镍基粉末高温合金及其制备方法与应用技术

本发明专利技术涉及镍基粉末高温合金及其制备方法与应用。按质量分数计，所述镍基粉末高温合金的成分包括：C 0.02％～0.10％、Co 14.0％～22.0％、Cr 6.0％～14.0％、Mo 1.8％～4.0％、W 3.0％～6.0％、Ta 2.5％～6.0％、Al 2.8％～4.0％、Ti 2.6％～4.4％、Nb 1.2％～3.2％、Hf 0.1％～0.5％、Zr 0.01％～0.08％、B 0.01％～0.08％、Os 0.3％～6.0％和/或Ru 0.5％～6.0％，以及余量的Ni。所述镍基粉末高温合金具有优异的高温抗拉强度、屈服强度和高温持久性能以及更高的最高工作温度。

Nickel-based Powder Superalloy and Its Preparation Method and Application

【技术实现步骤摘要】
镍基粉末高温合金及其制备方法与应用
本专利技术涉及粉末高温合金领域，具体而言，涉及镍基粉末高温合金及其制备方法与应用。
技术介绍
涡轮盘是航空发动机中最重要的热端部件之一，其在服役过程中，轮毂承受极大的离心力，需要较高的拉伸强度，而轮缘的温度比轮毂温度高，需要良好的高温持久性能和抗蠕变性能。航空发动机涡轮盘对材料的要求十分苛刻，不仅要求涡轮盘合金具有高拉伸强度、高损伤容限、高蠕变性能、高热疲劳性能，以及优异的抗氧化和耐腐蚀性等，而且要求涡轮盘合金在长时服役过程中拓扑密排(TCP)相析出倾向很小，使合金具有良好的高温组织稳定性，以保证合金力学性能的衰减降低到最低。随着航空发动机的发展，涡轮盘的工作温度越来越高，目前新开发、研制的航空发动机要求涡轮盘的工作温度要达到815℃。而现有的用于涡轮盘的镍基粉末高温合金，如FGH4095、FGH4096、FGH4097、FGH4098等合金，它们的最高使用温度限制在650℃～750℃，超过750℃则会出现严重的TCP相，这些合金均无法满足在815℃高温下保持持久高性能的要求。有鉴于此，特提出本专利技术。
技术实现思路
本专利技术的第一目的在于提供一种镍基粉末高温合金，其具有优异综合性能的成分构成及含量赋予了所述镍基粉末高温合金优异的高温抗拉强度、屈服强度和高温持久性能以及更高的最高工作温度。本专利技术的第二目的在于提供上述镍基粉末高温合金的制备方法，所述方法高效易行、重现性好，制备得到的镍基粉末高温合金显微组织结构稳定性高。本专利技术的第三目的在于提供应用了上述镍基粉末高温合金的航空设备。为了实现本专利技术的上述目的，特采用以下技术方案：按质量分数计，所述镍基粉末高温合金的成分包括：C0.02％～0.10％、Co14.0％～22.0％、Cr6.0％～14.0％、Mo1.8％～4.0％、W3.0％～6.0％、Ta2.5％～6.0％、Al2.8％～4.0％、Ti2.6％～4.4％、Nb1.2％～3.2％、Hf0.1％～0.5％、Zr0.01％～0.08％、B0.01％～0.08％、Os0.3％～6.0％和/或Ru0.5％～6.0％，以及余量的Ni；所述镍基粉末高温合金中Al、Ti、Nb、Ta、Hf的总质量分数为12.5％～15.5％。可选地，按质量分数计，所述镍基粉末高温合金的成分包括：C0.03％～0.08％、Co15.0％～20.0％、Cr7.0％～13.0％、Mo2.6％～3.8％、W3.2％～5.5％、Ta2.6％～3.8％、Al3.0％～4.0％、Ti2.8％～4.2％、Nb1.4％～3.0％、Hf0.15％～0.45％、Zr0.01％～0.06％、B0.01％～0.06％、Os0.3％～3.0％和/或Ru0.5％～3.0％，以及余量的Ni。可选地，按质量分数计，所述镍基粉末高温合金的成分包括：C0.04％～0.07％、Co16.0％～19.0％、Cr8.0％～12.0％、Mo2.7％～3.6％、W3.4％～5.0％、Ta2.8％～3.6％、Al3.1％～4.0％、Ti3.0％～4.0％、Nb1.6％～2.8％、Hf0.2％～0.4％、Zr0.01％～0.06％、B0.01％～0.06％、Os0.3％～3.0％和/或Ru0.5％～3.0％，以及余量的Ni。本专利技术的主要技术方案是通过控制Cr、Mo、W、Ru含量以降低拓扑密排(TCP)相析出倾向，同时通过添加固溶强化元素(Co、Cr、Mo、W、Ru)、γ′相形成元素(Al、Ti、Nb、Ta、Hf)和晶界强化元素(Zr、B)来实现合金的高的高温抗拉强度和屈服强度，以及优异的高温持久强度，从而获得具有良好的综合性能的成分范围。由于粉末高温合金的微米级预合金粉末在高冷速下冷却形成，使得合金成分均匀，微观组织均匀，析出相呈弥散分布，消除了宏观偏析，改善热加工性能，可以进一步提高合金化程度，使合金具有良好的拉伸心梗、高温持久性能和抗蠕变性能。通过协调控制Co、Cr、Mo、W、Ta等元素含量，降低TCP相析出倾向，改善合金的高温组织稳定性。可选地，所述镍基粉末高温合金中Co、Cr、Mo、W的总质量分数为30％～38％。可选地，所述镍基粉末高温合金中Co、Cr、Mo、W的总质量分数为32％～36％。可选地，所述镍基粉末高温合金中W、Ta、Ru的总质量分数为8.5％～14.0％。可选地，所述镍基粉末高温合金中W、Ta、Ru的总质量分数为9.0％～12.0％。可选地，所述镍基粉末高温合金的主要析出相包括γ基体、γ′相、MC以及M3B2相。本专利技术合金的显微组织主要由γ、γ′、MC和M3B2相组成，γ′相的组成为(Ni,Co)3(Al,Ti,Ta,Nb,Hf)型，MC型碳化物的组成为(Ti,Ta,Nb,Hf)C型。可选地，按质量分数计，所述镍基粉末高温合金中γ′相含量为55％～65％，所述γ′相的完全溶解温度为1180℃～1220℃。可选地，所述镍基粉末高温合金中γ′相的含量为60％，所述γ′相的完全溶解温度为1200℃～1220℃。可选地，当所述镍基粉末高温合金中含有Ru时，所述镍基粉末高温合金的γ基体中Ru的质量分数为0.30％～1.65％；和/或当所述镍基粉末高温合金中含有Os时，所述镍基粉末高温合金的γ基体中Os的质量分数为0.24％～2.1％。Ru降低难熔元素在γ相中的过饱和度，并能抑制TCP相等有害相的析出，提高合金显微组织的稳定性。同时Ru作为一种有效的固溶强化元素对γ相和γ′相的强化均起到了很显著的作用，提高合金的抗蠕变性能和持久性能。因此，在粉末高温合金中添加合适含量的元素Ru，可以提高合金的组织稳定性，同时提高合金的高温力学性能。Os和Ru同属于Ⅷ族元素，且与ⅦB族的Re元素相毗邻。Os元素的熔点和原子半径介于Re和Ru之间，晶体结构与Re和Ru相同，均为HCP结构。由此推断Os在镍基高温合金中的强化效果与Re、Ru类似。同时，由第一性原理计算可知，元素Os具有很高的强化效果。在合金铸态组织中，利用枝晶间与枝晶干的成分计算元素的偏析系数ks＝C枝晶间/C枝晶干，由结果可知，Os在枝晶间偏析(正偏析)，Os对Al、Ti、Nb、Ta、Hf的偏析影响较大，使Al由偏析于枝晶干转变为枝晶间，Ta则由偏析于枝晶间转变为枝晶干，加剧了Ti、Nb向枝晶间偏析，减弱了Hf向枝晶间偏析。在合金热处理态组织中，Os主要存在于γ基体中，其次存在于γ′相中，Os不存在于MC型碳化物中；Os使γ基体中的Co、Cr、Mo和W元素比例有所增加，Nb元素有所减少，其余合金元素分配比例变化不大。由此可知，Os主要起固溶强化作用。可选地，所述镍基粉末高温合金的最高工作温度在815℃以上。根据本专利技术的另一目的，提供了上述任一镍基粉末高温合金的制备方法，所述方法包括步骤：a)按质量分数配比将各成分混合熔炼，并获得合金前驱料；b)将步骤a)中获得的所述合金前驱料进行制粉、筛分、静电处理，获得合金粉末；c)对步骤b)中获得的所述合金粉末进行真空脱气和封焊后，进行热等静压成形，获得锭坯；d)对步骤c)中获得的所述锭坯进行热处理，获得所述镍基粉末高温合金。可选地，在所述步骤a)中，所述合金前驱料采用真空感应熔炼工艺获得。可选地，在所述步骤b)中，所述制粉采用等离子旋转电极法本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.镍基粉末高温合金，其特征在于，按质量分数计，所述镍基粉末高温合金的成分包括：C0.02％～0.10％、Co14.0％～22.0％、Cr6.0％～14.0％、Mo1.8％～4.0％、W3.0％～6.0％、Ta2.5％～6.0％、Al2.8％～4.0％、Ti2.6％～4.4％、Nb1.2％～3.2％、Hf0.1％～0.5％、Zr0.01％～0.08％、B0.01％～0.08％、Os0.3％～6.0％和/或Ru0.5％～6.0％，以及余量的Ni；所述镍基粉末高温合金中Al、Ti、Nb、Ta、Hf的总质量分数为12.5％～15.5％。

【技术特征摘要】
1.镍基粉末高温合金，其特征在于，按质量分数计，所述镍基粉末高温合金的成分包括：C0.02％～0.10％、Co14.0％～22.0％、Cr6.0％～14.0％、Mo1.8％～4.0％、W3.0％～6.0％、Ta2.5％～6.0％、Al2.8％～4.0％、Ti2.6％～4.4％、Nb1.2％～3.2％、Hf0.1％～0.5％、Zr0.01％～0.08％、B0.01％～0.08％、Os0.3％～6.0％和/或Ru0.5％～6.0％，以及余量的Ni；所述镍基粉末高温合金中Al、Ti、Nb、Ta、Hf的总质量分数为12.5％～15.5％。2.根据权利要求1所述的镍基粉末高温合金，其特征在于，按质量分数计，所述镍基粉末高温合金的成分包括：C0.03％～0.08％、Co15.0％～20.0％、Cr7.0％～13.0％、Mo2.6％～3.8％、W3.2％～5.5％、Ta2.6％～3.8％、Al3.0％～4.0％、Ti2.8％～4.2％、Nb1.4％～3.0％、Hf0.15％～0.45％、Zr0.01％～0.06％、B0.01％～0.06％、Os0.3％～3.0％和/或Ru0.5％～3.0％，以及余量的Ni；优选地，所述镍基粉末高温合金的成分包括：C0.04％～0.07％、Co16.0％～19.0％、Cr8.0％～12.0％、Mo2.7％～3.6％、W3.4％～5.0％、Ta2.8％～3.6％、Al3.1％～4.0％、Ti3.0％～4.0％、Nb1.6％～2.8％、Hf0.2％～0.4％、Zr0.01％～0.06％、B0.01％～0.06％、Os0.3％～3.0％和/或Ru0.5％～3.0％，以及余量的Ni。3.根据权利要求1或2所述的镍基粉末高温合金，其特征在于，所述镍基粉末高温合金中Co、Cr、Mo、W的总质量分数为30％～38％；优选地，所述镍基粉末高温合金中W、Ta、Ru的总质量分数为8.5％～14.0％。4.根据权利要求1或2所述的镍基粉末高温合金，其特征在于，所述镍基粉末高温合金的主要析出相包括γ基体、γ′相...

【专利技术属性】
技术研发人员：张义文，贾建，孙志坤，
申请(专利权)人：北京钢研高纳科技股份有限公司，钢铁研究总院，
类型：发明
国别省市：北京,11