光处理，将表面抛光处理后的合金分别置于室温、300℃、650℃、800℃的温度下进行摩擦磨损实验，测试环境温度采用电阻丝加热，隔热箱体保温的方法维持，以直径为11mm的Si₃N₄球作为对磨副，在载荷为5N，行程为1mm，频率为5Hz，时间为30min的条件下进行摩擦磨损实验，实验结束后采用白光干涉三维表面轮廓仪测量合金的磨损体积，获得图4。

图4为镍基高温合金在5N载荷下，分别在室温(RT)、300℃、650℃、800℃下摩擦30分钟的摩擦系数曲线以及磨损率图。由图4可知随着摩擦温度的升高，合金的摩擦系数逐渐减小，而磨损率呈现先增大后减小的趋势，在300℃下最大，800℃最小，为1.36×10^-6mm³/m·N。另外从磨痕的深度图和三维轮廓图可以看出，随着摩擦实验温度升高，磨痕宽度和深度也先增加后减小，在800℃显著降低，说明本发明制备的合金在高温下具有优异的耐磨损性能，可于高温条件下使用。

综上所述，本发明通过加入Ti元素可诱导析出纳米级D0₂₂超点阵相，从而利用析出强化提高了合金的强度和硬度，并且合金在高温下具有优异的耐磨性，因此本发明制备的合金可应用于高温环境，如航空发动机、核反应堆等。

实施例2

按原子百分比为Cr：6％，Mo：20％，W：4％，Ti：3％，余量为Ni的比例计算并称取单质原料，然后将上述原料分别放入真空感应电弧熔炼炉中熔炼制备获得合金，并在真空感应电弧熔炼炉内使用铜模进行浇铸，然后将所铸合金在热处理炉内在1100℃下保温24小时，然后将合金在室温下进行多道次轧制，使合金厚度由6mm轧到1.5mm。冷轧后的样品置于1120℃的热处理炉内保温10分钟，取出水冷。后将样品置于600℃的热处理炉内保温240小时，取出空冷至室温即可。

实施例3

按原子百分比为Cr：14％，Mo：12％，W：2％，Ti：1％，余量为Ni的比例计算并称取单质原料，然后将上述原料分别放入真空感应电弧熔炼炉中熔炼制备获得合金，并在真空感应电弧熔炼炉内使用铜模进行浇铸，然后将所铸合金在热处理炉内在1220℃下保温24小时，然后将合金在室温下进行多道次轧制，使合金厚度由6mm轧到1.5mm。冷轧后的样品置于1060℃的热处理炉内保温15分钟，取出水冷。后将样品置于800℃的热处理炉内保温72小时，取出空冷至室温即可。

Claims

1.一种析出强化镍基高温合金，其特征在于，按原子百分比计算，其包括如下成分：

Cr：6%-14%，Mo:12%-20%，W:2%-4%，Ti:1%-4%，余量为Ni；

所述合金平衡态组织为奥氏体基体，析出相为Pt₂Mo型和D0₂₂型，其中Pt₂Mo型和D0₂₂型超点阵相均匀弥散分布于奥氏体基体内；

所述合金晶粒尺寸为10-20μm，该合金在室温和650℃的屈服强度分别为1645MPa和1122MPa，且在室温和650℃的塑性分别不低于30%和15%；

所述合金的磨损率随着温度的变化现增加后减小，在800℃时磨损率达到低，为1.36×10^-6mm³/m·N。

2.根据权利要求1所述的一种析出强化镍基高温合金，其特征在于，按原子百分比计算，其包括如下成分：

Cr：10.04%，Mo：15.32%，W：2.15%，Ti：2%，余量为Ni。

3.一种析出强化镍基高温合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1 按原子百分比配置合金，所述合金按原子百分比计算，包括如下成分：Cr：6%-14%，Mo:12%-20%，W:2%-4%，Ti:1%-4%，余量为Ni；

S2 将配置的合金压在真空感应电弧熔炼炉熔炼，并在电弧熔炼炉内使用铜模模具浇铸成型，获得合金样品，所述S2中合金需要在真空感应电弧熔炼炉熔炼4-6次；

S3 将合金样品取出，放入热处理炉中进行淬火处理后进行冷轧处理；

S4 将冷轧后的合金样品在1060-1120℃保温5-15min，再结晶退火；

S5 将结晶退火后的合金样品在600-800℃保温72-240h后空冷至室温即可。

4.根据权利要求3所述的一种析出强化镍基高温合金的制备方法，其特征在于，所述S3淬火处理需在1100-1220℃保温24小时。

5.根据权利要求3所述的一种析出强化镍基高温合金的制备方法，其特征在于，所述S3中冷轧总变形量不低于60%，每道次变形量为2-12%。