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CN111534720A - 一种孪晶强化的镍基高温合金及其制备方法和应用 - Google Patents

一种孪晶强化的镍基高温合金及其制备方法和应用 Download PDF

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张建新
李盼
金辉鑫
张友健
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Abstract

本发明提供一种孪晶强化的镍基高温合金及其制备方法和应用，属于高温合金技术领域。所述镍基高温合金由以下重量百分比的成分组成：Co：20.0～30.0％，Cr：10.0～15.0％，Mo：1.0～4.0％，W：1.0～5.0％，Al：3.0～9.0％，Ti：5.0～15.0％，Ta：1.0～7.0％，Re：1.0～8.0％，Ru：1.0～6.0％，余量为Ni。本发明通过优化合金成分，让合金在退火处理以及蠕变过程中可以产生孪晶，而孪晶界则可以阻挡位错滑移，进一步提高合金强度，同时降低了合金成本，因此具有良好的实际推广应用之价值。

Description

一种孪晶强化的镍基高温合金及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于高温合金技术领域，具体涉及一种孪晶强化的镍基高温合金及其制备方法和应用。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
镍基高温合金具有优良的高温性能，是目前制造先进航空发动机和燃气轮机叶片的关键材料。为了满足高性能航空发动机不断发展的要求，开发具有良好的高温强度和其它综合性能，特别是良好的持久性能和组织稳定性的镍基单晶高温合金是非常必要的。现代镍基合金通常含有十多种元素，特别是，熔点高、原子半径大的难熔元素起到了很好的固溶强化作用，提高了合金的使用温度。例如，以CMSX系列单晶合金为例，第一代难熔元素总加入量为14.6(wt％)，第二代为16.4(wt％)，第三代高达20.7(wt％)，明显地提高了合金的高温蠕变和疲劳断裂性能。
随着镍基高温合金的开发，难熔元素含量的不断提高，导致沉淀强化γ′相相的比例高达70％左右，使得Re、W等难熔元素严重偏析于γ相，合金呈现很高的过饱和度。由于Re、W等固溶强化元素同时也是有效形成TCP 相(拓扑密排相)的主要元素，造成单晶合金在高温使用过程中TCP相的析出倾向增大。一方面，TCP相的形成大量消耗了Mo、Re、Cr、W等固溶强化元素，削弱了基体相的固溶强化效果；另一方面，针状或薄片状的 TCP相往往是裂纹的发源地和裂纹迅速扩展的通道，导致高温合金的持久寿命降低，塑性和韧性明显恶化，严重地影响了合金的高温力学性能。
总的说来，过去镍基高温合金主要是通过大量溶质元素的固溶强化来提高合金的强度，其原理是溶质原子可以阻挡位错的滑移，但发明人发现，加入大量昂贵的合金元素则大大提高合金成本，不利于镍基高温合金的大规模应用。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明目的在于提供一种孪晶强化的镍基高温合金及其制备方法和应用，本发明通过优化合金成分，让合金在退火处理以及蠕变过程中可以产生孪晶，而孪晶界则可以阻挡位错滑移，进一步提高合金强度，同时降低了合金成本，因此具有良好的实际推广应用之价值。
为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：
本发明第一个方面，提供一种孪晶强化的镍基高温合金，所述镍基高温合金由以下重量百分比的成分组成：
Co：20.0～30.0％，Cr：10.0～15.0％，Mo：1.0～4.0％，W：1.0～5.0％， Al：3.0～9.0％，Ti：5.0～15.0％，Ta：1.0～7.0％，Re：1.0～8.0％，Ru：1.0～6.0％，余量为Ni。
本发明的第二个方面，提供上述孪晶强化的镍基高温合金的制备方法，所述制备方法包括：将合金元素原料进行熔炼，使得原材料熔炼均匀得铸材，然后对铸材进行热处理。
其中，所述熔炼优选采用电弧熔炼炉进行熔炼；
所述热处理过程具体包括：在1050-1100℃保温4-6小时后空冷；在 620-680℃时效20-28小时后空冷；然后在750-800℃时效18-22小时后空冷；进一步优选为在1100℃保温5小时后空冷；在660℃时效24小时后空冷；然后在760℃时效20小时后空冷。本发明通过优化合金成分，使得合金在退火处理以及蠕变过程中可以产生孪晶，而孪晶界则可以阻挡位错滑移，进一步提高合金强度，同时降低了合金成本。
本发明的第三个方面，提供上述孪晶强化的镍基高温合金在如下任意一种或多种的应用：
1)燃气轮机构件或制备燃气轮机构件；
2)飞机发动机构件或制备飞机发动机构件；
3)化工厂构件或制备化工厂构件；
4)涡轮增压器转子或制备涡轮增压器转子；
5)高温炉构件或制备高温炉构件。
其中，所述2)中，飞机发动机构件包括飞机发动机涡轮叶片。
上述一个或多个技术方案的有益技术效果：
上述技术方案合理通过特定比例的各个元素得到的镍基高温合金具有优异的高温强度和持久性能，同时不含有贵金属元素，使得合金的成本更低，更加有益于工业化生产；
上述技术方案中将各合金元素经过退火处理以及蠕变过程中可以产生孪晶，从而实现阻碍位错运动，达到强化高温合金的效果，同时也降低了合金成本，将本技术方案中制备得到的镍基高温合金应用于发动机涡轮叶片等领域，能够有效满足长时间高温度条件下使用要求，因此具有良好的实际应用之价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1中合金蠕变变形过程中存在的孪晶形貌特征图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如前所述，目前镍基高温合金主要是通过大量溶质元素的固溶强化来提高合金的强度，其原理是溶质原子可以阻挡位错的滑移，加入大量昂贵的合金元素则大大提高合金成本，不利于镍基高温合金的大规模应用。
有鉴于此，本发明的一个典型实施方式中，提供一种孪晶强化的镍基高温合金，所述镍基高温合金由以下重量百分比的成分组成：
Co：20.0～30.0％，Cr：10.0～15.0％，Mo：1.0～4.0％，W：1.0～5.0％， Al：3.0～9.0％，Ti：5.0～15.0％，Ta：1.0～7.0％，Re：1.0～8.0％，Ru：1.0～6.0％，余量为Ni。
在本发明的孪晶强化的镍基高温合金中，Co元素可以有效降低基体的堆垛层错能，提高层错出现的几率，使层错加宽，从而阻碍扩散位错滑移，使蠕变速率降低，蠕变抗力增加，提高高温强度。
Cr元素进入基体相中从而起到固溶强化作用，而且还能有效降低固溶体堆垛层错能，提高合金的高温持久强度；此外，Cr还能在合金表面形 Cr2O3氧化膜，保护合金免受高温氧化和腐蚀的作用。但是，镍基合金中 Cr含量过高促进有害相TCP相的析出倾向增大，破坏合金的组织稳定性。因此本发明中Cr含量控制范围为10.0％～15.0％。
Mo和W元素的原子半径均大于Ni原子，无论对γ和γˊ相都具有很强的固溶强化效果，可以有效提高合金的热强性。但是W、Mo也都是TCP 相形成元素，因此，过高含量的W、Mo会导致有害的TCP相和搭块碳化物析出，降低合金高温力学性能，因此本发明中W元素的含量控制为 1.0～4.0％，W元素的含量控制在1.0～5.0％。
Al和Ti元素都是γˊ相形成元素，其含量决定合金的强化相γ′的百分含量及其强化程度。而且，Al元素也是抗氧化元素，Ti也是MC碳化物形成元素。因此本发明中Al元素含量控制在3.0％～9.0％，Ti元素含量控制在 5.0％～15.0％，从而有效提高合金的耐高温持久性能。
Ta也是镍基单晶高温合金中γ′相的主要形成元素之一，同样可以有效提高合金的热强性，并且改善合金的铸造性能，但是，过高的Ta会使合金中的共晶含量升高，增大热处理的难度。因此，本合金中Ta的添加量控制为Ta 1.0～7.0％。
Re元素和Ru元素同属铂族元素，是对提高耐氧化性有效的合金成分，任何一种添加0.5％以上，则效果显著，但添加过量会诱发有害相的生成，因此，本合金中Re元素的添加量控制为Re：1.0～8.0％；Re元素的添加量控制为Ru：1.0～6.0％。
本发明的又一具体实施方式中，所述镍基高温合金由以下重量百分比的成分组成：
Co：25.0％，Cr：10.0％；Mo：3.0％；W：3.0％；Al：5.0％；Ti：10.0％； Ta：5.0％；Re：1.0％；Ru：1.0％，余量为Ni。
本发明的又一具体实施方式中，所述镍基高温合金由以下重量百分比的成分组成：
Co：20.0％，Cr：15.0％；Mo：2.0％；W：2.0％；Al：6.0％；Ti：5.0％； Ta：2.0％；Re：2.0％；Ru：3.0％，余量为Ni。
本发明的又一具体实施方式中，所述镍基高温合金由以下重量百分比的成分组成：
Co：30.0％，Cr：12.0％；Mo：1.0％；W：1.0％；Al：3.0％；Ti：15.0％； Ta：1.0％；Re：6.0％；Ru：5.0％，余量为Ni。
本发明的又一具体实施方式中，提供上述孪晶强化的镍基高温合金的制备方法，所述制备方法包括：将合金元素原料进行熔炼，使得原材料熔炼均匀得铸材，然后对铸材进行热处理。
其中，所述熔炼优选采用电弧熔炼炉进行熔炼；
所述热处理过程具体包括：在1050-1100℃保温4-6小时后空冷；在 620-680℃时效20-28小时后空冷；然后在750-800℃时效18-22小时后空冷；进一步优选为在1100℃保温5小时后空冷；在660℃时效24小时后空冷；然后在760℃时效20小时后空冷。本发明通过优化合金成分，使得合金在退火处理以及蠕变过程中可以产生孪晶，而孪晶界则可以阻挡位错滑移，进一步提高合金强度，同时降低了合金成本。
本发明的第三个方面，提供上述孪晶强化的镍基高温合金在如下任意一种或多种的应用：
1)燃气轮机构件或制备燃气轮机构件；
2)飞机发动机构件或制备飞机发动机构件；
3)化工厂构件或制备化工厂构件；
4)涡轮增压器转子或制备涡轮增压器转子；
5)高温炉构件或制备高温炉构件。
其中，所述2)中，飞机发动机构件包括飞机发动机涡轮叶片。
以下通过实施例对本发明做进一步解释说明，但不构成对本发明的限制。应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1
一种孪晶强化的镍基高温合金的制备方法，包括以下步骤：
S1、在电弧熔炼炉熔炼如下所示成分的合金元素原料，Co：25.0％， Cr：10.0％；Mo：3.0％；W：3.0％；Al：5.0％；Ti：10.0％；Ta：5.0％；Re：1.0％；Ru：1.0％，余量为Ni(重量百分比)。使得原材料熔炼均匀得铸材。
S2、对铸材进行热处理，热处理具体条件为：在1100℃保温5小时后空冷；在660℃时效24小时后空冷；然后在760℃时效20小时后空冷。
图1为本实施例中合金蠕变变形过程中存在的孪晶形貌特征，孪晶界则可以阻挡位错滑移，进一步提高合金强度，同时降低了合金成本。
实施例2
一种孪晶强化的镍基高温合金的制备方法，包括以下步骤：
S1、在电弧熔炼炉熔炼如下所示成分的合金元素原料，Co：20.0％， Cr：15.0％；Mo：2.0％；W：2.0％；Al：6.0％；Ti：5.0％；Ta：2.0％；Re： 2.0％；Ru：3.0％，余量为Ni(重量百分比)。使得原材料熔炼均匀得铸材。
S2、对铸材进行热处理，热处理具体条件为：在1100℃保温5小时后空冷；在660℃时效24小时后空冷；然后在760℃时效20小时后空冷。
实施例3
一种孪晶强化的镍基高温合金的制备方法，包括以下步骤：
S1、在电弧熔炼炉熔炼如下所示成分的合金元素原料，Co：30.0％， Cr：12.0％；Mo：1.0％；W：1.0％；Al：3.0％；Ti：15.0％；Ta：1.0％； Re：6.0％；Ru：5.0％，余量为Ni(重量百分比)。使得原材料熔炼均匀得铸材。
S2、对铸材进行热处理，热处理具体条件为：在1100℃保温5小时后空冷；在660℃时效24小时后空冷；然后在760℃时效20小时后空冷。
应注意的是，以上实例仅用于说明本发明的技术方案而非对其进行限制。尽管参照所给出的实例对本发明进行了详细说明，但是本领域的普通技术人员可根据需要对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种孪晶强化的镍基高温合金，其特征在于，所述镍基高温合金由以下重量百分比的成分组成：
Co：20.0～30.0％，Cr：10.0～15.0％，Mo：1.0～4.0％，W：1.0～5.0％，Al：3.0～9.0％，Ti：5.0～15.0％，Ta：1.0～7.0％，Re：1.0～8.0％，Ru：1.0～6.0％，余量为Ni。
2.如权利要求1所述的所述孪晶强化的镍基高温合金，其特征在于，镍基高温合金由以下重量百分比的成分组成：
Co：25.0％，Cr：10.0％；Mo：3.0％；W：3.0％；Al：5.0％；Ti：10.0％；Ta：5.0％；Re：1.0％；Ru：1.0％，余量为Ni。
3.如权利要求1所述的所述孪晶强化的镍基高温合金，其特征在于，所述镍基高温合金由以下重量百分比的成分组成：
Co：20.0％，Cr：15.0％；Mo：2.0％；W：2.0％；Al：6.0％；Ti：5.0％；Ta：2.0％；Re：2.0％；Ru：3.0％，余量为Ni。
4.如权利要求1所述的所述孪晶强化的镍基高温合金，其特征在于，所述镍基高温合金由以下重量百分比的成分组成：
Co：30.0％，Cr：12.0％；Mo：1.0％；W：1.0％；Al：3.0％；Ti：15.0％；Ta：1.0％；Re：6.0％；Ru：5.0％，余量为Ni。
5.权利要求1-4任一项所述孪晶强化的镍基高温合金的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：将合金元素原料进行熔炼，使得原材料熔炼均匀得铸材，然后对铸材进行热处理。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述熔炼采用电弧熔炼炉进行熔炼。
7.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述热处理过程具体包括：在1050-1100℃保温4-6小时后空冷；在620-680℃时效20-28小时后空冷；然后在750-800℃时效18-22小时后空冷。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，热处理过程具体包括：在1100℃保温5小时后空冷；在660℃时效24小时后空冷；然后在760℃时效20小时后空冷。
9.权利要求1-4任一项所述孪晶强化的镍基高温合金或权利要求5-8任一项所述制备方法制备得到的镍基高温合金在如下任意一种或多种的应用：
1)燃气轮机构件或制备燃气轮机构件；
2)飞机发动机构件或制备飞机发动机构件；
3)化工厂构件或制备化工厂构件；
4)涡轮增压器转子或制备涡轮增压器转子；
5)高温炉构件或制备高温炉构件。
10.如权利要求9所述应用，其特征在于，所述2)中，飞机发动机构件包括飞机发动机涡轮叶片。
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