一种基于团簇式方法确立成分协同变化关系的GH4169高温合金及制备方法技术

一种基于团簇式方法确立成分协同变化关系的GH4169高温合金及制备方法。该方法将GH4169高温合金化元素分为进入团簇式内的类Ni元素：含Ni、Fe、Co、Cu；类Cr元素：含Cr、Mo、Mn、Si；类Nb元素：含Nb、Al、Ti；以及不进入团簇式内的微量元素：含C、P、S、B、Mg、Ca；各个元素的协同变化关系为：68.93≤Ni+1.02Fe+Co+Cu≤72.68，19.84≤Cr+0.64Mo+Mn+1.67Si≤22.78，8.67≤Nb+3.22Al+1.85Ti≤9.81。本发明专利技术新成分的协同变化关系简单有效，将彻底改革高温合金的成分标准化方式，推动高温合金的发展。推动高温合金的发展。推动高温合金的发展。

【技术实现步骤摘要】
一种基于团簇式方法确立成分协同变化关系的GH4169高温合金及制备方法


[0001]本专利技术属于高温合金领域，特别是一种基于团簇式方法确立成分协同变化关系的GH4169高温合金及相应制备方法。

技术介绍

[0002]高温合金是指以铁、钴、镍为基，能在600℃以上高温服役而言之的一类金属材料。高温合金为单一的奥氏体基体组织，拥有较高的高温强度、抗氧化和抗腐蚀性能，具有良好的组织稳定性和使用可靠性，国外常称之为超合金。镍基高温合金相较于钴基高温合金拥有更加优异的强塑性，相较于铁基高温合金拥有更优异的承温能力，GH4169高温合金作为镍基高温合金中的代表性合金，属于应用最为广泛的变形高温合金。但是其合金化复杂，合金性能对成分和工艺敏感，导致强韧性匹配出现较大波动，质量难以控制。
[0003]经过对现有文献与专利检索发现，现行技术标准下(Q/3B 4050—1993《GH4169合金板材》,C3S 213—1988《GH169合金冷轧板材技术条件》)，规定GH4169合金固溶态延伸率≥30％，要求抗拉强度≤965MPa，屈服强度≤550MPa，对于这种难加工的合金，有限的塑性和稍高的强度影响了其可加工性；胡仁民等在《宝钢技术》(Nb含量对GH4169合金组织和拉伸性能的影响，2020年210卷35
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38页)以及刘芳等在《金属学报》(Al含量对GH4169镍基合金组织及其稳定性的影响，2008年第7期25
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32页)发表的文章均显示出，目前的研究仅限于讨论单一元素对于合金性能的影响，由于模型的缺失，无法从机理上揭示这类复杂合金中元素之间的相互作用。
[0004]现行的GH4169高温合金成分标准(GB/T 14992
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2005)也只限于单个元素的成分区间的确定，忽略了元素间的相互作用，同时各种元素的区间范围较大。GB/T 14992
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2005规定元素质量百分比为：50.0≤Ni≤55.0，Fe余量，Co≤1.0，Cu≤0.30，17.0≤Cr≤21.0，2.80≤Mo≤3.30，Mn≤0.35，Si≤0.35，4.75≤Nb≤5.50，0.30≤Al≤0.70，0.75≤Ti≤1.15，C≤0.08，P≤0.015，S≤0.015，B≤0.006，Mg≤0.01，Ca≤0.01。如图1所示，正三角形框定的成分区为GB/T 14992
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2005工业标准区间，现有文献中报道的GH4169成分点(加号表示)均落在宽泛的成分区间内，说明固定的元素的成分区间与现在研究合金成分偏差大。马军等在《金属热处理》(化学成分对GH4169合金组织与力学性能的影响，2020年第45卷197
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204页)中研究了Nb、Al、Ti三种元素，虽然单个元素成分范围都在国家标准规定范围内，但是各批次性能出现显著差异，元素范围不精确导致合金性能下降，合金延伸率仅为15％左右，屈服强度也仅为1000MPa左右；在微量调整Nb、Al、Ti含量之后，合金延伸率可达到22％左右，屈服强度在1200MPa左右。由此说明宽泛的单个元素区间或者不考虑元素间相互作用，会造成合金性能变动范围较大，无法获得优异性能合金，并且在实际工业生产中技术人员通常按照经验成分进行合金制造，加上制备工艺的复杂性，无法进行合理性的合金成分设计与制备。
[0005]现行技术标准下(Q/3B 4050—1993《GH4169合金板材》,C3S 213—1988《GH169合
金冷轧板材技术条件》)合金制备工艺复杂，均匀化处理采用1160℃/24h+1190℃/72h，空冷至室温；一般固溶处理有(1010
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1065℃)
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10℃/1h，空冷至室温和(950
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980℃)
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10℃/1h，空冷至室温两种制度，固溶时间与冷却时间长不利于实际生产加工，浪费能源；时效处理720
±
5℃/8h，炉冷50℃/h至620
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5℃/8h后，空冷至室温，此时效处理空冷的冷却时间长，效率低。根据专利：一种镍基合金GH4169的时效强化热处理方法(公开号：CN110747417A)提高了合金的室温抗拉强度和屈服强度，但是热处理工艺复杂，也不适宜工业生产，缺少效率高、节约能源的制备工艺。
[0006]鉴于此，本专利技术通过引入描述化学近程序结构的团簇式成分设计方法(全文简称团簇式方法)，解析了GH4169高温合金的成分规格，给出了合金的理想成分式，尤其考虑了合金中元素的协同作用，提供了一种基于团簇式方法确立成分协同变化关系的GH4169高温合金，严格按照成分协同变化关系，对国家标准范围内GH4169各成分区间实现了精修，明确了各种元素的成分区间和类似元素的组合区间，按照成分协同变化关系实施合金成分设计以及相应的制备工艺，能确保性能提升。该合金设计简单有效，将彻底改革高温合金的成分标准化方式，颠覆性推动高温合金的发展与进步。该协同变化关系同时具有示范作用，其意义覆盖任何工业合金体系。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供一种基于团簇式方法确立成分协同变化关系的GH4169高温合金及相应制备工艺，该方法源自的申请人提出的团簇加连接原子模型，根据该模型，任何合金的成分载体为一个局域结构单元，覆盖第一近邻团簇加上若干个次近邻连接原子，表述为团簇式：[团簇中心
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团簇第一近邻壳层](次近邻连接原子)，由此，合金中的元素只分为位于中心、壳层、连接的三类，再加上不进入团簇式的间隙型和微量元素，高温合金因此只需要四个元素分类，可以简化高温合金的复杂合金化，本专利据此得出GH4169高温合金中各个元素以及元素之间的成分范围与协同变化关系，提出一种全新的合金设计方法，能够解决现有GH4169高温合金元素难以调控的问题，为本领域技术人员降低合金设计难度。并且可以通过本专利中的相应制备工艺，可以得到不同状态下样品，制备效率高，节约能源并且性能优异，可以满足不同的加工需求。
[0008]本专利技术的技术方案是：
[0009]一种基于团簇式方法确立成分协同变化关系的GH4169高温合金，其特征在于将GH4169合金化元素分为进入团簇式内的类Ni(含Ni、Fe、Co、Cu)、类Cr(含Cr、Mo、Mn、Si)、类Nb(含Nb、Al、Ti)元素以及不进入团簇式内的微量(含C、P、S、B、Mg、Ca)元素。
[0010]本专利技术的特征在于明确规范了各个元素的协同变化关系，68.93≤Ni+1.02Fe+Co+Cu≤72.68，19.84≤Cr+0.64Mo+Mn+1.67Si≤22.78，8.67≤Nb+3.22Al+1.85Ti≤9.81，在上述协同关系中，系数的引入源自元素质量的不同，方便了设计者使用。这样进一步规范了国标GB/T 14992
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2005范围内合金元素的选择，避免了在满足国标GB/T 14992
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2005标准要求下，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于团簇式方法确立成分协同变化关系的GH4169高温合金，其特征在于，将GH4169高温合金化元素分为进入团簇式内的类Ni元素：含Ni、Fe、Co、Cu；类Cr元素：含Cr、Mo、Mn、Si；类Nb元素：含Nb、Al、Ti；以及不进入团簇式内的微量元素：含C、P、S、B、Mg、Ca；各个元素的协同变化关系为：68.93≤Ni+1.02Fe+Co+Cu≤72.68，19.84≤Cr+0.64Mo+Mn+1.67Si≤22.78，8.67≤Nb+3.22Al+1.85Ti≤9.81。2.根据权利要求1所述的一种基于团簇式方法确立成分协同变化关系的GH4169高温合金，其特征在于，在各个元素的协同变化关系的基础上，每种元素在团簇式中的质量百分比范围：49.22≤Ni≤55.00，17.37≤Fe≤19.48，0≤Co≤0.71，0≤Cu≤0.38，17.67≤Cr≤20.93，2.87≤Mo≤3.46，0≤Mn≤0.33,0≤Si≤0.34，4.99≤Nb≤5.60，0.32≤Al≤0.65，0.85≤Ti≤1.15，C≤0.08，P≤0.015，S≤0.015，B≤0.006，Mg≤0.01，Ca≤0.01。3.权利要求1

【专利技术属性】
技术研发人员：李言成，王清，董闯，赵亚军，邹存磊，张爽，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：