一种高性能易加工镍基变形高温合金及其制备方法技术

一种高性能易加工镍基变形高温合金及其制备方法，属于镍基变形高温合金材料技术领域。变形高温合金的化学元素质量百分数为：C：0.02～0.08％、Cr：18～20％、Co：9.1～12％、Mo：8.1～9.1％、Al：1.4～1.7％、Ti：1.8～2.25％％、B：0.002～0.012％、Nb≤0.7％、Fe≤2％、Zr≤0.03％、V：0.02～0.5％、Nd：0.002～0.1％，余量为镍和不可避免的杂质。优点在于，围绕在940℃及以下温度服役的要求，兼具长的高温持久寿命、抗蠕变、良好成型加工性能、优异的焊接性能四大性能要求，通过常规合金元素的优化匹配，并引入新型合金元素Nd和V达到了目的。

A high performance and easy to process nickel base deformation superalloy and its preparation method

The invention relates to a high-performance and easy to process nickel base deformation superalloy and a preparation method thereof, belonging to the technical field of nickel base deformation superalloy materials. The mass percentage of chemical elements in deformed superalloy is: C: 0.02-0.08%, Cr: 18-20%, Co: 9.1-12%, Mo: 8.1-9.1%, al: 1.4-1.7%, Ti: 1.8-2.25%%, B: 0.002-0.012%, Nb \u2264 0.7%, Fe \u2264 2%, Zr \u2264 0.03%, V: 0.02-0.5%, Nd: 0.002-0.1%. The residual is nickel and inevitable impurities. The advantages are that, according to the requirements of service at 940 \u2103 and below, it has four major performance requirements: long high temperature endurance life, creep resistance, good forming and processing performance, and excellent welding performance. Through the optimization of conventional alloy elements and the introduction of new alloy elements nd and V, the purpose is achieved.

【技术实现步骤摘要】
一种高性能易加工镍基变形高温合金及其制备方法
本专利技术属于镍基变形高温合金材料
，特别涉及一种高性能易加工镍基变形高温合金及其制备方法。高性能体现在该合金具有长的高温持久寿命和抗蠕变性能，易加工体现在该合金具有良好成型加工性能和优异的焊接性能。该合金兼具长的高温持久寿命、抗蠕变、良好成型加工性能、优异的焊接性能四大性能特点，适用于制造在940℃左右及以下温度服役的航空发动机、地面或舰用燃气轮机的燃烧室或其他复杂形状部件及其焊材。
技术介绍
高温合金是指以铁、钴、镍为基体，能在600℃以上的高温和一定力作用下长期工作的一类金属材料。按基体元素的不同，分为铁基、镍基和钴基高温合金，按制备方法的不同，可分为铸造、变形和粉末高温合金。镍基变形高温合金是指以镍为基体的高温合金，可通过锻造、热轧、冷轧或冷拔等变形手段制备出成品的一类高温合金，变形高温合金是相对于铸造高温合金和粉末高温合金而言。高温合金从一开始主要用于航天发动机，如今已发展为航空发动机、火箭发动机及燃气轮机高温热端部件不可替代的材料，现代燃气涡轮发动机有50％以上的重量采用高温合金，其中镍基高温合金在发动机材料中所占比重约为40％。随着航空发动机、地面和舰用燃气轮机向着大功率、高效率发展，发动机涡轮进口温度不断提高，对高温合金的性能要求日益苛刻。自20世纪40年代初期用于Whitte发动机的Nimonic75合金出现以来，高温合金的耐热温度以每年提高10℃的速度迅速发展。以地面燃气轮机为例，E级和F级(当代级)燃气轮机的燃气初温分别达到1150℃和1350℃，G级和H级(先进级)燃气轮机的燃气初温达到1450～1500℃；J级(未来级)燃气轮机的燃气初温将达到1600～1700℃。在燃气初温不断提高的情况下，要求与燃气接触的发动机燃烧室及相关部件不断提高承温能力，其技术途径是：一是在这些部件外表面喷涂耐高温涂层、内部采用多孔结构和气体冷却，以避免与高温燃气直接接触并加快热量散发，即使如此，先进重型燃气轮机燃烧室镍基高温合金本体承受的温度仍高达940℃左右，现有镍基变形高温合金，如Nimonic263、HastelloyX、Haynes230、GH738等已无法满足需要；二是开发新材料，提高材料本身的耐高温能力。先进航空发动机、地面或舰用燃气轮机燃烧室及相关部件的特点是服役温度高且时间长、形状复杂，需利用板材经过冷成型加工和焊接加工的方法制造，对材料的要求是要兼具高的蠕变和持久强度、抗蠕变、良好成型加工性能、优异的焊接性能，这四点是材料开发的关键。目前，在世界范围内的商用高温合金中，尚没有兼具上述四大性能的镍基变形高温合金。现有燃烧室常用的镍基变形高温合金，如Nimonic263、HastelloyX、Haynes230、GH738、Haynes282等，只具备上述四大性能中的某几项而不具备全部性能。Nimonic263、HastelloyX、Haynes230合金虽然具有良好的成型性能、焊接性能和长期组织稳定性，但这些合金只能在850℃以下长期服役，其850～940℃高温蠕变强度和持久寿命不足；GH738虽然具备较高的870～927℃高温蠕变强度，组织稳定性也处于中等水平，但因其平衡组织中γ′体积分数达到了23～26％且析出温度高(1000～1012℃)、析出速度快，无论是坯料热加工、冷加工还是最终的零件成型，难度都比较大，焊接性能也较差；Haynes282合金虽然兼具871～927℃范围良好的蠕变强度、热稳定性和耐应变时效开裂性能，其耐高温能力的极限是927℃，不具备在940℃温度下服役的能力，在加工燃烧室的复杂部件时，其加工成型性能也不理想。从目前镍基变形高温合金领域申请的专利技术和发表的文献看，在合金的使用温度范围、化学成分和制备方法上与本专利有本质的差别。申请号为CN201810797690.6的专利公开了“一种高强高弹镍基高温合金带材及其制备方法”，涉及的镍基高温合金带材是制作航空、航天、核能和石化等行业中的关键弹性构件，虽然该专利未提及合金的允许使用温度，但本
的技术人员可从该合金的成分特点判断其允许使用温度应在900℃以下，不适用于制造900℃以上温度服役的高温部件；此外，该合金以质量分数高达9.0～10.5％的W元素作为第二大合金元素，这导致合金的密度明显增加，达到8.56g/cm3，而同类合金GH738的密度是8.23g/cm3、Haynes282的密度是8.29g/cm3，材料的密度对于航空发动机、舰用燃气轮机而言是至关重要的，这些发动机都希望采用密度尽可能小的材料以减小自重、降低燃料消耗和提高机动性能，即便是地面燃气轮机，也希望燃烧室的部件重量越小越好，因为发动机工作过程中振动非常大，大重量的部件形成振动破坏的可能性更大，这影响到发动机的整体设计；其次，W的大量添加增加了冶炼难度并导致W偏析，W的熔点在自然界单质中排名第2，仅次于C，达到3410℃，在合金冶炼过程中很难熔化并完全均匀，由此导致的偏析问题虽可借助于钢坯扩散退火改善，但很难完全消除，这种偏析会遗传至成品并损害性能的一致性，同时W的大量添加显著提高合金变形抗力，增加热加工难度，该专利也指出，由初始厚度28mm的板坯轧制2.8mm需要经过6火次热轧和6次退火处理，生产效率很低、成本极高，不适用于工业化批量生产；另外，该专利公开的合金制备方法仅适用于小批量生产带材，特别是厚度1.0～2.0mm的带材，这是因为其采用的铸锭制备方法为电渣重熔连续定向凝固技术，这种方法只能制备小规格板坯，板坯厚度30～50mm，宽度100～160mm，长度160～500mm，而在940℃及以下温度服役的地面燃气轮机的燃烧室部件一般采用厚度≥5.0mm、宽度200～2000mm的板材，这些部件的焊材一般为Φ4mm以下的丝材，因此，该专利公开的制备方法也不适用于940℃左右服役的地面燃气轮机的燃烧室部件及其焊材的制备。申请号为CN201210057737.8的专利公开了“用于先进燃气涡轮发动机的Ni-Cr-Co合金”，具体涉及一种用于制造燃气涡轮发动机的过渡管的Ni-Cr-Co合金，该合金在1600～1700°F(817～927℃)范围内具有良好的蠕变强度、热稳定性和耐应变时效开裂性能，但该合金不具备在940℃左右服役的能力，特别是作为燃气轮机燃烧室的复杂部件，另外该合金虽然具备良好蠕变强度、良好热稳定性、耐应变时效开裂三项性能，但其加工成型性能不理想。本专利技术中合金含有V和Nd元素，而申请号为CN201210057737.8的专利不含这两种元素，本专利技术通过添加V和Nd元素提高了合金的高温持久寿命和抗蠕变性能，使之能够满足在940℃及以下温度使用，V和Nd含量的优化设计是本专利技术的创造性和新颖性的主要体现。本专利技术通过对Cr、Co、Mo、Al、Ti、Nb、C、V、Nd等元素作用机理的分析，特别是Mo、Al、Ti、V、Nd等合金元素对高温持久寿命、抗蠕变性能、加工成型性能和焊接性能的研究，合理匹配固溶强化、时效强化、晶界强化等强化机制，结合合理的制备工艺得到一种能够在940℃及以下本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高性能易加工镍基变形高温合金，其特征在于，其化学元素质量百分数为：C：0.02～0.08％、Cr：18～20％、Co：9.1～12％、Mo：8.1～9.1％、Al：1.4～1.7％、Ti：1.8～2.25％％、B：0.002～0.012％、Nb≤0.7％、Fe≤2％、Zr≤0.03％、V：0.02～0.5％、Nd：0.002～0.1％，余量为镍和不可避免的杂质；杂质元素中S、P、Si、Mn、Cu、Ta的范围为：S≤0.008％、P≤0.008％、Si≤0.15％、Mn≤1.0％、Cu≤0.5％、Ta≤1.5％，Pb、Sn、As、Sb和Bi五害元素中每一个元素≤0.001％，Mg、Ca、Hf、Y、Ce、La、Re和Ru中每一个元素≤0.1％。/n

【技术特征摘要】
1.一种高性能易加工镍基变形高温合金，其特征在于，其化学元素质量百分数为：C：0.02～0.08％、Cr：18～20％、Co：9.1～12％、Mo：8.1～9.1％、Al：1.4～1.7％、Ti：1.8～2.25％％、B：0.002～0.012％、Nb≤0.7％、Fe≤2％、Zr≤0.03％、V：0.02～0.5％、Nd：0.002～0.1％，余量为镍和不可避免的杂质；杂质元素中S、P、Si、Mn、Cu、Ta的范围为：S≤0.008％、P≤0.008％、Si≤0.15％、Mn≤1.0％、Cu≤0.5％、Ta≤1.5％，Pb、Sn、As、Sb和Bi五害元素中每一个元素≤0.001％，Mg、Ca、Hf、Y、Ce、La、Re和Ru中每一个元素≤0.1％。


2.一种高性能易加工镍基变形高温合金的制备方法，其特征在于，具体步骤及参数如下：
1)选择纯度满足要求的原材料，质量百分数为C：0.02～0.08％、Cr：18～20％、Co：9.1～12％、Mo：8.1～9.1％、Al：1.4～1.7％、Ti：1.8～2.25％％、B：0.002～0.012％、Nb≤0.7％、Fe≤2％、Zr≤0.03％、V：0.02～0.5％、Nd：0.002～0.1％、余量为镍和不可避免的杂质，装入真空感应熔炼炉内，在0.1～0.6Pa的真空条件下，在真空感应熔炼炉内熔炼；原料全部融化后保持0.1～0.6Pa的真空条件，进行时间不低于30min的精炼以去除气体；精炼结束后，在真空条件下浇铸成合金锭；
2)将合金锭进行扩散退火，锻造开坯成电极棒，经保护气氛电渣重熔成电渣锭后再次进行扩散退火...

【专利技术属性】
技术研发人员：文新理，章清泉，李国超，安宁，李振瑞，张荣，李丽敏，刘海稳，黄建，吴会云，魏然，
申请(专利权)人：北京北冶功能材料有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11