一种长时稳定性好的高温合金及其制备方法转让专利
申请号 : CN202110492321.8
文献号 : CN113265564B
文献日 : 2022-04-29
发明人 : 束国刚 , 高杨 , 刘伟 , 安宁 , 徐超 , 李振瑞 , 段方苗 , 彭劼 , 余志勇 , 刘海稳 , 孙健 , 安杨 , 李崇巍 , 李占青
申请人 : 中国联合重型燃气轮机技术有限公司 , 北京北冶功能材料有限公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种长时稳定性好的高温合金,其特征在于,所述高温合金的组成为:C:0.05~
0.16%;Cr:8.0 9.5%;Co:9 10.5%;W:9.0 10.5%;Mo:0.2 1.0%;Ta:2.5 3.5%;Al:5.0 6.0%;
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Ti:0.5 1.5%;B:0.01 0.02%;Hf:1.0 2.0%;Zr:0.004 0.06%;Mg:0.001 0.005%;Si≤~ ~ ~ ~ ~
0.15%;Mn≤0.05%;余量为Ni和不可避免的杂质,以质量计;
其中,B、Mg的质量百分含量满足关系式0.0392%≤B+12.6Mg≤0.068%。
2.根据权利要求1所述的长时稳定性好的高温合金,其特征在于,所述Al、Ti和Ta的质量百分含量满足关系式9.1%≤Al+Ti+Ta≤9.9%。
3.一种权利要求1或2中任一项所述的长时稳定性好的高温合金的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
a、根据合金设计配比,将Cr、Co、W、Mo、Ta、B、Hf、Zr、Mg、Si、Mn和部分C原料加于坩埚内,真空条件下加热所述坩埚,使所述坩埚中的原料熔化,保温;
b、停止加热所述坩埚,自然冷却,之后向坩埚中通入氩气,将Al、Ti和剩余C原料加入所述坩埚中,抽真空,使所述坩埚中的原料熔化,浇铸,得到高温合金。
4.根据权利要求3所述的长时稳定性好的高温合金的制备方法,其特征在于,所述步骤a中加入的部分C原料为C原料设计用量的10‑20%。
5.根据权利要求3所述的长时稳定性好的高温合金的制备方法,其特征在于,所述步骤a中,所述真空条件为真空度<0.1Pa。
6.根据权利要求3所述的长时稳定性好的高温合金的制备方法,其特征在于,所述步骤a中,所述保温温度为1600℃~1650℃,所述保温时间为10‑30min。
7.根据权利要求3所述的长时稳定性好的高温合金的制备方法,其特征在于,所述步骤b中,所述自然冷却的温度为1200℃ 1400℃。
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8.根据权利要求3所述的长时稳定性好的高温合金的制备方法,其特征在于,所述步骤b中,向所述坩埚中通入氩气,至所述坩埚中气压为‑0.02~‑0.1MPa。
9.根据权利要求3所述的长时稳定性好的高温合金的制备方法,其特征在于,所述步骤b中,所述抽真空后使所述坩埚内真空度<0.1Pa。
10.根据权利要求3所述的长时稳定性好的高温合金的制备方法,其特征在于,所述步骤b中,所述浇铸温度≥1560℃。
说明书 :
一种长时稳定性好的高温合金及其制备方法
技术领域
背景技术
具有优异的高温长时稳定性能,以免在检修周期到来前发生零件失效。目前国内外现有的
高温合金中能够完全满足上述要求的合金几乎没有,一般能够达到上述力学性能的合金长
时稳定较差,在2000h处理后析出TCP相,导致性能下降。
发明内容
上,有以下需求:室温下拉伸性能Rm≥966MPa,Rp0.2≥725MPa,A≥6%;高温拉伸900℃Rm≥
700MPa,Rp0.2≥420MPa,A≥6%,980℃,200MPa下持久时间>65h;950℃处理3000h后不能析
出TCP相,但是目前没有高温合金可以满足上述需求。
进航空发动机和燃气轮机设计和使用的要求,适用于航空发动机和燃气轮机热端部件透平
叶片等中长期服役的零部件。
性,形成了含Al更高并同时含有Ta的Ni(3 Al、Ti、Ta)强化相,相比于传统的Ni(3 Al、Ti)强化
相,本发明实施例中的高温合金具有更优异的耐高温性能;2、本发明实施例的合金中限定
了元素B、Mg的质量百分含量满足关系式0.032%≤B+12.6Mg≤0.068%,使合金不仅具有优异
的拉伸性能和持久寿命,合金在950℃处理3000h后没有析出TCP相,具有优良的长时服役稳
定性,因此本发明实施例的合金能够满足先进航空发动机和燃气轮机设计和使用的要求。
素分步、按照不同比例加入,第一次加入部分C,在冶炼初期精炼温度较高,合金化料较快,C
元素和坩埚内原料中的O进行反应生成CO2等气体溢出,有利于去除合金中的气体。第二次
加入剩余的C,能够有效控制合金中C含量,提高合金的力学性能;2、本发明实施例的方法,
采用特定元素配比的原料,制得的合金不仅具有优异的拉伸性能和持久寿命,合金在950℃
处理3000h后没有析出TCP相,具有优良的长时服役稳定性,能够满足先进航空发动机和燃
气轮机设计和使用的要求。
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附图说明
具体实施方式
9.5%;Co:9 10.5%;W:9.0 10.5%;Mo:0.2 1.0%;Ta:2.5 3.5%;Al:5.0 6.0%;Ti:0.5 1.5%;
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B:0.01 0.02%;Hf:1.0 2.0%;Zr:0.004 0.06%;Mg:0.001 0.005%;Si≤0.15%;Mn≤0.05%;
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余量为Ni和不可避免的杂质,以质量计;
性,形成了含Al更高并同时含有Ta的Ni(3 Al、Ti、Ta)强化相,相比于传统的Ni(3 Al、Ti)强化
相,本发明实施例中的高温合金具有更优异的耐高温性能;本发明实施例的合金中限定了
元素B、Mg的质量百分含量满足关系式0.032%≤B+12.6Mg≤0.068%,使合金不仅具有优异的
拉伸性能和持久寿命,室温下拉伸性能Rm≥966MPa,Rp0.2≥725MPa,A≥6%;高温拉伸900℃
Rm≥700MPa,Rp0.2≥420MPa,A≥6%,980℃,200MPa下持久时间>65h;合金在950℃处理
3000h后没有析出TCP相,具有优良的长时服役稳定性。能够满足先进航空发动机和燃气轮
机设计和使用的要求。
萌生、扩展和合并,从而提高合金的高温持久寿命,当C含量小于0.05%时,不足以形成足够
数量MC和M23C6。当C含量过高时形成的MC尺寸较大,并且会过多的消耗合金中的Mo、Cr、Ti和
Ta,一方面不仅减少了Mo、Cr的固溶强化作用,另一方面用于形成Ni(3 Al、Ti)和Ni(3 Al、Ti、
Ta)复合强化相的Ti和Ta将会减少,对合金的高温性能和持久性能产生不利影响,因此C应
控制在不超0.16%。
易于形成TCP相,降低合金长期组织性能稳定性,因此其含量一般不超过25%,本发明实施例
中考虑兼顾耐腐蚀性和长期组织性能的稳定性,将Cr含量控制在8.0‑9.5%。
错不易束集而发生交滑移,从而提高合金的抗蠕变性能和持久寿命。Co也可部分替代Ni3Al
型相析出强化相中的元素,改善相长期服役中的稳定性;Co还可以降低Al、Ti元素在基体中
的固溶度,促进γ′强化相的析出并提高其析出数量和固溶温度。当Co含量低于9%时,高温
强度偏低,当Co含量高于11%时,在长期服役中易形成影响其性能的η相,因此将Co含量控制
在9.0‑10.5%。
但Mo过高时长期高温时效易于生成μ相而降低合金韧性。因此,将Mo含量控制在0.2‑1.0%。W
原子半径比较大,比镍原子半径大百分之十几,固溶强化作用明显。但W是加速高温腐蚀的
元素,而且在长期服役时会形成有害的δ相,降低合金强度和韧性。因此将W含量控制在9.8‑
10.5%。
会与C结合形成MC型碳化物,在高温时阻碍晶界长大和晶界滑动,起到提高高温力学性能的
作用,但过多的Ti、Ta会形成大颗粒MC型碳化物,对合金的力学性能反而不利。本发明通过
研究发现,合金的高温力学性能不仅取决于γ′相的多少,而且取决于其成分组成和特性,
在Al、Ti、Ta总量不变的前提下,通过Al、Ti、Ta比例的优化,可以得到最佳的γ′强化效果。
本发明实施例的合金中采用高Al、低Ti、高Ta的强化元素设计方案,对传统的Ni(3 Al、Ti)强
化相进行了改性,形成了含Al更高并同时含有Ta的Ni(3 Al、Ti、Ta),比传统的Ni(3 Al、Ti)强
化相更耐高温,从而提高合金的拉伸性能和持久寿命。三者的具体控制范围为:Al:5.0‑
6.0%,Ti:0.5‑1.5%,Ta:2.5‑3.5%。
这样就提高了晶界结合力;二是晶界上的硼化物可以阻止晶界滑移、空洞萌生和扩展,对提
高合金的抗蠕变性能和持久寿命有利。但过多的B却会恶化合金热加工性能和焊接性能,因
此本发明实施例的合金选取适宜的B含量为0.01‑0.02%。
0.004‑0.06%。
γ`相界。Mg原子还进入γ`和碳化物中,从而对力学性能产生有利影响。微量Mg在晶界偏聚
降低晶界能和相界能,改善和细化晶界碳化物级其他晶界析出相的形态。例如,可以使碳化
物块化或球化,有效抑制晶界滑动,降低晶界应力集中,消除缺口敏感性。Mg与硫等有害杂
质形成高熔点的化合物MgS等,净化晶界,使晶界的S、O、P等杂质元素的浓度明显降低,减少
S、O、P等杂质的有害作用。微量Mg提高持久时间和塑性,改善蠕变性能和高温拉伸塑性,增
加冲击韧性和疲劳强度,对有些合金还可改善热加工性能,提高收得率。但是含量不能太
高,太高使性能恶化,生成例如可以生成Ni‑Ni2Mg低熔点(1050℃)共晶,使热加工性能变
坏。同理,含量太低则不能充分发挥其有利作用。因此将Mg含量控制在0.001 0.005%。
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素设计方案,对传统的Ni(3 Al、Ti)强化相进行了改性,形成了含Al更高并同时含有Ta的Ni3
(Al、Ti、Ta)强化相,相比于传统的Ni(3 Al、Ti)强化相,本发明实施例中的高温合金耐高温
性能更好。
的拉伸性能和持久寿命。
优异的拉伸性能和持久寿命的同时,因密度不超过8.25g/cm ,所以合金自重轻,有利于降
低航空发动机燃料消耗和提高机动性能,同时能够满足燃气轮机在工作过程中振动尽可能
小的要求,防止形成振动破坏。
分步,按照不同比例进行加入,第一次加入部分C,在冶炼初期精炼温度较高,合金化料较
快,C元素和坩埚内原料中的O进行反应生成CO2等气体溢出,有利于去除合金中的气体。第
二次加入剩余的C,能够有效控制合金中C含量,提高合金的力学性能;2、本发明实施例的方
法,采用特定元素配比的原料,制得的合金不仅具有优异的拉伸性能和持久寿命,合金在
950℃处理3000h后没有析出TCP相,具有优良的长时服役稳定性,能够满足先进航空发动机
和燃气轮机设计和使用的要求。
的制备方法,其中,所述步骤a中,所述真空条件为真空度<0.1Pa。在本发明实施例中,合金
化料时,需要控制坩埚内的真空度。在较高真空度下,一边加热一边抽真空,有利于合金中
气体的溢出,加速合金中C和O的反应,提高合金纯净度。
化形成液相熔池,以提供C和O发生反应的条件。
高温合金精炼期,采取保温措施一方面能够使合金各元素混合均匀,另一方面在此保温温
度下能够充分去除合金中的气体。
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中,C、Al和Ti元素都属于易烧损元素,极易和气体反应导致合金元素偏差。因此需要将坩埚
内合金液温度降至1200℃ 1400℃,既保证了合金液为液态,也可以避开最大烧损的温度区
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间。
C、Al、Ti原料后,合金液中的O会急剧与这些元素发生反应,即使对温度进行控制,也无法完
全抑制其反应,而且在反应的过程中,液态合金液液面会随着反应而发生剧烈的翻涌,本发
明实施例中,向坩埚中通入氩气能够有效抑制反应和防止合金液喷溅。
有效抑制了合金中气体的溢出,防止合金液喷溅,在加入C、Al、Ti原料合金液平静后,采用
抽真空处理将合金液中的气体抽出,提高了合金的纯净度。
室温后,脱模进行表面喷砂修磨,去除氧化皮,得到高温合金。在本发明实施例中,若出合金
温度低于1560℃,合金液流动性差,在出合金过程中不利于合金液的流动。这将导致合金液
倒入模具时的温度过低,甚至开始凝固,这种情况下合金液在模具中冷却时极易产生裂纹,
脱模时发生断裂。
避免的杂质。按上述合金的化学成份质量百分比配料,其中,Cr为金属铬;Co为电解钴;W为
钨棒;Mo为金属钼;Ta为金属Ta;Al为电解铝、铝棒;Ti为纯钛棒;B为硼铁;Hf为金属铪;Zr为
海绵锆;Ni为电解镍;Si为高碳硅;Mn为金属锰。
于0.1Pa保持10min后停止加热,保持5min,加入C、Al、Ti;加入的同时向炉内冲氩气至‑
0.02MPa,合金液平静后抽真空,真空度小于0.1Pa。调整温度在1560℃的条件下出合金进行
浇铸,冷却至室温脱模进行表面喷砂修磨去除氧化皮。
没有析出TCP有害相。
度为8.17g/cm ,具有优异的拉伸性能和持久寿命,室温下拉伸性能Rm 1025MPa,Rp0.2
849MPa,A 6.5%;高温拉伸900℃Rm 802MPa,Rp0.2 455MPa,A 6.5%,980℃,200MPa下持久时
间 110h;950℃处理3000h后没有析出TCP相,具有优良的长时服役稳定性,能够满足先进航
空发动机和燃气轮机设计和使用的要求。
不可避免的杂质。按上述合金的化学成份质量百分比配料,其中,Cr高纯低氧铬;Co为金川
钴板;W为钨铁和钨棒;Mo为金属钼和钼铁;Ta为熔炼Ta;Al为电解铝和铝棒;Ti为纯钛棒;B
为硼铁;Hf为金属铪和高纯铪棒;Zr为海绵锆;Ni为电解镍和金属镍;Si为高碳硅和高碳硅
铁;Mn为锰铁、金属锰和电解锰片;将C、Cr、Ni原料混合放入坩埚底部,Mo、Ta按比例装在坩
埚中的上部。其他原料分层放置。抽低真空同时30min内加热至完全熔化,随后控制温度在
1650℃,真空度控制在小于0.1Pa保持30min后停止加热,保持15min,加入C、Al、Ti;加入的
同时向炉内冲氩气至‑0.1MPa,合金液平静后抽真空,真空度小于0.1Pa。调整温度在1570℃
的条件下出合金进行浇铸,冷却至室温脱模进行表面喷砂修磨去除氧化皮。
8.11g/cm ,使合金具有优异的拉伸性能和持久寿命,室温下拉伸性能Rm 995MPa,Rp0.2
839MPa,A 7.5%;高温拉伸900℃Rm 810MPa,Rp0.2 455MPa,A 7.0%,980℃,200MPa下持久时
间 102h;950℃处理3000h后没有析出TCP相,具有优良的长时服役稳定性。能够满足先进航
空发动机和燃气轮机设计和使用的要求。
避免的杂质。按上述合金的化学成份质量百分比配料,其中,Cr为铬铁、金属铬、低氮锦铁
铬;Co为电解钴和金川钴板的一种或几种;W为钨铁、钨棒、高纯钨块的一种或几种;Mo为金
属钼、钼铁、钼铬棒;Ta为金属Ta和熔炼Ta;Al为电解铝和纯铝条;Ti为纯钛棒、金属钛和海
绵钛;B为硼铁;Hf为金属铪和高纯铪棒;Zr为海绵锆;Ni为电解镍、金属镍、和高纯镍;Si为
高碳硅铁、高纯多晶硅和金属硅颗粒;Mn为锰铁、金属锰和电解锰片;C、Cr、Ni原料混合放入
坩埚底部,Mo、Ta按比例装在坩埚中的上部。其他原料分层放置。抽低真空同时25min内加热
至完全熔化,随后控制温度在1640℃,真空度控制在小于0.1Pa保持27min后停止加热,保持
10min,加入C、Al、Ti;加入的同时向炉内冲氩气至‑0.07MPa,合金液平静后抽真空,真空度
小于0.1Pa。调整温度在1580℃的条件下出合金进行浇铸,冷却至室温脱模进行表面喷砂修
磨去除氧化皮。
8.25g/cm ,使合金具有优异的拉伸性能和持久寿命,室温下拉伸性能Rm 975MPa,Rp0.2
739MPa,A 7%;高温拉伸900℃Rm 730MPa,Rp0.2 435MPa,A 6.5%,980℃,200MPa下持久时间
72h;950℃处理3000h后没有析出TCP相,具有优良的长时服役稳定性。能够满足先进航空发
动机和燃气轮机设计和使用的要求。
进行生长并扩散,并且最终导致了合金失效。
一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实
施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示
例中以合适的方式结合。此外,在不相互矛盾的情况下,本领域的技术人员可以将本说明书
中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
实施例进行变化、修改、替换和变型。