一種鎳基高溫合金及其制備方法與流程

本發明涉及高溫合金
技術領域：
，尤其涉及一種鎳基高溫合金及其制備方法。
背景技術：
：通常來說，高溫合金是指在600℃以上及一定應力條件下能夠長期工作的高溫金屬材料，具有優異的高溫強度，良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能，良好的疲勞性能、斷裂韌性等綜合性能。隨著工業的高速發展，高溫合金在各個領域中展現出了良好的應用前景，主要用于制造燃氣渦輪發動機的渦輪葉片、導向葉片、渦輪盤、高壓壓氣機盤和燃燒室等高溫部件。高溫合金材料按照制備工藝可分為變形高溫合金、鑄造高溫合金和粉末冶金高溫合金。高溫合金材料按基體元素主要可分為鐵基高溫合金、鎳基高溫合金和鈷基高溫合金。由于鐵基高溫合金組織不夠穩定抗氧化性較差，高溫強度不足，不能在更高溫度條件下應用，只能在中等溫度(600～800℃)條件下使用；而鈷是一種重要的戰略資源，世界上大多數國家缺鈷，以至于，鈷基合金的發展受到了鈷資源的限制。因而，以鎳為基體(含量一般大于50％)的鎳基高溫合金成為了目前高溫合金中應用最廣、高溫強度最高的一類合金，其在650～1000℃范圍內具有較的強度和良好的抗氧化性、抗燃氣腐蝕能力的高溫合金。鎳基高溫合金具有諸多優點，一是可以溶解較多的合金元素，且能保持較好的穩定性；二是可以形成共格有序的A3B型金屬間化合物γ’-[Ni(Al,Ti)]相作為強化相，使合金的得到有效的強化，獲得比鐵基高溫合金和鈷基高溫合金更高的高溫強度；三是含鉻的鎳基合金具有比鐵基高溫合金更好的抗氧化和抗燃氣腐蝕能力，通常其可以含有十多種元素，而Cr主要起抗氧化和抗腐蝕作用，其他元素主要起強化作用。盡管鎳基高溫合金具有高溫組織穩定性、抗疲勞、耐腐蝕及抗氧 化等性能，但是高溫長期服役的鎳基合金在疲勞強度、屈服強度和極限抗拉強度等力學性能方面均會出現明顯下降。因而，如何提高高溫長期服役的鎳基合金的穩定性和高溫力學性能，成了業內亟待解決的關鍵問題。技術實現要素：本發明要解決的技術問題在于提供一種鎳基高溫合金及其制備方法，尤其是一種高Co冶金鎳合金。本發明提供的鎳基高溫合金在長期高溫的條件下，具有較好的力學性能穩定性。本發明公開了一種高溫合金，其特征在于，按質量百分比組成包括：余量為Ni。優選的，包括25.5～26.5％的Co。優選的，包括12.7～13.3％的Cr。優選的，包括3.1～3.3％的Al。優選的，包括3.6～3.8％的Ti。優選的，包括3.85～4.15％的W。優選的，包括3.85～4.15％的Mo。優選的，包括0.85～1.05％的Nb。本發明提供一種高溫合金，其特征在于，按質量百分比組成包括：余量為Ni。本發明還提供一種高溫合金，其特征在于，按質量百分比組成包括：余量為Ni。本發明提供一種物品，其特征在于，所述物品用于燃氣渦輪發動機，且按質量百分比組成，包含由以下元素形成的高溫合金：余量為Ni。優選的，包括25.5～26.5％的Co。優選的，包括12.7～13.3％的Cr。優選的，包括3.1～3.3％的Al。優選的，包括3.6～3.8％的Ti。優選的，包括3.85～4.15％的W。優選的，包括3.85～4.15％的Mo。優選的，包括0.85～1.05％的Nb。優選的，其特征在于，所述物品用于燃氣渦輪發動機的熱端部件。本發明提供一種物品，其特征在于，所述物品用于燃氣渦輪發動機，且按質量百分比組成，包含由以下元素形成的高溫合金：余量為Ni。優選的，所述物品用于燃氣渦輪發動機的熱端部件。本發明還提供一種物品，其特征在于，所述物品用于燃氣渦輪發動機，且按質量百分比組成，包含由以下元素形成的高溫合金：余量為Ni。優選的，所述物品用于燃氣渦輪發動機的熱端部件。本發明一種鎳基高溫合金及其制備方法，尤其是一種粉末高Co冶金鎳合金，以及由此得到的制造物品，按質量百分比組成包括：Co：25～27％，Cr：12.5～13.5％，Al：3.0～3.4％，Ti：3.5～3.9％，W：3.75～4.25％，Mo：3.75～4.25％，Nb：0.75～1.15％，Hf：0.17～0.23％，C：0.04～0.06％，B：0.003～0.015％，Zr：0.03～0.07％，余量為Ni。與現有技術相比，本發明通過采用Nb元素代替Ta元素來提高TCP相形成的門檻值，從而降低高溫合金材料在高溫長時間服役過程中的析出能力，提高材料的組織穩定性。通過增加Co的含量來提高固溶強化效果，添加合 金元素Hf提高γ’相的穩定性。而且，Hf不僅可進入γ′、MC和γ相中提高其穩定性，還可與氧結合，凈化晶界，Hf還是強碳化物形成元素，在粉末顆粒內能形成更穩定的碳化物，有效的改善原始顆粒邊界(PPB)的析出，從而在根本上，解決高溫長期服役的鎳基高溫合金，產生的TCP相(拓撲密排相，如sigma相、μ相等)嚴重影響合金材料的疲勞性能的問題，以及高溫服役過程中γ’相的粗化也會降低合金材料的屈服強度和極限抗拉強度的現象。實驗結果表明，其各項指標能夠優于現有的高溫合金，尤其是現有的粉末冶金高溫合金。采用本發明所設計的高溫合金，制備的物品，尤其制備燃氣渦輪發動機，特別是制備其關鍵熱端部件，均具有較好的力學性能和高溫長期服役的組織穩定性，以及較好的合金承溫能力。附圖說明圖1為本發明實施例1中的高溫合金CSU-A1與第二代典型的粉末冶金高溫合金在870℃下的γ’強化相含量對比圖；圖2為本發明實施例1中的高溫合金CSU-A1與第二代典型的粉末冶金高溫合金的γ’相完全溶解溫度對比圖；圖3為本發明實施例1中的高溫合金CSU-A1與第二代典型的粉末冶金高溫合金的有害相Σ相的開始析出溫度和完全溶解溫度對比圖；圖4為本發明實施例1中的高溫合金CSU-A1與第二代典型的粉末冶金高溫合金的有害相Σ相的最大摩爾含量對比圖；圖5為本發明實施例1中的高溫合金CSU-A1與第二代典型的粉末冶金高溫合金的固液相線的差值對比圖。具體實施方式為了進一步了解本發明，下面結合實施例對本發明的優選實施方案進行描述，但是應當理解，這些描述只是為進一步說明本發明的特征和優點而不是對本發明專利要求的限制。本發明所用原料，對其來源沒有特別限制，在市場上購買的或是按照本領域技術人員熟知的制備方法制備得到即可。本發明所述高溫合金及其制備的物品，對其制備方法和其它原料的來源沒有特別限制，按照本領域技術人員熟知的制備方法制備得到或是在市場上購買的即可。本發明公開了一種高溫合金，其特征在于，按質量百分比組成包括：余量為Ni。本發明提供的高溫合金，即一種粉末高Co冶金鎳合金，按質量百分比組成，所述元素Nb的質量百分比含量優選為0.75～1.15％，更優選為0.85～1.05％，更優選為0.90～1.00％，最優選為0.95％；本發明對元素Nb的來源沒有特別限定，以本領域技術人員熟知的元素Nb的來源或市售的元素Nb即可；本發明對元素Nb的純度沒有特別限制，以本領域技術人員熟知的用于制備高溫合金的元素Nb的純度即可。本發明通過采用0.75～1.15％的元素Nb代替元素Ta來提高TCP相形成的門檻值，從而降低高溫合金材料在高溫長時間服役過程中的析出能力，提高材料的組織穩定性。按質量百分比組成，所述元素Co的質量百分比含量優選為25.0～27.0％，更優選為25.5～26.5％，更優選為25.7～26.3％，更優選為25.9～26.1％，最優選為26％；本發明對元素Co的來源沒有特別限定， 以本領域技術人員熟知的元素Co的來源或市售的元素Co即可；本發明對元素Co的純度沒有特別限制，以本領域技術人員熟知的用于制備高溫合金的元素Co的純度即可。本發明通過增加元素Co的含量來提高固溶強化效果。按質量百分比組成，所述元素Hf的質量百分比含量優選為0.17～0.23％，更優選為0.18～0.22％，更優選為0.19～0.21％，最優選為0.20％；本發明對元素Hf的來源沒有特別限定，以本領域技術人員熟知的元素Hf的來源或市售的元素Hf即可；本發明對元素Hf的純度沒有特別限制，以本領域技術人員熟知的用于制備高溫合金的元素Hf的純度即可。本發明在所述高溫合金中，添加合金元素Hf提高γ’相的穩定性，元素Hf不僅可進入γ′、MC和γ相中提高其穩定性，還可與氧結合，凈化晶界，而且Hf是強碳化物形成元素，在粉末顆粒內能形成更穩定的碳化物，是改善原始顆粒邊界(PPB)析出的有效途徑。按質量百分比組成，所述元素Al的質量百分比含量優選為3.0～3.4％，更優選為3.1～3.3％，更優選為3.13～3.28％，更優選為3.15～3.25％，最優選為3.2％；本發明對元素Al的來源沒有特別限定，以本領域技術人員熟知的元素Al的來源或市售的元素Al即可；本發明對元素Al的純度沒有特別限制，以本領域技術人員熟知的用于制備高溫合金的元素Al的純度即可。按質量百分比組成，所述元素Ti的質量百分比含量優選為3.5～3.9％，更優選為3.55～3.85％，更優選為3.60～3.80％，更優選為3.65～3.75％，最優選為3.7％；本發明對元素Ti的來源沒有特別限定，以本領域技術人員熟知的元素Ti的來源或市售的元素Ti即可；本發明對元素Ti的純度沒有特別限制，以本領域技術人員熟知的用于制備高溫合金的元素Ti的純度即可。按質量百分比組成，所述元素W的質量百分比含量優選為3.75～4.25％，更優選為3.85～4.15％，更優選為3.88～4.13％，更優選為3.95～4.05％，最優選為4.0％；本發明對元素W的來源沒有特別限定， 以本領域技術人員熟知的元素W的來源或市售的元素W即可；本發明對元素W的純度沒有特別限制，以本領域技術人員熟知的用于制備高溫合金的元素W的純度即可。按質量百分比組成，所述元素Mo的質量百分比含量優選為3.75～4.25％，更優選為3.85～4.15％，更優選為3.88～4.13％，更優選為3.95～4.05％，最優選為4.0％；本發明對元素Mo的來源沒有特別限定，以本領域技術人員熟知的元素Mo的來源或市售的元素Mo即可；本發明對元素Mo的純度沒有特別限制，以本領域技術人員熟知的用于制備高溫合金的元素Mo的純度即可。按質量百分比組成，所述元素Cr的質量百分比含量優選為12.5～13.5％，更優選為12.6～13.4％，更優選為12.7～13.3％，更優選為12.8～13.2％，最優選為13％；本發明對元素Cr的來源沒有特別限定，以本領域技術人員熟知的元素Cr的來源或市售的元素Cr即可；本發明對元素Cr的純度沒有特別限制，以本領域技術人員熟知的用于制備高溫合金的元素Cr的純度即可。按質量百分比組成，所述元素C的質量百分比含量優選為0.04～0.06％，更優選為0.042～0.057％，更優選為0.045～0.055％，更優選為0.047～0.053％，最優選為0.05％；本發明對元素C的來源沒有特別限定，以本領域技術人員熟知的元素C的來源或市售的元素C即可；本發明對元素C的純度沒有特別限制，以本領域技術人員熟知的用于制備高溫合金的元素C的純度即可。按質量百分比組成，所述元素B的質量百分比含量優選為0.003～0.015％，更優選為0.005～0.012％，更優選為0.007～0.011％，更優選為0.008～0.01％，最優選為0.009％；本發明對元素B的來源沒有特別限定，以本領域技術人員熟知的元素B的來源或市售的元素B即可；本發明對元素B的純度沒有特別限制，以本領域技術人員熟知的用于制備高溫合金的元素B的純度即可。按質量百分比組成，所述元素Zr的質量百分比含量優選為0.03～0.07％，更優選為0.035～0.065％，更優選為0.04～0.06％，更優選 為0.045～0.055％，最優選為0.05％；本發明對元素Zr的來源沒有特別限定，以本領域技術人員熟知的元素Zr的來源或市售的元素Zr即可；本發明對元素Zr的純度沒有特別限制，以本領域技術人員熟知的用于制備高溫合金的元素Zr的純度即可。本發明對元素Ni的來源沒有特別限定，以本領域技術人員熟知的元素Ni的來源或市售的元素Ni即可；本發明對元素Ni的純度沒有特別限制，以本領域技術人員熟知的用于制備高溫合金的元素Ni的純度即可。本發明提供一種高溫合金，其特征在于，按質量百分比組成包括：余量為Ni。本發明提供的上述含Co粉末冶金高溫合金，將Co的含量提高了將近1倍左右，同時提高Nb的含量到0.95wt％，并添加了0.2wt％的Hf。經檢測，相比第二代粉末冶金高溫合金Rene88、U720Li、FGH96，其主要強化相γ’相的完全溶解溫度和體積百分比高，同時，有害相sigma相、μ相的析出溫度提高和重量百分比含量降低，由此增加了合金的高溫組織穩定性和強度。本發明還提供了一種高溫合金，其特征在于，按質量百分比組成包括：余量為Ni。本發明提供的所述粉末高Co冶金高溫鎳合金，相對第二代粉末冶金高溫合金具有更好的組織穩定性和高溫強度，合金承溫能力比第二代粉末冶金高溫合金進一步提高。本發明提供一種物品，其特征在于，所述物品用于燃氣渦輪發動機，且按質量百分比組成，包含由以下元素形成的高溫合金：余量為Ni。本發明所述物品中，包含的高溫合金中的元素優選方案與前述高溫合金中的元素優選方案相同，在此不再一一贅述；本發明所述物品優選用于燃氣渦輪發動機，更優選用于燃氣渦輪發動機的熱端部件。本發明對所述燃氣渦輪發動機的型號沒有特別限制，以本領域技術人員熟知的采用高溫合金的型號即可；本發明對所述燃氣渦輪發動機的其他條件沒有特別限制，以本領域技術人員熟知的燃氣渦輪發動機的常規條件即可。本發明所述含Co高溫合金，作為用于燃氣渦輪發動機的高溫材料，特別適用于關鍵熱端部件的鎳基粉末冶金高溫合金，以及由此制造的相關材料及其構件，本發明所述高溫合金相對第二代粉末冶金高溫合金具有更好的組織穩定性和高溫強度，合金承溫能力比第二代粉末冶金高溫合金進一步提高。本發明為進一步提高高溫合金的高溫力學強度和穩定性，還提供了另外用于制造燃氣渦輪發動機，特別是制造關鍵熱端部件的具體技術方案，包括，本發明提供一種物品，其特征在于，所述物品用于燃氣渦輪發動機，且按質量百分比組成，包含由以下元素形成的高溫合金：Co：26％，Cr：13％，Al：3.2％，Ti：3.7％，W：4.0％，Mo：4.0％，Nb：0.95％，Hf：0.2％，C：0.05％，B：0.009％，Zr：0.05％，余量為Ni。以及本發明還提供一種物品，其特征在于，所述物品用于燃氣渦輪發動機，且按質量百分比組成，包含由以下元素形成的高溫合金：Co：25.8％，Cr：13％，Al：3.15％，Ti：3.65％，W：4.1％，Mo：4.1％，Nb：1.0％，Hf：0.2％，C：0.05％，B：0.009％，Zr：0.05％，余量為Ni。本發明提供的鎳基高溫合金及其制備方法，尤其是一種粉末高Co冶金鎳基高溫合金，以及由此制備的燃氣渦輪發動機，特別是燃氣渦輪發動機的關鍵熱端部件，針對原始顆粒邊界是粉末冶金高溫合金的三大缺陷之一，相應的缺陷控制和組織穩定性直接決定合金的高溫性能和構件的壽命的問題，以及粉末冶金高溫合金中的典型有害相(如 sigma相、μ相等)是材料及構件在長期服役過程中易產生疲勞裂紋導致失效的主要因素之一，基于粉末冶金高溫合金的強化方式主要為固溶強化方式和沉淀強化方式。本發明采用Nb元素代替Ta元素來提高TCP相形成的門檻值，從而降低高溫合金材料在高溫長時間服役過程中的析出能力，提高材料的組織穩定性。增加Co的含量可提高合金的固溶強化能力，提高其高溫強度，添加Hf可提高沉淀強化主要因素γ’相的穩定性，從而提高合金的高溫性能。應用先進的合金設計方法，充分發揮固溶強化、沉淀強化的作用，降低有害相的形成傾向、存在范圍及含量，平衡了各強化元素W、Mo、Nb、Al、Ti在合金中的含量，經過篩選，設計了高Co、加Hf的高Co粉末冶金高溫鎳合金，實驗結果表明，其各項指標優于典型的第二代粉末冶金高溫合金。采用本發明所設計的高溫合金，制備的物品，尤其制備燃氣渦輪發動機，特別是制備其關鍵熱端部件，均具有較好的力學性能和高溫長期服役的組織穩定性，以及較好的合金承溫能力。為了進一步說明本發明，以下結合實施例對本發明提供的高Co粉末冶金高溫鎳合金進行詳細描述。實施例1本發明對實施例中所用原料，對其來源沒有特別限制，在市場上購買的或是按照本領域技術人員熟知的制備方法制備得到即可。本發明對實施例中所述高Co粉末冶金高溫鎳合金的制備方法和其它原料的來源沒有特別限制，按照本領域技術人員熟知的制備方法制備得到或是在市場上購買的即可。本發明按照一定的合金成分配比制備得到粉末冶金高溫鎳合金CSU-A1，并與現有的典型的第二代粉末冶金高溫合金進行成分對比，對比結果，參見表1，表1為本發明實施例1得到的高溫合金與第二代典型粉末冶金高溫合金的成分對比。表1實施例1得到的高溫合金與第二代典型粉末冶金高溫合金的成分對比CSU-A1Rene88(DT)U720LiFGH96Ni余量余量余量余量Co26131513Cr13161616Al3.22.12.52.2Ti3.73.75.03.7W4.04.01.254.0Mo4.04.03.04.0Ta0000.02Nb0.950.75(0.7)00.8Hf0.2000C0.050.04(0.03)0.0250.03B0.0090.02(0.015)0.0180.01Zr0.050.04(0.03)0.050.04從表1可以看出，本發明設計的合金CSU-A1與第二代粉末冶金高溫合金比較具有以下特征：與Rene88相比，提高元素Co的質量百分比約1倍，并增加了元素Hf；與U720Li相比，提高元素Co的質量百分比約1倍，并增加了元素Nb和元素Hf；與國內FGH96相比，提高元素Co的質量百分比約1倍，并增加了元素Hf。對本發明實施例1設計的高溫合金CSU-A1與第二代典型的粉末冶金高溫合金進行性能檢測。參見圖1，圖1為本發明實施例1中的高溫合金CSU-A1與第二代典型的粉末冶金高溫合金在870℃下的γ’強化相含量對比圖。由圖1可知，在870℃的高溫條件下，實施例1設計的高溫合金，其γ’強化相含量高于Rene88和FGH96，與U720Li相當。參見圖2，圖2為本發明實施例1中的高溫合金CSU-A1與第二代典型的粉末冶金高溫合金的γ’相完全溶解溫度對比圖。由圖2可知，實施例1設計的高溫合金，其γ’相固溶溫度與U720Li相當，比Rene88提高約50℃，比FGH96提高約40℃。這表明本發明設計的高溫合金的高溫強化相--γ’相的穩定性明顯優于第二代粉末冶金高溫合金。參見圖3，圖3為本發明實施例1中的高溫合金CSU-A1與第二代典型的粉末冶金高溫合金的有害相Σ相的開始析出溫度和完全溶解溫度對比圖。由圖3可知，實施例1設計的高溫合金，其Σ相的開始析出溫度最高，完全溶解溫度相當，Σ相可形成溫度區間最小，這表明，本發明設計的高溫合金對抑制和控制Σ相的形成具有明顯的優勢。參見圖4，圖4為本發明實施例1中的高溫合金CSU-A1與第二代典型的粉末冶金高溫合金的有害相Σ相的最大摩爾含量對比圖。由圖4可知，實施例1設計的高溫合金，其Σ相可形成的總量最小，這表明，本發明設計的高溫合金對抑制和控制Σ相的形成具有明顯的優勢。參見圖5，圖5為本發明實施例1中的高溫合金CSU-A1與第二代典型的粉末冶金高溫合金的固液相線的差值對比圖。從上述檢測結果以及說明可以看出，本發明實施例1設計的高Co粉末冶金高溫鎳合金，相比原有的二代粉末冶金高溫合金，降低了在高溫長時間服役過程中的析出能力，提高材料的組織穩定性。增加了固溶強化能力，提高了高溫強度，提高了γ’相的穩定性，從而提高了合金的高溫性能，其各項指標優于典型的第二代粉末冶金高溫合金。如本文使用，以單數并用單詞“一個”或“一種”進行描述的元素或步驟應理解為不排除復數形式的元素或步驟，除非明確敘述這樣的排除。另外，提及本發明的“單一實施例”不應解釋為排除存在也包括所述特征的另外的實施方案。以上對本發明提供的一種鎳基高溫合金及其制備方法進行了詳細的介紹，本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發明的方法及其核心思 想，包括最佳方式，并且也使得本領域的任何技術人員都能夠實踐本發明，包括制造和使用任何裝置或系統，和實施任何結合的方法。應當指出，對于本
技術領域：
的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以對本發明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發明權利要求的保護范圍內。本發明專利保護的范圍通過權利要求來限定，并可包括本領域技術人員能夠想到的其他實施例。如果這些其他實施例具有不是不同于權利要求文字表述的結構要素，或者如果它們包括與權利要求的文字表述無實質差異的等同結構要素，那么這些其他實施例也應包含在權利要求的范圍內。當前第1頁1 2 3