一种低膨胀镍基高温合金及其制备方法和应用，本发明专利技术低膨胀镍基高温合金按质量百分比计，包括：Fe：6～10％，Cr：12～20％，Mo：6～12％，W：0.2～0.8％，Ti：1.8～2.4％，Al：1.1～1.7％，C：0.02～0.08％，B：0.001～0.005％，Zr：0.01～0.05％，Co：1.7～2.3％，余量为Ni。Ti与Al的质量分数满足：1.4＜Ti/Al＜1.8。本合金由奥氏体基体(γ相)，晶内强化相Ni<subgt;3</subgt;(Al,Ti)(γ′相),晶界强化相M<subgt;23</subgt;C<subgt;6</subgt;组成。该合金具有较低的热膨胀系数，优异的高温强度和韧性，良好的组织及性能稳定性，可用于高参数超超临界电站汽轮机转子、螺栓、叶片及阀门等，航空发动机机匣及封严圈等部件。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于高温合金，具体涉及一种低膨胀镍基高温合金及其制备方法和应用。
技术介绍
1、以高温合金和金属间化合物为代表的高温结构材料是热端部件制造中的关键材料。由于材料高温服役时结构与工况不同，为保障结构材料具备特定服役工况下的使用寿命，除了需要对使用材料的综合性能有要求外，还要对主要性能提出要求。例如，超超临界电站锅炉中再热器/过热器用高温合金管材主要需要具有优异的高温持久性能及抗氧化腐蚀性能；第四代核反应堆-钍基熔盐堆中用熔融氟化物盐的容器材料用高温合金主要需要对热氟化盐具有良好的抗氧化性能；航空发动机燃烧室用高温合金主要需要优异的抗冷热疲劳性能。针对高参数超超临界电站汽轮机转子、螺栓、叶片及阀门、航空发动机机匣及封严圈等在一定的高温环境中要求尺寸近似恒定的结构部件，除了对强度、抗氧化、抗腐蚀等性能有要求外，还要求其具有较低的热膨胀系数，以确保部件在服役期间尺寸变化及内应力尽可能小。
2、目前人们主要通过合金成分优化来研发能满足在不同温度下所需的各种低膨胀合金。上世纪七十年代以来国外开发了不含cr元素的inco1oy903、inco1oy907等低膨胀合金，导致其抗氧化性能较差。随后开发了含cr元素的inconel783、thermo-span等低膨胀合金，使得其抗氧化性能得到显著改善，但是cr的加入导致合金热膨胀系数随温度的提高而大幅增加。且高合金化使得合金加工成型性及组织稳定性较差。因此，为满足现代航空和能源领域的需求，开发出具有较低高温热膨胀系数和较高综合性能的合金具有重要的科学意义和应用价值。
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br/>技术实现思路
1、因此，本专利技术要解决的技术问题在于克服现有技术中的高温热膨胀系数低的合金综合性能较差的缺陷，从而提供一种低膨胀镍基高温合金及其制备方法和应用。本专利技术低膨胀镍基高温合金具有较低的热膨胀系数的合金，同时具有优异的高温强度和韧性，良好的组织及性能稳定性，可用于高参数超超临界电站汽轮机转子、螺栓、叶片及阀门等，航空发动机机匣及封严圈等部件。
2、为此，本专利技术提供了以下技术方案。
3、第一方面，本专利技术提供了一种低膨胀镍基高温合金，按质量百分比计，包括：fe：6～10％，cr：12～20％，mo：6～12％，w：0.2～0.8％，ti：1.8～2.4％，al：1.1～1.7％，c：0.02～0.08％，b：0.001～0.005％，zr：0.01～0.05％，co：1.7～2.3％，余量为ni，ti与al的质量分数满足：1.4＜ti/al＜1.8。
4、进一步的，所述fe的质量百分比含量为7～9％；所述co的质量百分比含量为1.8～2.2％。
5、进一步的，所述ti与al的质量分数满足：1.5≤ti/al≤1.7。
6、进一步的，满足以下条件中的至少一项：
7、(1)cr的质量百分比含量为14～18％；
8、(2)mo的质量百分比含量为8～10％；
9、(3)w的质量百分比含量为0.4～0.6％；
10、(4)ti的质量百分比含量为2.0～2.2％；
11、(5)al的质量百分比含量为1.3～1.5％；
12、(6)c的质量百分比含量为0.04～0.06％；
13、(7)b的质量百分比含量为0.002～0.004％；
14、(8)zr的质量百分比含量为0.02～0.04％。
15、第二方面，本专利技术提供了一种低膨胀镍基高温合金的制备方法，包括以下步骤：
16、步骤1：将原料在真空下熔炼并浇注成合金锭，将合金锭在1150-1200℃均匀化10-20小时后空冷至室温；
17、步骤2：将均匀化后的合金锭在γ′相析出温度以上150-200℃进行轧制，每道次变形量为10-20％，最后一道次变形量大于20％，最终总变形量为40-60％；
18、步骤3：将轧制后的合金在γ′相析出温度以上140-180℃进行1-2小时固溶处理，然后在γ′相析出温度以上80-100℃进行1.5-2.5小时固溶处理；
19、步骤4：将固溶处理后的合金在γ′相析出温度以下280-320℃进行10-14小时时效处理，然后在γ′相析出温度以下100-140℃进行2-6小时时效处理，得到低膨胀镍基高温合金。
20、进一步的，步骤2中，在每道次轧制完成后进行回炉保温，然后进行下一道次轧制。
21、进一步的，步骤2中，每次回炉保温的温度与轧制温度一致，回炉保温时间为10-20min。
22、进一步的，制得的低膨胀镍基高温合金的平均晶粒尺寸为60-100μm，晶内γ′相尺寸为20-40nm，晶界上有连续分布的m23c6型碳化物；该合金在20-650℃之间的平均线膨胀系数小于15×10-6/℃；该合金在650℃时的屈服强度不低于600mpa，断后延伸率不低于35％；该合金在650℃热暴露2300h后无有害相析出。
23、第三方面，本专利技术提供了低膨胀镍基高温合金或根据所述方法制得的低膨胀镍基高温合金在火电机组及航空发动机中的应用。
24、本专利技术技术方案，具有如下优点：
25、1.本专利技术提供的低膨胀镍基高温合金，按质量百分比计，包括：fe：6～10％，cr：12～20％，mo：6～12％，w：0.2～0.8％，ti：1.8～2.4％，al：1.1～1.7％，c：0.02～0.08％，b：0.001～0.005％，zr：0.01～0.05％，co：1.7～2.3％，余量为ni，1.4＜ti/al＜1.8。
26、本专利技术提供的低膨胀镍基高温合金，基于析出强化、固溶强化、晶界强化的合金设计理念。
27、作为析出强化相ni3(al,ti)(γ′)的主要元素，适量的ti、al保证了晶内γ′强化相的体积分数，ti和al元素总量太低会使晶内γ′强化相的体积分数降低，致使合金的强度无法得到保障，总量太高则会使热膨胀系数升高。同时相对高的ti/a1比值在增加了反相畴界能从而增加强度的同时也避免了有害相的析出。但是ti/a1比值过高时，会降低γ′相在高温时的稳定性，降低合金的高温强度和热加工性。ti/a1比值过低时，晶内析出有害相的倾向性增加，这会严重损害合金的综合性能。因此，ti含量应控制在1.8～2.4％，al含量应控制在1.1～1.7％，ti/al比值控制在1.4～1.8％之间。
28、cr作为固溶元素强化合金的同时，也与al一起提高合金的抗氧化、抗腐蚀性能，同时又避免有害相的形成。cr含量过低，合金的抗氧化性能得不到保障。cr含量过高，会显著提高合金的热膨胀系数并且促进有害相的析出，降低合金的力学性能。因此，本专利技术的cr含量控制在12～20％。
29、作为固溶元素，w、mo对合金的高温性能有很大的促进作用，并且可以降低合金的热膨胀系数。但w含量过高会加大合金熔炼时的偏析程度，继而降低合金的热加工性能。mo含量过高易造成坑蚀，并会形成本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种低膨胀镍基高温合金，其特征在于，按质量百分比计，包括Fe：6～10％，Cr：12～20％，Mo：6～12％，W：0.2～0.8％，Ti：1.8～2.4％，Al：1.1～1.7％，C：0.02～0.08％，B：0.001～0.005％，Zr：0.01～0.05％，Co：1.7～2.3％，余量为Ni，1.4＜Ti/Al＜1.8。
2.根据权利要求1所述的低膨胀镍基高温合金，其特征在于，所述Fe的质量百分比含量为7～9％；和/或
3.根据权利要求1所述的低膨胀镍基高温合金，其特征在于，所述1.5≤Ti/Al≤1.7。
4.根据权利要求1-3任一项所述的镍基高温合金，其特征在于，满足以下条件中的至少一项：
5.一种权利要求1-4任一项所述的低膨胀镍基高温合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的低膨胀镍基高温合金的制备方法，其特征在于，步骤2中，在每道次轧制完成后进行回炉保温，然后进行下一道次轧制。
7.根据权利要求6所述的低膨胀镍基高温合金的制备方法，其特征在于，步骤2中，每次回炉保温的温度与轧制温度一致，回炉保温时间为10-20min。
8.根据权利要求5-7任一项所述的低膨胀镍基高温合金的制备方法，其特征在于，制得的低膨胀镍基高温合金的平均晶粒尺寸为60-100μm，晶内γˊ相尺寸为20-40nm，晶界上有连续分布的M23C6型碳化物。
9.权利要求1-4任一项所述的低膨胀镍基高温合金或根据权利要求5-8任一项所述的方法制得的低膨胀镍基高温合金在高参数火电机组或航空发动机中的应用。
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【技术特征摘要】
1.一种低膨胀镍基高温合金，其特征在于，按质量百分比计，包括fe：6～10％，cr：12～20％，mo：6～12％，w：0.2～0.8％，ti：1.8～2.4％，al：1.1～1.7％，c：0.02～0.08％，b：0.001～0.005％，zr：0.01～0.05％，co：1.7～2.3％，余量为ni，1.4＜ti/al＜1.8。
2.根据权利要求1所述的低膨胀镍基高温合金，其特征在于，所述fe的质量百分比含量为7～9％；和/或
3.根据权利要求1所述的低膨胀镍基高温合金，其特征在于，所述1.5≤ti/al≤1.7。
4.根据权利要求1-3任一项所述的镍基高温合金，其特征在于，满足以下条件中的至少一项：
5.一种权利要求1-4任一项所述的低膨胀镍基高温合金的...
【专利技术属性】
技术研发人员：袁勇，刘鹏，严靖博，周永莉，尹宏飞，李沛，张鹏，党莹樱，杨珍，李力敏，陈碧强，黄琳昊，刘恒，
申请(专利权)人：西安热工研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：
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