CN106566953A - 一种耐腐蚀合金锻件及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种核电性能优良的耐腐蚀合金锻件及其生产方法，该耐腐蚀合金锻件在GH4169A的基础上进行改进，将可以提高其强度的Ti、Mo、Cr元素的含量，将其调整至标准要求含量的上限，增加少量的稀土元素，其主要成分重量百分比为：C 0.03%~0.08%；Cr 19.00~21.00%；Ni 50.00~55.00%；Co 0.50~1.00%；Mo 3.0~3.30%；Al 0.3~0.7%；Ti 1.0~1.15%；Nb 4.75~5.50%；稀土元素Ce、Dy、Y、Nd中的一种或一种以上，小于0.30%；通过热锻、精锻、固溶热处理、时效热处理相结合的锻造工艺，可以有效提高其强度，显著提高其耐腐蚀性。

Description

一种耐腐蚀合金锻件及其生产方法

技术领域

本发明涉及高温合金锻件技术领域，具体的是一种核电性能优良的耐腐蚀合金锻件及其生产方法。

背景技术

GH4169合金是以体心四方的γ"和面心立方的γ′相沉淀强化的镍基高温合金，在700℃以内具有高强度、良好的韧性以及在高低温环境均具有耐腐蚀性，且有很好的焊接性能，无焊后开裂倾向，在在宇航、核能、石油工业及挤压模具中都有着广泛得而应用。

GH4169基础上控制B含量得到的GH4169A在核能工业领域有着广泛的应用。通常，GH4169A合金的化学成分包括标准成分、优质成分和高纯成分。为了减少疲劳源和增加强化相的数量，一种方法是在标准成分的基础上增加优质成分，也就是增加铌而减少碳，从而减少碳化铌的数量，提高抗疲劳性能和材料强度，同时减少有害杂质和气体含量。尽管通过增加优质成分可以提高合金的抗疲劳性能，但是该方法成本较高，且耐腐蚀性能相对较差，不利于生产需要。因此需要一种合金制造方法，在提高抗疲劳性能的同时降低成本。

尤其是GH4169A合金的锻件，由于锻造加工能保证金属纤维组织的连续性，使锻件的纤维组织与锻件外形保持一致，金属流线完整，可保证零件具有良好的力学性能与长的使用寿命，但是GH4169A合金进行锻件加工时，需要进行多次锻打和热处理，对锻件的性能产生一定影响，经常出现未进行锻造加工前材料的机械性能完全满足标准要求，但是进行锻打和热处理后，机械性能容易接近标准要求的下限，尤其是抗拉强度，往往偏低甚至是超标，造成锻件重新热处理甚至报废，提供一种加工后性能优异、具有高耐腐蚀性的高温合金锻件是本领域技术人员需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种耐腐蚀合金锻件及其生产方法，该高温合金锻件制造成本低、加工后机械性能优异，耐腐蚀性能良好。

本发明的技术方案是，在GH4169A标准成分的基础上进行改进，控制可以提高材料强度的Ti、Mo、Cr元素的含量，将其调整至标准要求含量的上限，增加少量可以提高材料强度和耐腐蚀性的稀土元素，一种耐腐蚀合金锻件的成分重量百分比为：

C 0.03％～0.08％；

Cr 19.00～21.00％；

Ni 50.00～55.00％；

Co 0.50～1.00％；

Mo 3.0～3.30％；

Al 0.3～0.7％；

Ti 1.0～1.15％；

Nb 4.75～5.50％；

B≤0.006％；

Mg≤0.01％；

Mn≤0.35％；

Si≤0.35％；

P≤0.015％；

S≤0.015％；

Cu≤0.30％；

Ca≤0.01％；

稀土元素Ce、Dy、Y、Nd中的一种或一种以上，小于0.30％，余量为铁。

确定上述主要化学成分的理由如下：

碳：碳元素通过固溶强化可以增加合金的低温强度，起强化作用；碳含量的控制范围，处于碳在铁素体中的溶解度以下或接近于铁素体中碳的溶解度，因此将碳含量的优选为0.03％～0.08％。

铬：铬为铁素体形成元素，能显著提高强度、耐腐蚀性，但同时降低塑性和韧性；但铬含量过高，会导致奥氏体中铁素体含量增加，因此铬元素的含量优选控制在上限，为19.00～21.00％。

镍：镍为强的奥氏体形成元素，增加镍含量有助于提高奥氏体组织的稳定性，能提高材料的强度，而又保持良好的塑性和韧性；镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力，因此优选为50.00％～55.00％。

钴：钴可以有效提高材质硬质合金的韧性，有助于提高奥氏体组织的稳定性，能提高材料的强度，而又保持良好的塑性；因此优选为0.50％～1.00％。

钼：钼为铁素体形成元素，高温合金中添加钼可以提高高温合金的耐点蚀性能，通过固溶强化可以提高其强度，将钼含量优选控制在上限，为3.0％～3.3％。

铝：少量的铝元素可以可细化晶粒，提高材料的冲击韧性，铝还具有抗氧化性和抗腐蚀性能，铝与铬、硅合用，可显著提高钢的高温不起皮性能和耐高温腐蚀的能力，但铝的缺点是影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能，因此将铝含量优选为0.3％～0.7％。

钛：在材料轧制的升温过程中，钛与氮、碳的结合形成弥散的小颗粒，对奥氏体晶界起固定作用，阻碍奥氏体晶界的迁移，有效阻止奥氏体晶粒粗化，而在降温过程中钛与氮、碳的化合物在奥氏体向铁素体转变之前析出，成为铁素体的形核质点，使铁素体的晶粒细化，还可以避免晶间腐蚀，提高钢的耐腐蚀性；因此将钛含量优选为1.0％～1.15％。

铌:可以细化晶粒和降低材料的过热敏感性及回火脆性，提高强度，还可改善焊接性能，防止晶间腐蚀现象；将铌含量优选为4.75～5.5％。

硼：钢中加入微量的硼就可改善钢的致密性和热轧性能，提高强度。

镁：微量的镁元素可以使该以改善镍基和铁基高温合金中碳化物的形态、尺寸及分布，可以显著改善其性能；但是镁含量较高时，会出现低熔点共晶镁相的析出而使性能明显恶化，因此将镁含量优选为小于0.01％。

锰：增加锰含量可以提高钢的强度，增加高温合金中氮元素的固溶度，但锰含量过高，会导致高温合金中产生马氏体，因此将锰含量优选为小于0.35％。

硅：硅可以显著提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度，作为铬当量的形成元素，和钼、铬等结合，可以提高钢的抗腐蚀性和抗氧化性，因此将硅含量优选为小于0.35％。

硫、磷：合金冶炼过程中的杂质元素。

铜：铜能提高强度和韧性，特别是大气腐蚀性能。缺点是在热加工时容易产生热脆，铜含量超过0.5％塑性显著降低。当铜含量小于0.50％对焊接性无影响。因此将铜含量优选为小于0.30％。

钙：冶炼过程中的脱氧和脱硫剂，加热时与大多数非金属直接反应，如与硫、氮、碳、氢反应生成硫化钙CaS、氮化钙Ca3N2、碳化钙CaC2和氢化钙CaH2。

稀土元素：稀土元素具有细化材料晶粒的作用，添加到钢液中，可以增加钢液凝固过程中的形核质点，从而达到细化连铸坯原始铸态组织的目的，原始铸态组织晶粒的细化有利于最终产品晶粒的细化，此外稀土元素在凝固过程中形成的微小质点还可降低材料在加热过程中的长大倾向，减少晶间腐蚀。

本发明的耐腐蚀合金锻件将可以提高其强度的Ti、Mo、Cr元素的含量，将其调整至标准要求含量的上限，可以有效提高材料的强度，增加少量的稀土元素，具有细化材料晶粒的作用，减少材料的晶间腐蚀，显著提高其耐腐蚀性。

一种上述耐腐蚀合金锻件的生产方法，包括如下步骤：

A.先按上述相应的配比通过真空炉熔炼获得试样钢锭；

B.将冶炼好的铸坯钢锭加热到1070-1090℃，保温1.5-2.5小时后出炉即锻，进行多火次粗锻，终锻温度不低于950℃；多次锻造可以细化晶粒，提高工件性能；

C.将粗锻得到的工件及时进行退火，温度950-1050℃，并根据厚度设定保温时间；

D.对退火后的工件进行精锻，得到终锻成品；

E.将终锻成品进行成品热处理。

进一步，步骤B中，每次粗锻的加工变形量不大于20％，控制单次变形量，增加锻打次数，可以有效细化晶粒组织。

进一步，步骤D中，精锻的加工温度为900-950℃，保证加工时的塑性。

进一步，步骤E中，所述成品热处理包括固溶热处理和时效热处理，固溶热处理温度960℃±10℃，保温不少于1小时，可以采用油冷、空冷或水冷中的一种冷却方式，时效热处理分为两段，第一段加热到720℃±5℃，保温不少于8小时，以50℃/时炉冷至620℃±5℃，再次保温不少于8小时，然后进行空冷。

本发明的核电性能优良的耐腐蚀合金锻件生产方法工序简单，易于控制，经过多次热锻和温锻相结合，可以有效细化晶粒，显著提高工件性能。

具体实施方式

实施例

本实施例生产了3批次的耐腐蚀合金锻件，在3批次高温合金的冶炼过程中加入了不同的稀土元素，并将其余各元素成分按照配比加入真空冶炼炉，并根据冶炼过程中脱碳情况适当配加石墨，按相应的配比通过50kg真空炉熔炼获得试样钢锭；将冶炼好的铸坯，切去冒口，加热到1090℃，保温2小时后出炉即锻，终锻温度不低于950℃进行多次锻造，每火次变形量不超过20％；粗锻完成后，对工件及时进行退火，温度1000-1050℃；对退火后的工件进行精锻，加工温度900-950℃，得到终锻成品；将终锻成品进行固溶热处理和时效热处理，加热到960℃±10℃，保温1小时，可以采用油冷(其它实施例可以采用空冷或水冷)，时效热处理分两段进行，第一段加热到720℃±5℃，保温8小时，以50℃/时炉冷至620℃±5℃，再次保温8小时，然后进行空冷。

以同样的加工工艺制备了GH4169A标准组分的高温合金锻件，用于进行对比。

表1 GH4169A规范标准值、实施例及对比例成分(％)

表2 GH4169A规范标准值、实施例及对比例力学性能

项目	抗拉强度/psi	屈服强度/psi	硬度/HRC
				标准值	180	150	36
实施例1	213	184	46
				实施例2	226	190	47
实施例3	209	179	45
				对比例	185	152	40

将得到的高温锻件取样进行分析，得到的化学成分参见表1，对样品进行机械性能测试，通过提高Ti、Mo、Cr元素的含量，增加少量的稀土元素，可以有效提高材料的强度，得到的锻件抗拉强度提高15％以上，具体结果参见表2。同时少量的稀土元素具有细化材料晶粒的作用，减少材料的晶间腐蚀，提高其耐腐蚀性，对实施例的3组试样分别进行了耐腐蚀检验，晶间腐蚀检测全部合格。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围中。

Claims (5)

1.一种耐腐蚀合金锻件，其特征在于，化学成分及其质量百分比为：

C 0.03%~0.08%；

Cr 19.00~21.00%；

Ni 50.00~55.00%；

Co 0.50~1.00%；

Mo 3.0~3.30%；

Al 0.3~0.7%；

Ti 1.0~1.15%；

Nb 4.75~5.50%；

B≤0.006%；

Mg≤0.01%；

Mn≤0.35%；

Si ≤0.35%；

P≤0.015%；

S≤0.015%；

Cu≤0.30%；

Ca≤0.01%；

稀土元素Ce、Dy、Y、Nd中的一种或一种以上，小于0.30%，余量为铁。

2.根据权利要求1所述的耐腐蚀合金锻件的生产方法，其特征在于，包括如下步骤：

A.先按上述相应的配比通过真空炉熔炼获得试样钢锭；

B. 将冶炼好的铸坯钢锭加热到1070-1090℃，保温1.5-2.5小时后出炉即锻，进行多火次粗锻，终锻温度不低于950℃；

C.将粗锻得到的工件及时进行退火，温度950-1050℃，并根据厚度设定保温时间；

D.对退火后的工件进行精锻，采用温锻加工，得到终锻成品；

E.将终锻成品进行成品热处理。

3.根据权利要求2所述的生产方法，其特征在于，所述步骤B中，每次粗锻的加工变形量不大于20%。

4.根据权利要求2所述的生产方法，其特征在于，所述步骤D中，精锻的加工温度为900-950℃。

5.根据权利要求2所述的生产方法，其特征在于，所述步骤E中，所述成品热处理包括固溶热处理和时效热处理，固溶热处理温度960℃±10℃，保温不少于1小时，可以采用油冷、空冷或水冷中的一种冷却方式，时效热处理分为两段，第一段加热到720℃±5℃，保温不少于8小时，以50℃/时炉冷至620℃±5℃，再次保温不少于8小时，然后进行空冷。