一种低密度高强度镍基高温合金及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种低密度高强度镍基高温合金及其制备方法和应用。该低密度高强度镍基高温合金的化学成分百分比为：Al：4.5

【技术实现步骤摘要】
一种低密度高强度镍基高温合金及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于高温用合金领域，尤其涉及一种低密度高强度镍基高温合金及其制备和应用。

技术介绍

[0002]镍基高温合金是指以镍为基体，能在600℃以上的高温及一定应力作用下长期工作的金属材料，具有优异的高温强度，良好的抗氧化和抗热腐蚀性能，良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能，主要应用于航空航天领域和能源领域。作为航空发动机材料的高温合金的承温能力和力学性能的要求不断提高。镍基高温合金具有高体积分数γ
′
相，它以方块状的形式存在于合金中，与连续的面心立方γ相基体具有连贯的界面，表现为γ
′
相方块之间的狭窄通道。高度有序的L12结构使γ
′
相具有高强度和低位错容限，位错运动主要限制在γ相基体通道内，因此镍基高温合金具有较高的高温强度和抗蠕变性。另一方面，密度也是制约高温合金应用的关键问题，高密度高温合金不可避免地会在一定体积下增加发动机的重量，进而在涡轮叶片或涡轮盘中产生较大的应力，在设计过程中必须考虑密度的影响。为此需要在保证强度的同时尽可能降低镍基高温合金的密度。目前，一些先进高温合金材料具备在较高温度保持高强度的能力，如GH4975合金760℃时γ
′
相的平衡含量高达63％，可在800～900℃范围内长期服役，且在850℃以上可长期保持优异的综合性能，但其W含量很高，达到10％，合金密度偏高。

技术实现思路

[0003]本实施例公开了一种低密度高强度镍基高温合金及其制备和应用，已解决上述技术问题以及现有技术中的其他技术问题。
[0004]为了解决上述技术问题，本专利技术的技术方案是：一种低密度高强度镍基高温合金，所述低密度高强度镍基高温合金的化学成分质量百分比为：Al：4.5
‑
5.5wt％、Co：15.5
‑
16.55wt％、Cr：11.0
‑
12.0wt％、Mo：0.3
‑
0.7wt％、Ti：4.5
‑
5.5wt％、W：2.0
‑
3.0wt％、C：0.05
‑
0.15wt％，余量为Ni。
[0005]进一步，所述低密度高强度镍基高温合金中的Al/Ti介于0.8
‑
1.2，且Al+Ti≤10wt％。
[0006]进一步，所述低密度高强度镍基高温合金具有细小的γ
′
相和残余共晶相，密度为7.90
‑
7.95g/cm3。
[0007]进一步，所述低密度高强度镍基高温合金的拉伸屈服强度不小于695MPa，抗拉强度不小于1008MPa，断后伸长率高于24％。
[0008]进一步，所述低密度高强度镍基高温合金的化学成分质量百分比为：59.4wt％Ni、16.0wt％Co、11.5wt％Cr、0.5wt％Mo、5.0wt％Ti、5.0wt％Al、0.1wt％C、2.5wt％W，其密度为7.93g/cm3，合金的屈服强度715MPa，抗拉强度1080MPa，延伸率25％，压缩屈服强度1078MPa，维氏硬度HV0.5为435。
[0009]本专利技术的另一目的是提供一种制备上述的低密度高强度镍基高温合金的方法，所述方法具体包括以下步骤：
[0010]S1)原料准备：按照设计配比分别称取各个原料，预处理后备用；
[0011]S2)熔炼制备：将经过S1)处理后各个原料置入WK系列小型真空电弧炉铜坩埚中熔炼获得低密度高强度镍基高温合金铸锭；此时的铸锭具有柱状晶，垂直于柱状晶方向晶粒尺寸集中在200
‑
300μm范围内，少数晶粒大于400μm；铸态合金中的沉淀相种类较少，主要由一次γ
′
相和花瓣状共晶相组成；
[0012]其铸态拉伸屈服强度不小于921MPa，断后伸长率不低于2.5％，抗拉强度不小于962MPa；压缩屈服强度不小于1067MPa，压缩过程中不发生断裂破坏，维氏硬度HV0.5不小于424。
[0013]S3)将S2)得到的低密度高强度镍基高温合金铸锭进行均匀化热处理，再进行热等静压处理，即得到低密度高强度镍基高温合金。
[0014]进一步，所述S1)的各个原料均为块体；预处理工艺为：置于无水乙醇中进行超声波震荡清洗，去除掉表面的杂质，干燥后备用。
[0015]进一步，所述S2)中的具体工艺为：
[0016]S2.1)熔炼前真空电弧炉内的真空度抽至5
×
10
‑3Pa以下，熔炼时的电流为320A
‑
350A；
[0017]S2.2)熔炼完成一次熔炼时进行翻面，且反复熔炼至少6次。
[0018]进一步，所述S3)中的：
[0019]S3.1)均匀化热处理的温度为1170℃～1190℃，处理时间为18
‑
22小时，空冷；
[0020]S3.2)热等静压的温度为1170℃～1190℃，压力为140
‑
160MPa，时间为1.5
‑
2.5小时。
[0021]一种上述的方法制备得到的低密度高强度镍基高温合金应用于重型航空发动机和燃气轮机领域。
[0022]本专利技术的低密度高强度镍基高温合金含有的主要合金元素为Al、Co、Cr、Mo、Ti、W、C。其中Al是形成γ
′‑
Ni3Al相的基本组成元素，主要起到沉淀强化作用，同时能显著降低合金的密度；Ti进入到γ基体能起到固溶强化作用，而进入到γ
′
相中能代替其中的Al原子，起到沉淀强化作用，还能增加碳化物的数量；鉴于Al、Ti能直接影响γ
′
相体积分数，显著降低合金密度，但过多添加会促进枝晶间γ/γ
′
共晶组织的形成，因此，该合金中Al、Ti元素的质量百分比均控制在4.5～5.5％，Al/Ti介于0.8
‑
1.2，且Al+Ti≤10wt％；Cr是固溶强化元素和碳化物形成元素，还能提高合金抗氧化和抗腐蚀性能，但Cr过量会促进拓扑密排相(TCP相)的析出，因此Cr含量控制在11.0
‑
12.0％；Co可以起到固溶强化的作用，还能降低合金基体的层错能，提高合金中温性能，改善组织稳定性，因此含量控制在15.5
‑
16.5％；Mo、W也能起到固溶强化的作用，过量则会增大合金密度，促进TCP相析出，因此Mo含量控制在0.3
‑
0.7％，W含量控制在2.0
‑
3.0％；微量元素C可以控制晶粒尺寸或强化晶界，含量控制在0.05
‑
0.15％。
[0023]可选的，所述的低密度高强度镍基高温合金，其密度为7.90～7.95g/cm3，由于Al、Ti含量之和达到10wt％左右，而高密度合金元素W、Mo的含量被严格控制，因此密度显著低于GH4975、GH1451、AD7本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低密度高强度镍基高温合金，其特征在于，所述低密度高强度镍基高温合金的化学成分质量百分比为：Al：4.5
‑
5.5wt％、Co：15.5
‑
16.55wt％、Cr：11.0
‑
12.0wt％、Mo：0.3
‑
0.7wt％、Ti：4.5
‑
5.5wt％、W：2.0
‑
3.0wt％、C：0.05
‑
0.15wt％，余量为Ni。2.根据权利要求1所述的低密度高强度镍基高温合金，其特征在于，所述低密度高强度镍基高温合金中的Al/Ti介于0.8
‑
1.2，且Al+Ti≤10wt％。3.根据权利要求1所述的低密度高强度镍基高温合金，其特征在于，所述低密度高强度镍基高温合金具有细小的γ
′
相和残余共晶相。4.根据权利要求1所述的低密度高强度镍基高温合金，其特征在于，所述低密度高强度镍基高温合金的拉伸屈服强度不于695MPa，抗拉强度不小于1008MPa，断后伸长率高于24％。5.根据权利要求1所述的低密度高强度镍基高温合金，其特征在于，所述低密度高强度镍基高温合金的化学成分质量百分比为：59.4wt％Ni、16.0wt％Co、11.5wt％Cr、0.5wt％Mo、5.0wt％Ti、5.0wt％Al、0.1wt％C、2.5wt％W，其密度为7.93g/cm3，合金的屈服强度715MPa，抗拉强度1080MPa，延伸率25％，压缩屈服强度1078MPa，维氏硬度H...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚志浩，赵文源，任庆国，董建新，王旭，冷刘喜，席斌，杨环宇，任默，
申请(专利权)人：北京京丰燃气发电有限责任公司，
类型：发明
国别省市：