一種含鋯鎳基高溫合金及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及高溫合金技術(shù)領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種含錯(cuò)儀基高溫合金及制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 高溫合金由于具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能和抗氧化、耐腐蝕能力而成為石化、核能、 航空等工業(yè)領(lǐng)域承受高溫、腐蝕、載荷等惡劣使用環(huán)境關(guān)鍵部件不可或缺的材料。儀基合金 W優(yōu)異的抗氧化、抗腐蝕成為高溫合金中應(yīng)用最廣、高溫強(qiáng)度最高的一類合金。儀基高溫合 金中一般含有較高的合金元素，例如Cr、Mo、W、Co等，此類合金元素大多是我國的戰(zhàn)略合金 資源，原材料價(jià)格較高，因此增加儀基高溫合金的制造成本，近年來，通過延長合金使用壽 命W提高零件的使用安全性成為降低合金使用成本的有效方式，同時(shí)也是合金的研究熱 點(diǎn)。
[0003] 在高溫合金中，一些微量元素可很低的含量顯著影響其力學(xué)性能，成為高溫 合金領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。但微量元素對(duì)高溫合金的影響往往具有多樣性，一些通常認(rèn)為是有 害或者有益的元素，在不同條件下，其作用可W發(fā)生較大地甚至是相反的轉(zhuǎn)化，不同的合金 體系下，不同的微量元素對(duì)合金的作用和規(guī)律和作用機(jī)理不盡相同。
[0004] 錯(cuò)在一些高溫合金中被看做一個(gè)清潔元素，通過與C和S的結(jié)合形成碳化物和碳硫 化合物，并降低運(yùn)些元素在晶界的固溶濃度，因此加入錯(cuò)有助于凈化晶界，增強(qiáng)晶界結(jié)合 力，進(jìn)而有利于保持合金的高溫強(qiáng)度和持久塑性。Decker等發(fā)現(xiàn)錯(cuò)加入到高溫合金中可W 提高其熱加工性能和蠕變性能，Darmara等也證實(shí)15ppm的B就可W使Waspaloy合金的斷裂 壽命和塑性翻倍。但在K4169合金中，錯(cuò)對(duì)K4169合金的凝固組織是不利的，錯(cuò)的加入促進(jìn) 了合金中師、Mo、Ti等元素的偏析，使鑄態(tài)合金晶界析出的有害相Laves相和碳化物數(shù)量增 多。Antony and Radavich也證實(shí)，錯(cuò)對(duì)高溫合金持久壽命不利。因此，錯(cuò)對(duì)不同合金作用機(jī) 理不盡相同。另外，雖然少量錯(cuò)可能對(duì)某些合金有利，但過量會(huì)可能適得其反。因此添加合 適的微量元素、控制微量元素的最佳成分范圍W提高儀基高溫合金使用壽命是本領(lǐng)域中需 要解決的技術(shù)難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 鑒于上述的分析，本發(fā)明旨在提供一種含錯(cuò)儀基高溫合金及制備方法，通過在儀 基高溫合金中添加適量的微量元素錯(cuò)，從而增加儀基高溫合金的使用壽命，進(jìn)而提高零件 的使用安全性和降低成本。
[0006] 本發(fā)明的目的主要是通過W下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0007] 本發(fā)明一種含錯(cuò)儀基高溫合金，W質(zhì)量百分比計(jì)，包括:錯(cuò):0.001 %~0.1 %，碳： < 0.1 %，銘：12% ~20%，鋼：<4.0%，鶴 <6%，鉆：5%~12%，鐵：<14%，妮：4.0% ~ 8.0%，侶:0.6% ~2.6%，鐵:0.4% ~1.4%，憐:0.003% ~0.03%，棚:0.003% ~0.015%， 余量為儀；所述儀基高溫合金中強(qiáng)化相丫 /相含量為22 %~27 % ;晶界強(qiáng)化相n-NisAlo.sNbo.s 含量為 1.5% ~7.0%。
[000引對(duì)本發(fā)明所述儀基高溫合金各元素作進(jìn)一步說明：
[0009] 錯(cuò)是本發(fā)明重要的添加元素，錯(cuò)有助于凈化晶界，增強(qiáng)晶界結(jié)合力，有助于保持合 金高溫強(qiáng)度和持久塑性的同時(shí)，增加合金的表面保護(hù)性氧化膜的粘附能力。同時(shí)本發(fā)明合 金中錯(cuò)的另一個(gè)重要作用是可W顯著提高合金的持久壽命，隨著錯(cuò)含量增加，合金的持久 壽命逐漸延長，并在0.01 %~0.1 %達(dá)到最大值，然后隨著錯(cuò)含量的增加其持久壽命逐漸降 低；另外，當(dāng)錯(cuò)含量超過0.1%時(shí)合金的熱加工能力會(huì)降低，裂紋產(chǎn)生傾向性增加。因此，本 發(fā)明合金中錯(cuò)的最佳控制范圍為0.001 %~0.1 %。
[0010] 碳作為強(qiáng)化元素形成碳化物對(duì)合金強(qiáng)度有利，碳具有在誘注時(shí)保證烙融金屬的流 動(dòng)性的作用。C可與Ti和師一起形成一次碳化物MC，有助于控制晶粒尺寸，含量過高時(shí)會(huì)過 多消耗掉Ti和佩，應(yīng)當(dāng)保持在0.1 % W下。
[0011] 銘是提高儀基高溫合金的抗氧化性能、抗腐蝕性能和高溫強(qiáng)度的重要元素，也是 晶界碳化物的主要形成元素，但銘含量過高時(shí)會(huì)影響合金的組織穩(wěn)定性和加工性能，一般 來說，銘的含量一般控制在12%~20%。
[0012] 鉆有益于儀基合金的高溫?zé)釓?qiáng)性的提高，而且對(duì)抗高溫?zé)岣g有益。鉆可W降低 堆煤層錯(cuò)能，起到良好的固溶強(qiáng)化作用。當(dāng)鉆含量低于5%時(shí)，高溫強(qiáng)度降低。然而Co作為一 種價(jià)格偏高的戰(zhàn)略性稀缺元素，過量的鉆會(huì)促進(jìn)合金中不利性能的有害相形成，同時(shí)會(huì)影 響合金的可鍛性。因此，鉆含量限制在5%~12%之間。
[0013] 鋼進(jìn)入儀基合金的基體，起重要的固溶強(qiáng)化作用。但是，當(dāng)過量鋼進(jìn)入時(shí)，不僅降 低合金的抗腐蝕性能，而且會(huì)促進(jìn)有害相的形成，并使高溫加工性能變差，因此，鋼含量控 制在<4.0%。
[0014] 鶴在合金中起固溶強(qiáng)化作用。鶴原子半徑比較大，比基體儀的半徑大百分之十幾， 固溶強(qiáng)化作用明顯，特別是鶴與鋼同時(shí)加入起到復(fù)合的固溶強(qiáng)化作用更為有利，但是鶴是 加速熱腐蝕的一種元素，因此，其含量控制在^ 6%。
[0015] 妮與儀的原子半徑差別比鋼和鶴與儀的差別還大，是本發(fā)明合金中重要的析出強(qiáng) 化和固溶強(qiáng)化元素，和侶和鐵一起作為丫 /相和n-Ni3Alo.5Nbo.5相的形成元素。但是必須適 量控制妮，過量的妮不僅會(huì)促進(jìn)凝固偏析，增加形成黑斑、白斑的風(fēng)險(xiǎn)，也會(huì)降低氧化膜的 保護(hù)性能。因此，妮的最佳控制范圍為4.0%~8.0%。
[0016] 鐵是一種重要的γ/相的強(qiáng)化元素，鐵元素同時(shí)也是重要的晶粒尺寸穩(wěn)定劑，與妮 一起形成一次碳化物(Ti，Nb)C。但是鐵含量過高時(shí)會(huì)促進(jìn)有害相的形成，并容易發(fā)生內(nèi)氧 化而降低合金基體的塑性。綜合考慮，鐵的最佳控制范圍為0.4%~1.4%。
[0017] 侶與鐵和妮一起與儀形成γ /強(qiáng)化相。侶也是穩(wěn)定γ /相和抑制有害相形成的一個(gè) 重要元素。侶含量過低時(shí)，強(qiáng)化效果不明顯，高溫強(qiáng)度會(huì)降低;含量過高時(shí)將顯著降低合金 的塑性和初性，降低合金的加工溫度范圍。同時(shí)，在高溫硫化環(huán)境中，高侶含量會(huì)導(dǎo)致內(nèi)氧 化和內(nèi)硫化腐蝕增加。因此，侶限制在0.6%~2.6%。
[0018] 棚是一種微合金化元素，棚在晶界富集，增加晶界結(jié)合力。晶界棚化物可W阻止晶 界滑移和空桐的連接和擴(kuò)展，對(duì)提高合金的蠕變持久性能非常明顯，存在一個(gè)最佳的含量 范圍，本發(fā)明合金中控制在0.003%~0.015%。
[0019] 憐具有雙重作用，憐可W向晶界偏聚，增加晶間結(jié)合力，從而顯著提高合金的持久 蠕變性能，并在0.003 %~0.03 %時(shí)達(dá)到最大值。但過量憐會(huì)在晶界偏析嚴(yán)重，使晶界連接 強(qiáng)度降低，導(dǎo)致合金熱加工性能和焊接性能顯著降低；因此，本發(fā)明合金中憐的最佳控制范 圍為0.003%~0.03%。
[0020] 鐵加入儀基高溫合金中，不僅可W降低成本，而且降低儀基奧氏體的堆煤層錯(cuò)能， 提高其屈服強(qiáng)度，起到固溶強(qiáng)化作用。但鐵從低溫到高溫要發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，為了使合金 在常溫具有穩(wěn)定的奧氏體基體，鐵的含量不能過高，因此，本發(fā)明合金中鐵的最佳控制范圍 為 < 14%。
[0021] 儀是最重要的基體組成元素和析出強(qiáng)化相丫 /相及n-Ni3Alo.5Nbo.5的形成元素，為 了保證組織的穩(wěn)定性和獲得足夠的高溫強(qiáng)度、初塑性W及使合金具有良好的加工能力。
[0022] 本發(fā)明一種含錯(cuò)儀基高溫合金的制備方法，包括冶煉、鍛造開巧和熱處理過程， 所述冶煉和鍛造開巧具體如下：
[0023] (1)冶煉:采用真空感應(yīng)烙煉和真空自耗重烙兩聯(lián)冶煉工藝，具體為：
[0024] 所述真空感應(yīng)烙煉:按照所述儀基高溫合金的元素配比原則稱取一定量的能夠獲 得錯(cuò)、碳、銘、鋼、鶴、鉆、鐵、妮、侶、鐵、憐、棚及儀元素的冶煉原料，將所述冶煉原料加入真 空感應(yīng)爐中，在真空條件下經(jīng)全烙、精煉、除雜處理后出鋼誘鑄形成合金錠；
[0025] 所述真空自耗重烙：將所述合金錠在自耗重烙爐中進(jìn)行真空自耗重烙，烙速為 3.Okg/min~5.Okg/min;
[00%] (2)鍛造開巧:將所述合金錠在加熱爐中加熱至在1100°C~1240°C，加熱時(shí)間為 1化~50h，然后經(jīng)1~7火次鍛造成棒材。
[0027] 進(jìn)一步地，步驟（1)所述冶煉中可采用在所述真空自耗重烙前添加電渣重烙的Ξ 聯(lián)冶煉工藝。
[0028] 進(jìn)一步地，所述電渣重烙具體為:采用電渣重烙爐，在惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行重烙， 烙速為3. Okg/min~5. Okg/min，采用的保護(hù)渣為 CaF2-Al2〇3-Ca〇-Ti〇2。
[0029] 進(jìn)一步地，步驟（1)中真空感應(yīng)烙煉，其中所述全烙真空度為10化~40化，所述全 烙溫度為1500°C~1570°C。
[0030] 進(jìn)一步地，步驟(1)中真空感應(yīng)烙煉，其中所述精煉真空度小于5Pa，所述精煉溫度 為1500°C~1570°C，所述精煉時(shí)間大于90min。
[0031] 進(jìn)一步地，步驟(1)中真空感應(yīng)烙煉，其中所述出鋼溫度為1450°C~1500°C。
[0032] 進(jìn)一步地，步驟(2)所述1~7火次鍛造中每火次加熱溫度為1040°C~1180°C，保溫 時(shí)間為化~lOh，每火次鍛造時(shí)間小于15min，壓下量為20mm~40mm，