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CN115505789B - 高温拉伸性能优异的镍基高温合金及其制备方法和应用 - Google Patents

高温拉伸性能优异的镍基高温合金及其制备方法和应用 Download PDF

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CN115505789B CN202211143949.8A CN202211143949A CN115505789B CN 115505789 B CN115505789 B CN 115505789B CN 202211143949 A CN202211143949 A CN 202211143949A CN 115505789 B CN115505789 B CN 115505789B
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Abstract

本发明属于高温合金技术领域，具体涉及一种高温拉伸性能优异的镍基高温合金及其制备方法和应用。本发明提供的镍基高温合金，包括：C：0.03‑0.07％、Cr：19.00‑21.00％、Co：13.00‑14.00％、Mo：5.60‑6.50％、Al：1.4‑1.8％、Ti：1.4‑1.8％、Nb：1.4‑1.8％、W：0.8‑1.2％、Zr：0‑0.05％、V：0.2‑0.8％和B：0.002‑0.007％，余量为镍和不可避免的杂质，以质量百分含量计，其中，所述Mo、Nb和V的质量百分含量满足关系式9.8％<Mo+2.8Nb‑0.6V<10.8％。该合金具有优异的焊接性能、室温拉伸性能，并且800℃的高温拉伸性能也能满足使用需求。

Description

高温拉伸性能优异的镍基高温合金及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于高温合金技术领域，具体涉及一种高温拉伸性能优异的镍基高温合金及其制备方法和应用。
背景技术
高温合金材料按照制备工艺可分为变形高温合金、铸造高温合金和粉末冶金高温合金。高温合金材料按基体元素主要可分为铁基高温合金、镍基高温合金和钴基高温合金。由于铁基高温合金组织不够稳定抗氧化性较差，高温强度不足，不能在更高温度条件下应用，只能在中等温度(600～800℃)条件下使用；而钴是一种重要的战略资源，世界上大多数国家缺钴，以至于钴基合金的发展受到了钴资源的限制。因而，以镍为基体(含量一般大于50％)的镍基高温合金成为了目前高温合金中应用最广、高温强度最高的一类合金。
与其他高温合金不同，镍基高温合金不是由与基体牢固结合的有序沉淀相来强化，而是由已被固溶强化的奥氏体fcc基体和基体中分布少量碳化物组成。纯镍晶体在417℃以下是密排六方hcp晶体结构，在更高温度下转变为fcc晶体结构。为了避免镍基高温合金在使用时发生这种转变，实际上所有镍基高温合金均由镍合金化，以便在室温到熔点温度范围内使组织稳定化。
发明内容
本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的：
尽管镍基高温合金具有高温组织稳定性、抗疲劳、耐腐蚀及抗氧化等性能，但是高温长期服役的镍基合金在疲劳强度、屈服强度和极限抗拉强度等力学性能方面均会出现明显下降。因而，如何提高高温长期服役的镍基合金的稳定性和高温力学性能，成了业内亟待解决的关键问题。
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种高温拉伸性能优异的镍基高温合金，该合金具有优异的焊接性能、室温拉伸性能，并且800℃的高温拉伸性能也能满足使用需求。
本发明实施例的一种高温拉伸性能优异的镍基高温合金，包括：C：0.03-0.07％、Cr：19.00-21.00％、Co：13.00-14.00％、Mo：5.60-6.50％、Al：1.4-1.8％、Ti：1.4-1.8％、Nb：1.4-1.8％、W：0.8-1.2％、Zr：0-0.05％、V：0.2-0.8％和B：0.002-0.007％，余量为镍和不可避免的杂质，以质量百分含量计，其中，所述Mo、Nb和V的质量百分含量满足关系式9.8％<Mo+2.8Nb-0.6V<10.8％。
本发明实施例的高温拉伸性能优异的镍基高温合金带来的优点和技术效果，1、本发明实施例中，Nb是时效强化型镍基合金中强化相γ′的形成元素，随Nb含量的增加，高温蠕变和持久性能提高，另外，Nb还会与C结合形成MC型碳化物，起到提高高温力学性能的作用，但过多的Nb会形成大颗粒MC型碳化物，对合金的力学性能反而不利，且过多的Nb会损害焊接性能，使得合金的应变时效开裂敏感性增强，表现为容易出现焊接裂纹缺陷，在本发明实施例中，综合考虑Nb对高温力学性能和焊接的影响，将Nb的含量控制在1.4～1.8％范围内；2、本发明实施例中，W与Mo具有相似的物理化学性质，W在镍基高温合金中的固溶强化作用明显，但W是加速高温腐蚀的元素，而且在长期服役时会形成有害的δ相，降低合金强度和韧性，此外，W的密度较大，镍基合金中添加少量W就会明显提高合金密度，使所制造的部件重量增加，因此，本发明实施例将W的含量控制在0.8～1.2％范围内；3、本发明实施例中，V是强烈的碳化物和γ′形成元素，V能够替代Ni3Al(γ′)中Al的位置，提高其稳定性，V还能固溶于基体中，有效增大晶格畸变，产生固溶强化作用，V在航空发动机、地面和舰用燃气轮机燃烧室及其部件中的应用优势还特别体现在V降低合金的膨胀系数、提高合金热导率两方面，低的膨胀系数有利于燃烧室及其部件在高温下保持形状、尺寸的稳定性，防止热胀冷缩引起早期破坏，高的热导率有利于燃烧室及其部件散热，特别是加快了燃烧室汽冷介质和本体之间的热交换，有利于降低燃烧室及其部件的温度；4、本发明实施例中，控制Mo、Nb和V的质量百分含量满足关系式9.8％<Mo+2.8Nb-0.6V<10.8％，V、Mo、Nb能发挥最大的协同作用，V、Mo、Nb的组合添加对提高镍基变形高温合金的800℃高温强度有明显效果，制备得到的合金800℃高温拉伸性能，Rp0.2能达到600MPa以上，Rm均能超过750MPa，且焊接过程没有裂纹生成。
在一些实施例中，所述Mo、Nb和V的质量百分含量满足关系式9.89％<Mo+2.8Nb-0.6V<10.73％。
在一些实施例中，所述Mo、Nb和V的质量百分含量满足关系式9.92％<Mo+2.8Nb-0.6V<10.19％。
在一些实施例中，所述镍基高温合金包括：C：0.03-0.07％、Cr：19.00-20.8％、Co：13.0-13.8％、Mo：5.70-6.30％、Al：1.46-1.8％、Ti：1.4-1.75％、Nb：1.4-1.62％、W：0.9-1.15％、Zr：0-0.04％、V：0.2-0.8％和B：0.002-0.006％，余量为镍和不可避免的杂质，以质量百分含量计。
在一些实施例中，所述镍基高温合金包括：C：0.06-0.07％、Cr：19.20-20.8％、Co：13.0-13.1％、Mo：5.80-6.20％、Al：1.46-1.50％、Ti：1.40-1.60％、Nb：1.50-1.62％、W：1.1-1.15％、Zr：0-0.04％、V：0.25-0.8％和B：0.006％，余量为镍和不可避免的杂质，以质量百分含量计。
本发明实施例还提供了高温拉伸性能优异的镍基高温合金在航空发动机中的应用。
本发明实施例还提供了高温拉伸性能优异的镍基高温合金在燃气轮机中的应用。
本发明实施例还提供了一种高温拉伸性能优异的镍基高温合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)将原料在真空感应炉中熔化，搅拌均匀后保温静置，真空浇铸得到铸锭；
(2)将所述铸锭进行二级固溶处理和二级时效处理。
本发明实施例的高温拉伸性能优异的镍基高温合金的制备方法带来的优点和技术效果，1、本发明实施中，采用该方法制备的合金具有优异的焊接性能、室温拉伸性能，以及800℃高温拉伸性能，能够满足相关领域的使用需求；2、本发明实施例中，该制备方法简单易操作，生产效率高，节约能耗，便于在工业上的推广应用。
在一些实施中，所述二级固溶处理是在1150～1200℃下保温30～40h；降温至1050～1100℃保温5～10h。
在一些实施中，所述二级时效处理是先在750～800℃下保温20～30h，然后在820～870℃保温10～15h。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明实施例的一种高温拉伸性能优异的镍基高温合金，包括：C：0.03-0.07％、Cr：19.00-21.00％、Co：13.00-14.00％、Mo：5.60-6.50％、Al：1.4-1.8％、Ti：1.4-1.8％、Nb：1.4-1.8％、W：0.8-1.2％、Zr：0-0.05％、V：0.2-0.8％和B：0.002-0.007％，余量为镍和不可避免的杂质，以质量百分含量计，其中，所述Mo、Nb和V的质量百分含量满足关系式9.8％<Mo+2.8Nb-0.6V<10.8％，优选为9.89％<Mo+2.8Nb-0.6V<10.73％，进一步优选为9.92％<Mo+2.8Nb-0.6V<10.19％。
本发明实施例的高温拉伸性能优异的镍基高温合金带来的优点和技术效果，Nb是时效强化型镍基合金中强化相γ′的形成元素，随Nb含量的增加，高温蠕变和持久性能提高，另外，Nb还会与C结合形成MC型碳化物，起到提高高温力学性能的作用，但过多的Nb会形成大颗粒MC型碳化物，对合金的力学性能反而不利，且过多的Nb会损害焊接性能，使得合金的应变时效开裂敏感性增强，表现为容易出现焊接裂纹缺陷，在本发明实施例中，综合考虑Nb对高温力学性能和焊接的影响，将Nb的含量控制在1.4～1.8％范围内；W与Mo具有相似的物理化学性质，W在镍基高温合金中的固溶强化作用明显，但W是加速高温腐蚀的元素，而且在长期服役时会形成有害的δ相，降低合金强度和韧性，此外，W的密度较大，镍基合金中添加少量W就会明显提高合金密度，使所制造的部件重量增加，因此，本发明实施例将W的含量控制在0.8～1.2％范围内；V是强烈的碳化物和γ′形成元素，V能够替代Ni3Al(γ′)中Al的位置，提高其稳定性，V还能固溶于基体中，有效增大晶格畸变，产生固溶强化作用，V在航空发动机、地面和舰用燃气轮机燃烧室及其部件中的应用优势还特别体现在V降低合金的膨胀系数、提高合金热导率两方面，低的膨胀系数有利于燃烧室及其部件在高温下保持形状、尺寸的稳定性，防止热胀冷缩引起早期破坏，高的热导率有利于燃烧室及其部件散热，特别是加快了燃烧室汽冷介质和本体之间的热交换，有利于降低燃烧室及其部件的温度；本发明实施例中，控制Mo、Nb和V的质量百分含量满足关系式9.8％<Mo+2.8Nb-0.6V<10.8％，V、Mo、Nb能发挥最大的协同作用，V、Mo、Nb的组合添加对提高镍基变形高温合金的800℃高温强度有明显效果，制备得到的合金800℃高温拉伸性能，Rp0.2能达到600MPa以上，Rm均能超过750MPa，且焊接过程没有裂纹生成。
在一些实施例中，优选地，所述镍基高温合金包括：C：0.03-0.07％、Cr：19.00-20.8％、Co：13.0-13.8％、Mo：5.70-6.30％、Al：1.46-1.8％、Ti：1.4-1.75％、Nb：1.4-1.62％、W：0.9-1.15％、Zr：0-0.04％、V：0.2-0.8％和B：0.002-0.006％，余量为镍和不可避免的杂质，以质量百分含量计。进一步优选地，所述镍基高温合金包括：C：0.06-0.07％、Cr：19.20-20.8％、Co：13.0-13.1％、Mo：5.80-6.20％、Al：1.46-1.50％、Ti：1.40-1.60％、Nb：1.50-1.62％、W：1.1-1.15％、Zr：0-0.04％、V：0.25-0.8％和B：0.006％，余量为镍和不可避免的杂质，以质量百分含量计。
本发明实施例还提供了高温拉伸性能优异的镍基高温合金在航空发动机中的应用。本发明实施例中的镍基高温合金满足了先进航空发动机设计和使用的要求，能够应用在先进航空发动机的精密设备中。
本发明实施例还提供了高温拉伸性能优异的镍基高温合金在燃气轮机中的应用。本发明实施例中的镍基高温合金满足了燃气轮机设计和使用的要求，能够应用在燃气轮机的精密设备中。
本发明实施例还提供了一种高温拉伸性能优异的镍基高温合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)将原料在真空感应炉中熔化，搅拌均匀后保温静置，真空浇铸得到铸锭；
(2)将所述铸锭进行二级固溶处理和二级时效处理。
本发明实施例的高温拉伸性能优异的镍基高温合金的制备方法，制备的合金具有优异的焊接性能、室温拉伸性能，以及800℃高温拉伸性能，能够满足相关领域的使用需求；该制备方法简单易操作，生产效率高，节约能耗，便于在工业上的推广应用。
在一些实施例中，优选地，所述二级固溶处理是在1150～1200℃下保温30～40h；降温至1050～1100℃保温5～10h。进一步优选地，所述二级时效处理是先在750～800℃下保温20～30h，然后在820～870℃保温10～15h。
本发明实施例中，优选了二级固溶处理和二级时效处理的条件，固溶处理的主要目的是改善合金的塑性和韧性，且能获得适宜的晶粒度，以保证合金高温抗蠕变性能；时效处理的目的是消除合金的内应力，稳定组织和尺寸，改善机械性能，获得综合性能更好的镍基高温合金。
下面结合实施例详细描述本发明。
实施例1
(1)将原料在真空感应炉中熔化，搅拌均匀后保温静置，真空浇铸得到铸锭；
(2)将所述铸锭进行二级固溶处理和二级时效处理；其中二级固溶处理是在1150℃下保温40h；降温至1100℃保温10h，二级时效处理是先在800℃下保温20h，然后在820℃保温15h。
实施例1制得的合金成分见表1，性能见表2。
实施例2～8与实施例1的制备方法相同，不同之处在于合金成分中，实施例2～8制得的合金成分见表1，性能见表2。
对比例1
对比例1与实施例1的制备方法相同，不同之处在于合金成分中，元素W的含量为0.51％，对比例1制得的合金成分见表1，性能见表2。
对比例2
对比例2与实施例1的制备方法相同，不同之处在于合金成分中，元素W的含量为1.61％，对比例2制得的合金成分见表1，性能见表2。
对比例3
对比例3与实施例1的制备方法相同，不同之处在于合金成分中，不含元素V，对比例3制得的合金成分见表1，性能见表2。
对比例4
对比例4与实施例1的制备方法相同，不同之处在于合金成分中，元素V的含量为1.23％，对比例4制得的合金成分见表1，性能见表2。
对比例5
对比例5与实施例1的制备方法相同，不同之处在于合金成分，其中，Mo+2.8Nb-0.6V＝9.08％，对比例5制得的合金成分见表1，性能见表2。
对比例6
对比例6与实施例1的制备方法相同，不同之处在于合金成分，其中，Mo+2.8Nb-0.6V＝9.21％，对比例6制得的合金成分见表1，性能见表2。
对比例7
对比例7与实施例1的制备方法相同，不同之处在于合金成分，其中，Mo+2.8Nb-0.6V＝10.90％，对比例7制得的合金成分见表1，性能见表2。
表1
Figure GDA0004225988110000061
注：表中各元素的含量均以wt％计。
表2
Figure GDA0004225988110000071
注：1、焊接裂纹的检测条件为：焊接后，在光学显微镜下观察焊接接头表面。
2、室温拉伸性能：Rp0.2为时效态合金的室温拉伸屈服强度、Rm为时效态合金的室温拉伸抗拉强度，A为时效态合金的室温拉伸断后伸长率；
3、800℃高温拉伸性能：Rp0.2为时效态合金的800℃拉伸屈服强度、Rm为时效态合金的800℃拉伸抗拉强度，A为时效态合金的800℃拉伸断后伸长率；
2、表中Mo+2.8Nb-0.6V以wt％计。
通过表1和表2的数据可以看出，实施例中控制各元素的含量在合适的范围内，且Mo、Nb和V满足关系式9.8％<Mo+2.8Nb-0.6V<10.8％，制备得到的镍基高温合金的室温拉伸性能中，Rp0.2均超过720MPa，Rm均能超过1100MPa；在800℃高温拉伸性能中，Rp0.2均能超过600MPa，Rm也均达到755MPa，且焊接后没有裂纹形成，具有较好的焊接性能，本发明实施例的镍基高温合金具有优异的综合性能。
对比例1和2中调整了元素W的用量，对比例1中W元素的用量为0.51％，W的作用主要是固溶强化，W的含量过低导致合金的室温和800℃拉伸性能均出现下降；对比例2中W元素的用量为1.61％，W是加速高温腐蚀的元素，而且在长期服役时会形成有害的δ相，降低合金的韧性，因此，对比例2制得的合金室温拉伸延伸率降低至19％，不能满足使用需求。
对比例3和4中调整了元素V的用量，对比例3中没有添加元素V，元素V不仅能产生固溶强化作用，而且还能降低合金的膨胀系数、提高合金热导率，不添加V使合金800℃高温拉伸延伸率低于期望值，且焊接时有裂纹形成；对比例4中元素V的含量为1.23％，使合金的室温和800℃高温拉伸延伸率均下降，无法满足使用需求。
对比例5和6中，Mo+2.8Nb-0.6V的值均低于9.8％，合金的800℃高温拉伸抗拉强度低于期望值，800℃高温拉伸屈服强度也明显低于本申请的实施例中的合金。对比例7中，Mo+2.8Nb-0.6V的值高于10.8％，合金的800℃高温拉伸屈服强度和延伸率同本申请实施例相比，呈现明显下降，并且出现焊接裂纹。
在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管已经示出和描述了上述实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域普通技术人员对上述实施例进行的变化、修改、替换和变型均在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种高温拉伸性能优异的镍基高温合金，其特征在于，包括：C：0.03-0.07％、Cr：19.00-21.00％、Co：13.00-13.80％、Mo：5.70-6.50％、Al：1.4-1.8％、Ti：1.4-1.8％、Nb：1.4-1.8％、W：0.8-1.2％、Zr：0-0.05％、V：0.2-0.8％和B：0.002-0.007％，余量为镍和不可避免的杂质，以质量百分含量计，其中，所述Mo、Nb和V的质量百分含量满足关系式9.89％<Mo+2.8Nb-0.6V<10.73％。
2.根据权利要求1所述的高温拉伸性能优异的镍基高温合金，其特征在于，所述Mo、Nb和V的质量百分含量满足关系式9.92％<Mo+2.8Nb-0.6V<10.19％。
3.根据权利要求1所述的高温拉伸性能优异的镍基高温合金，其特征在于，所述镍基高温合金包括：C：0.03-0.07％、Cr：19.00-20.8％、Co：13.0-13.8％、Mo：5.70-6.30％、Al：1.46-1.8％、Ti：1.4-1.75％、Nb：1.4-1.62％、W：0.9-1.15％、Zr：0-0.04％、V：0.2-0.8％和B：0.002-0.006％，余量为镍和不可避免的杂质，以质量百分含量计。
4.根据权利要求3所述的高温拉伸性能优异的镍基高温合金，其特征在于，所述镍基高温合金包括：C：0.06-0.07％、Cr：19.20-20.8％、Co：13.0-13.1％、Mo：5.80-6.20％、Al：1.46-1.50％、Ti：1.40-1.60％、Nb：1.50-1.62％、W：1.1-1.15％、Zr：0-0.04％、V：0.25-0.8％和B：0.006％，余量为镍和不可避免的杂质，以质量百分含量计。
5.权利要求1-4中任一项所述的高温拉伸性能优异的镍基高温合金在航空发动机中的应用。
6.权利要求1-4中任一项所述的高温拉伸性能优异的镍基高温合金在燃气轮机中的应用。
7.一种权利要求1-4中任一项所述的高温拉伸性能优异的镍基高温合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将原料在真空感应炉中熔化，搅拌均匀后保温静置，真空浇铸得到铸锭；
(2)将所述铸锭进行二级固溶处理和二级时效处理。
8.根据权利要求7所述的高温拉伸性能优异的镍基高温合金的制备方法，其特征在于，所述二级固溶处理是在1150～1200℃下保温30～40h；降温至1050～1100℃保温5～10h。
9.根据权利要求7或8所述的高温拉伸性能优异的镍基高温合金的制备方法，其特征在于，所述二级时效处理是先在750～800℃下保温20～30h，然后在820～870℃保温10～15h。
CN202211143949.8A 2022-09-20 2022-09-20 高温拉伸性能优异的镍基高温合金及其制备方法和应用 Active CN115505789B (zh)

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