一种含锆镍基高温合金及制备方法技术

本发明专利技术涉及一种含锆镍基高温合金及制备方法，所述镍基高温合金，以质量百分比计，包括锆：0.001％～0.1％，碳:≤0.1％，铬：12％～20％，钼：≤4.0％，钨≤6％，钴：5％～12％，铁：≤14％，铌：4.0％～8.0％，铝：0.6％～2.6％，钛：0.4％～1.4％，磷：0.003％～0.03％，硼：0.003％～0.015％，余量为镍；所述镍基高温合金的制备方法包括冶炼、锻造开坯和热处理过程。该镍基高温合金在保持高温强度基本不变的情况下，能够明显提高合金的持久寿命，并能够有效改善合金的热加工性能，在700℃条件下能够长期使用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及高温合金
，尤其涉及一种含锆镍基高温合金及制备方法。
技术介绍
高温合金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。镍基合金以优异的抗氧化、抗腐蚀成为高温合金中应用最广、高温强度最高的一类合金。镍基高温合金中一般含有较高的合金元素，例如Cr、Mo、W、Co等，此类合金元素大多是我国的战略合金资源，原材料价格较高，因此增加镍基高温合金的制造成本，近年来，通过延长合金使用寿命以提高零件的使用安全性成为降低合金使用成本的有效方式，同时也是合金的研究热点。在高温合金中，一些微量元素可以以很低的含量显著影响其力学性能，成为高温合金领域的研究热点。但微量元素对高温合金的影响往往具有多样性，一些通常认为是有害或者有益的元素，在不同条件下，其作用可以发生较大地甚至是相反的转化，不同的合金体系下，不同的微量元素对合金的作用和规律和作用机理不尽相同。锆在一些高温合金中被看做一个清洁元素，通过与C和S的结合形成碳化物和碳硫化合物，并降低这些元素在晶界的固溶浓度，因此加入锆有助于净化晶界，增强晶界结合力，进而有利于保持合金的高温强度和持久塑性。Decker等发现锆加入到高温合金中可以提高其热加工性能和蠕变性能，Darmara等也证实15ppm的B就可以使Waspaloy合金的断裂寿命和塑性翻倍。但在K4169合金中，锆对K4169合金的凝固组织是不利的，锆的加入促进了合金中Nb、Mo、Ti等元素的偏析，使铸态合金晶界析出的有害相Laves相和碳化物数量增多。AntonyandRadavich也证实，锆对高温合金持久寿命不利。因此，锆对不同合金作用机理不尽相同。另外，虽然少量锆可能对某些合金有利，但过量会可能适得其反。因此添加合适的微量元素、控制微量元素的最佳成分范围以提高镍基高温合金使用寿命是本领域中需要解决的技术难题。
技术实现思路
鉴于上述的分析，本专利技术旨在提供一种含锆镍基高温合金及制备方法，通过在镍基高温合金中添加适量的微量元素锆，从而增加镍基高温合金的使用寿命，进而提高零件的使用安全性和降低成本。本专利技术的目的主要是通过以下技术方案实现的：本专利技术一种含锆镍基高温合金，以质量百分比计，包括：锆：0.001％～0.1％，碳:≤0.1％，铬：12％～20％，钼：≤4.0％，钨≤6％，钴：5％～12％，铁：≤14％，铌：4.0％～8.0％，铝：0.6％～2.6％，钛：0.4％～1.4％，磷：0.003％～0.03％，硼：0.003％～0.015％，余量为镍；所述镍基高温合金中强化相γ′相含量为22％～27％；晶界强化相η-Ni3Al0.5Nb0.5含量为1.5％～7.0％。对本专利技术所述镍基高温合金各元素作进一步说明：锆是本专利技术重要的添加元素，锆有助于净化晶界，增强晶界结合力，有助于保持合金高温强度和持久塑性的同时，增加合金的表面保护性氧化膜的粘附能力。同时本专利技术合金中锆的另一个重要作用是可以显著提高合金的持久寿命，随着锆含量增加，合金的持久寿命逐渐延长，并在0.01％～0.1％达到最大值，然后随着锆含量的增加其持久寿命逐渐降低；另外，当锆含量超过0.1％时合金的热加工能力会降低，裂纹产生倾向性增加。因此，本专利技术合金中锆的最佳控制范围为0.001％～0.1％。碳作为强化元素形成碳化物对合金强度有利，碳具有在浇注时保证熔融金属的流动性的作用。C可与Ti和Nb一起形成一次碳化物MC，有助于控制晶粒尺寸，含量过高时会过多消耗掉Ti和Nb，应当保持在0.1％以下。铬是提高镍基高温合金的抗氧化性能、抗腐蚀性能和高温强度的重要元素，也是晶界碳化物的主要形成元素，但铬含量过高时会影响合金的组织稳定性和加工性能，一般来说，铬的含量一般控制在12％～20％。钴有益于镍基合金的高温热强性的提高，而且对抗高温热腐蚀有益。钴可以降低堆垛层错能，起到良好的固溶强化作用。当钴含量低于5％时，高温强度降低。然而Co作为一种价格偏高的战略性稀缺元素，过量的钴会促进合金中不利性能的有害相形成，同时会影响合金的可锻性。因此，钴含量限制在5％～12％之间。钼进入镍基合金的基体，起重要的固溶强化作用。但是，当过量钼进入时，不仅降低合金的抗腐蚀性能，而且会促进有害相的形成，并使高温加工性能变差，因此，钼含量控制在≤4.0％。钨在合金中起固溶强化作用。钨原子半径比较大，比基体镍的半径大百分之十几，固溶强化作用明显，特别是钨与钼同时加入起到复合的固溶强化作用更为有利，但是钨是加速热腐蚀的一种元素，因此，其含量控制在≤6％。铌与镍的原子半径差别比钼和钨与镍的差别还大，是本专利技术合金中重要的析出强化和固溶强化元素，和铝和钛一起作为γ′相和η-Ni3Al0.5Nb0.5相的形成元素。但是必须适量控制铌，过量的铌不仅会促进凝固偏析，增加形成黑斑、白斑的风险，也会降低氧化膜的保护性能。因此，铌的最佳控制范围为4.0％～8.0％。钛是一种重要的γ′相的强化元素，钛元素同时也是重要的晶粒尺寸稳定剂，与铌一起形成一次碳化物(Ti,Nb)C。但是钛含量过高时会促进有害相的形成，并容易发生内氧化而降低合金基体的塑性。综合考虑，钛的最佳控制范围为0.4％～1.4％。铝与钛和铌一起与镍形成γ′强化相。铝也是稳定γ′相和抑制有害相形成的一个重要元素。铝含量过低时，强化效果不明显，高温强度会降低；含量过高时将显著降低合金的塑性和韧性，降低合金的加工温度范围。同时，在高温硫化环境中，高铝含量会导致内氧化和内硫化腐蚀增加。因此，铝限制在0.6％～2.6％。硼是一种微合金化元素，硼在晶界富集，增加晶界结合力。晶界硼化物可以阻止晶界滑移和空洞的连接和扩展，对提高合金的蠕变持久性能非常明显，存在一个最佳的含量范围，本专利技术合金中控制在0.003％～0.015％。磷具有双重作用，磷可以向晶界偏聚，增加晶间结合力，从而显著提高合金的持久蠕变性能，并在0.003％～0.03％时达到最大值。但过量磷会在晶界偏析严重，使晶界连接强度降低，导致合金热加工性能和焊接性能显著降低；因此，本专利技术合金中磷的最佳控制范围为0.003％～0.03％。铁加入镍基高温合金中，不仅可以降低成本，而且降低镍基奥氏体的堆垛层错能，提高其屈服强度，起到固溶强化作用。但铁从低温到高温要发生同素异构转变，为了使合金在常温具有稳定的奥氏体基体，铁的含量不能过高，因此，本专利技术合金中铁的最佳控制范围为≤14％。镍是最重要的基体组成元素和析出强化相γ′相及η-Ni3Al0.5Nb0.5的形成元素，为了保证组织的稳定性和获得足够的高温强度、韧塑性以及使合金具有良好的加工能力。本专利技术一种含锆镍基高温合金的制备方法，包括冶炼、锻造开坯和热处理过程，所述冶炼和锻造开坯具体如下：(1)冶炼：采用真空感应熔炼和真空自耗重熔两联冶炼工艺，具体为：所述真空感应熔炼：按照所述镍基高温合金的元素配比原则称取一定量的能够获得锆、碳、铬、钼、钨、钴、铁、铌、铝、钛本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种含锆镍基高温合金，其特征在于，以质量百分比计，包括：锆：0.001％～0.1％，碳:≤0.1％，铬：12％～20％，钼：≤4.0％，钨≤6％，钴：5％～12％，铁：≤14％，铌：4.0％～8.0％，铝：0.6％～2.6％，钛：0.4％～1.4％，磷：0.003％～0.03％，硼：0.003％～0.015％，余量为镍；所述镍基高温合金中强化相γ′相含量为22％～27％；晶界强化相η‑Ni3Al0.5Nb0.5含量为1.5％～7.0％。

【技术特征摘要】
1.一种含锆镍基高温合金，其特征在于，以质量百分比计，包括：
锆：0.001％～0.1％，碳:≤0.1％，铬：12％～20％，钼：≤4.0％，钨≤6％，钴：
5％～12％，铁：≤14％，铌：4.0％～8.0％，铝：0.6％～2.6％，钛：0.4％～1.4％，
磷：0.003％～0.03％，硼：0.003％～0.015％，余量为镍；所述镍基高温合
金中强化相γ′相含量为22％～27％；晶界强化相η-Ni3Al0.5Nb0.5含量为
1.5％～7.0％。
2.一种如权利要求1所述含锆镍基高温合金的制备方法，包括冶炼、
锻造开坯和热处理过程，其特征在于，所述冶炼和锻造开坯具体如下：
(1)冶炼：采用真空感应熔炼和真空自耗重熔两联冶炼工艺，具体
为：
所述真空感应熔炼：按照所述镍基高温合金的元素配比原则称取一
定量的能够获得锆、碳、铬、钼、钨、钴、铁、铌、铝、钛、磷、硼及
镍元素的冶炼原料，将所述冶炼原料加入真空感应炉中，在真空条件下
经全熔、精炼、除杂处理后出钢浇铸形成合金锭；
所述真空自耗重熔：将所述合金锭在自耗重熔炉中进行真空自耗重
熔，熔速为3.0kg/min～5.0kg/min；
(2)锻造开坯：将所述合金锭在加热炉中加热至在1100℃～1240℃，
加热时间为10h～50h，然后经1～7火次锻造成棒材。
3.根据权利要求2所述含锆镍基高温合金的制备方法，其特征在于，
步骤(1)所述冶炼中可采用在所述真空自耗重熔前添加电渣重熔的三联
冶炼...

【专利技术属性】
技术研发人员：王民庆，杜金辉，邓群，曲敬龙，吕旭东，毕中南，唐超，吴玉博，王知颖，
申请(专利权)人：钢铁研究总院，
类型：发明
国别省市：北京;11