一种高强高韧镍基高温合金箔材及其制备方法技术

一种高强高韧镍基高温合金箔材及其制备方法，属于镍基高温合金材料技术领域。箔材化学元素质量百分数为：C：0.01～0.05％、Cr：16～18％、Al：4～6％、Fe：3～7％、Y：0.001～0.02％、Ti：0.01～0.8％、Mn：0.05～2％、Ce：0.001～0.03％、Si：0.001～0.8％、B：0.001～0.01％、W≤0.20％、Co≤0.10％、Mo≤0.10％、Zr≤0.03％，余量为Ni和不可避免的杂质。优点在于，提供了一种在980℃及以下温度服役兼具密度小、线膨胀系数低、抗高温耐磨、抗高温耐蚀、抗氧化、高强度、高韧性、易加工成型和易焊接的蜂窝封严结构用镍基高温合金箔材。解决了现有镍基高温合金箔材工艺流程长、成材率低、成品箔材表面质量和板型差的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种高强高韧镍基高温合金箔材及其制备方法
本专利技术属于高温合金加工制备
，特别涉及一种高强高韧镍基高温合金箔材及其制备方法。尤其涉及一种在980℃服役温度下具有密度小、线膨胀系数低、抗高温耐磨、抗高温耐蚀、抗氧化、高强度、高韧性和良好焊接性能的镍基高温合金箔材。
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％。蜂窝封严结构是一种用于航空航天发动机、燃气轮机以及蒸汽机等透平机械关键部分的空气密封装置，主要由蜂窝芯和与其对应的背板构成。蜂窝封严结构是通过将厚度0.05～0.25mm的高温合金箔材冲压成半正六边形的蜂窝条，半正六边形的蜂窝条规则排列拼焊成蜂窝芯，蜂窝芯钎焊于封严环内表面的组件。蜂窝的规格(六边形对边距离)有0.8mm、1.6mm、2.5mm、3.2mm等。其中，高温合金箔材是蜂窝封严装置中最为重要的材料部分，要求高温合金箔材具有密度小、线膨胀系数小、高的比刚度、比刚度、良好的耐磨性、耐腐蚀性、抗氧化性和焊接性能等。在大功率透平机械中，密封泄露是动力损失的主要原因。GE和CROSS公司的报告认为，由于密封失效导致的级间能量损失比例可以达到1/3，Chupp等报告密封泄露导致汽轮机效率损失的比例高达22％左右，而先进的密封技术可以减少商用发动机10％的燃油消耗量。蜂窝封严技术是近几十年发展起来的新的密封技术。由于其特殊的结构模式，其对轴的摩擦损失程度仅是传统迷宫密封的1/6，即使与轴发生动静摩擦，也不会伤及轴颈；另外，在相同压力和间隙的情况下，蜂窝封严结构的泄漏量比迷宫密封的泄漏量减小50％～70％。同时蜂窝芯结构相比于其他结构重量轻，具有显著减重效果，正是由于其具有显著减重、降低泄漏量、有效抑制密封流体激振和有效减振去湿等特点，可显著提高透平机械的效率和可靠性，因此蜂窝封严结构在航空航天发动机和燃气轮机中得到越来越广泛的应用。随着航空航天发动机、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980℃左右，现有镍基变形高温合金，如GH3030、GH3536、Haynes214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。先进航空航天发动机蜂窝封严结构的特点是服役温度越来越高且服役时间越来越长、形状越来越复杂、重量越来越轻，需利用箔材经过冷成型加工和焊接加工的方法制造，要求高温合金箔材需要满足以下指标：1)密度小：满足航空航天发动机日趋苛刻的减重要求；2)线膨胀系数小：材料在服役过程中膨胀变形小，稳定蜂窝封严件与转轴之间的间隙，从而减小泄漏量；3)高的高温强度：使用温度可达980℃，在该温度下仍有较高的强度；4)良好的加工性能:由于蜂窝密封用高温合金箔材属于极薄带材范畴，厚度通常仅为0.05～0.25mm，过高的强度不利于箔材的加工成形，因此设计合金时既要考虑高温强度，又必须考虑其加工成形性，必须实现良好的强韧性匹配；5)焊接性能：通常高温合金箔材是通过焊接制成蜂窝芯，有通过钎焊焊接到背板装配上，因此所设计高温合金必须具有优异的焊接性能；6)耐高温腐蚀氧化和摩擦磨损性能：由于蜂窝封严件通常是在高温、潮湿、燃料以及摩擦相耦合的条件下使用，因此高温合金必须具有优异的抗氧化、耐腐蚀和耐摩擦磨损性能。以上是蜂窝封严结构件用高温合金箔材开发的关键。目前，在世界范围内的商用高温合金中，尚没有兼具上述性能的镍基变形高温合金。目前蜂窝封严件用材料主要有镍基高温合金GH3030、GH3536、Haynes214等，他们只具备上述性能中的某几项而不具备全部性能。其中GH3030合金的使用温度在800℃以下，GH3536合金的使用温度在900℃以下,Haynes214合金的使用温度在950℃以下，它们在950℃及以上温度的高温强度偏低，同时抗氧化、耐腐蚀性能差。现有燃烧室常用的其他镍基变形高温合金，如Nimonic263、Haynes230、GH738、Haynes282等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℃高温强度和持久寿命不足。GH738虽然具备较高的870～927℃高温强度，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980℃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。专利CN201810797690.6公开了“一种高强高弹镍基高温合金带材及其制备方法”，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；其次，W的大量添加增加了冶炼难度并导致W偏析，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，长度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高强高韧镍基高温合金箔材，其特征在于，其化学元素质量百分数为：C：0.01～0.05％、Cr：16～18％、Al：4～6％、Fe：3～7％、Y：0.001～0.02％、Ti：0.01～0.8％、Mn：0.05～2％、Ce：0.001～0.03％、Si：0.001～0.8％、B：0.001～0.01％、W≤0.20％、Co≤0.10％、Mo≤0.10％、Zr≤0.03％，余量为Ni和不可避免的杂质。/n

【技术特征摘要】
1.一种高强高韧镍基高温合金箔材，其特征在于，其化学元素质量百分数为：C：0.01～0.05％、Cr：16～18％、Al：4～6％、Fe：3～7％、Y：0.001～0.02％、Ti：0.01～0.8％、Mn：0.05～2％、Ce：0.001～0.03％、Si：0.001～0.8％、B：0.001～0.01％、W≤0.20％、Co≤0.10％、Mo≤0.10％、Zr≤0.03％，余量为Ni和不可避免的杂质。


2.根据权利要求1所述的箔材，其特征在于，所述不可避免的杂质中元素质量百分数，S、P的范围为：S≤0.005％、P≤0.005％，Pb、Sn、As、Sb和Bi五害元素中每一个元素≤0.0005％。


3.一种高强高韧镍基高温合金箔材的制备方法，其特征在于，具体步骤及参数如下：
1)将原材料C、Cr、Fe、Ni装入真空感应熔炼炉坩埚内，然后抽真空，当真空度达到≤2Pa时，以≤100KW低功率加热，排出炉料上附着的气体；当真空度达到≤0.5Pa时，以280～290KW功率化料，直到炉料完全熔化；炉料全部熔化后，升温至1590～1610℃，高温精炼35～45分钟后停电结膜；而后以280～290KW大功率升温破膜，破膜后通过料斗加入Mn、Si、Al、Ti、C、B、Ce，并且均匀搅拌；合金二次精炼：继续升温，炉料温度在1570～1590℃时精炼1～2分钟；炉温调至1500...

【专利技术属性】
技术研发人员：安宁，张志伟，田建军，牛永吉，章清泉，李振瑞，吕晨熠，黄建，柳海波，彭劼，
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