一种高强高弹镍基高温合金带材及其制备方法与流程

本发明涉及一种镍基高温合金的制备技术，尤其涉及一种高强高弹镍基高温合金带材及其制备方法。

背景技术：

高强高弹镍基高温合金(如gh4578合金等)主要以高体积分数的γ′相为时效沉淀强化相，在较宽的室温、高温的温度范围内具有高抗松弛性能、高抗拉强度以及良好的抗疲劳、抗氧化和耐腐蚀性能。该类合金带材形式的产品是制作航空、航天、核能和石化等行业中的关键弹性构件。

但是，上述高强高弹镍基高温合金的合金化程度高，导致合金初熔点降低，热加工窗口范围非常窄，使得采用传统热开坯工艺加工的合金带材，成材率极低(≤20％)。

现有技术中，基于成分特征高强高弹镍基高温合金，通常采用特殊的冶炼和冷加工、热加工工艺进行生产。具体工艺流程：真空感应熔炼→电渣重熔(真空自耗)→均匀化处理→锻造开坯→热轧→退火处理→酸洗→冷轧→退火处理→酸洗→冷轧→…→精整(…表示酸洗→冷轧→退火处理多次循环)。显然地，上述工艺流程不仅流程长，投资大，而且还会造成严重的环境污染。

技术实现要素：

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种新的高强高弹镍基高温带材的短流程制备方法，解决了现有的高强高弹镍基高温合金带材的工艺流程长、投资大以及环境污染严重的问题。

本发明采取一种新的短流程制备工艺，通过电渣重熔连续定向凝固技术制备高强高弹镍基高温合金板坯，与传统电渣重熔铸锭相比，消除了偏析最为严重的柱状晶与中心等轴晶的交界面，且更有效地去除合金中的非金属夹杂物，铸锭偏析程度小，组织均匀，晶间析出相呈颗粒状，尺寸细小，分布均匀，有利于提高合金的热加工塑性。经过均匀化处理后无需开坯，可以直接进行热轧。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本发明的实施例提供了一种高强高弹镍基高温合金带材的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：按高强高弹镍基高温合金的组成要求配制原料，对原料进行熔化、精炼和浇注，得到铸锭，完成真空感应熔炼铸锭；

步骤2：采用电渣重熔连续定向凝固技术，将铸锭加工成具有与铸锭轴线平行的柱状晶组织板坯；

步骤3：对板坯进行均匀化处理；

步骤4：对均匀化后的板坯进行初次机械磨抛，得到热轧所需的板坯；

步骤5：对热轧所需的板坯采用包套；

步骤6：将包套后的板坯直接进行多火次热轧，对热轧后的板坯进行初次退火处理；

步骤7：对初次退火处理后的板坯进行二次机械磨抛；

步骤8：对二次机械磨抛后的板坯依次重复进行多次冷轧、退火处理和机械磨抛，直至板坯尺寸达到所需尺寸后，进行精磨提高尺寸精度，得到高强高弹镍基高温合金带材；

高强高弹镍基高温合金的组成的质量百分比为：cr：18～20，w：9.0～10.5，co：5.5～6.5，ti：2.7～3.2，al：1.3～1.8，nb≤0.5，c：0.01～0.06，ce≤0.05，mg≤0.02，b≤0.003，余量为ni以及不可避免的杂质。

在一种可能的设计中，步骤3中，均匀化温度为1180～1210℃，均匀化时间为10～20h。

在一种可能的设计中，步骤5中，包套使用前在1180～1210℃保温30～60min。

在一种可能的设计中，步骤6中，热轧火次变形量为25％～45％。

在一种可能的设计中，步骤6中，初次退火处理温度为1140～1170℃，初次退火处理时间为30min～60min，初次退火处理冷却速度≥500℃/s。

在一种可能的设计中，步骤8中，冷轧道次变形量为5％～15％。

在一种可能的设计中，步骤8中，退火处理温度为1140～1170℃，退火处理时间为30min～60min，退火处理冷却速度≥500℃/s。

在一种可能的设计中，步骤2中，柱状晶组织板坯尺寸为：厚度30～50mm，宽度100～160mm，长度160～500mm。

在一种可能的设计中，初次机械磨抛、二次机械磨抛和机械磨抛均采用喷砂和磨抛的组合方式。

本发明的实施例还提供了一种高强高弹镍基高温合金带材，采用上述高强高弹镍基高温合金带材的制备方法制备。

与现有技术相比，本发明有益效果如下：

a)本发明提供的高强高弹镍基高温合金带材的制备方法，采用电渣重熔连续定向凝固板坯→均匀化处理→机械磨抛→热轧的短流程工艺制备高强高弹镍基高温合金带材，工艺简单，流程短，易操作，产品性能批次稳定性好，与传统工艺相比，减少了锻造开坯的工序，无需配备大型锻造设备，生产成本降低。

b)本发明提供的高强高弹镍基高温合金带材的制备方法，适合于小批量生产高强高弹镍基高温合金带材，特别是厚度为1.0mm～2.0mm的高强高弹镍基高温合金带材的制备加工。

c)本发明提供的高强高弹镍基高温合金带材的制备方法，在制备过程中采用机械磨抛，无需酸洗，避免了对环境的污染。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为实施例1中所制备热轧板坯退火后的显微组织。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

本发明提供了一种高强高弹镍基高温合金带材的制备方法，工艺流程包括：真空感应熔炼铸锭、电渣重熔连续定向凝固板坯、均匀化处理、初次机械磨抛、包套、热轧、初次退火处理、处理工艺和精整，上述处理工艺的次数为多次，处理工艺包括冷轧、退火处理和机械磨抛。

具体来说，上述制备方法包括如下步骤：

步骤1：按高强高弹镍基高温合金的成分要求配制原料，在真空感应炉中对原料进行熔化、精炼和浇注，得到铸锭，完成真空感应熔炼铸锭；

步骤2：采用电渣重熔连续定向凝固技术，将铸锭加工成具有与铸锭轴线平行的柱状晶组织板坯，完成电渣重熔连续定向凝固板坯；

步骤3：对板坯进行均匀化处理；

步骤4：对均匀化后的板坯进行初次机械磨抛，去除表面氧化皮，得到热轧所需的板坯；

步骤5：对热轧所需的板坯采用不锈钢包套；

步骤6：将包套后的板坯直接进行多火次热轧，并在热轧过程中实施温度补偿，对热轧后的板坯进行初次退火处理；

步骤7：对初次退火处理后的板坯进行二次机械磨抛，去除表面氧化皮，得到二次机械磨抛后的板坯；

步骤8：对二次机械磨抛后的板坯依次重复进行多次冷轧、退火处理和机械磨抛，直至板坯尺寸达到所需尺寸后，进行精磨提高尺寸精度，得到高强高弹镍基高温合金带材。

示例性地，上述制备方法适用于高强高弹镍基高温合金带材的制备，该合金带材的组成为(质量分数/％)：cr：18～20，w：9.0～10.5，co：5.5～6.5，ti：2.7～3.2，al：1.3～1.8，nb≤0.5，c：0.01～0.06，ce≤0.05，mg≤0.02，b≤0.003，余量为ni以及不可避免的杂质。

与现有技术相比，本发明提供的高强高弹镍基高温合金带材的制备方法，采用电渣重熔连续定向凝固板坯→均匀化处理→机械磨抛→热轧的短流程工艺制备高强高弹镍基高温合金带材，工艺简单，流程短，易操作，产品性能批次稳定性好，与传统工艺相比，减少了锻造开坯的工序，无需配备大型锻造设备，生产成本降低。上述制备方法适合于小批量生产高强高弹镍基高温合金带材，特别是厚度为1.0mm～2.0mm的高强高弹镍基高温合金带材的制备加工。

此外，上述高强高弹镍基高温合金带材的制备方法，在制备过程中采用机械磨抛，无需酸洗，避免了对环境的污染。

需要说明的是，现有技术中，镍基高温合金通常采用真空感应+电渣重熔(或真空自耗)的双联冶炼工艺。对于高强高弹镍基高温合金，其合金化程度高，且要求带材最终加工成的弹性构件必须具有均匀的弹力，因此，必须采用电渣重熔以最大限度获得合金成分均匀性。同样地，由于高强高弹镍基高温合金合金化程度高，使得采用传统的锻造方式开坯，材料损耗极大。本发明的高强高弹镍基高温合金带材的制备方法采用电渣重熔连续定向凝固直接生产出板坯进行轧制开坯，替代现有的锻造开坯，从而有效提高了材料利用率。

此外，需要说明的是，由于高强高弹镍基高温合金独特的成分特点，当采用酸洗工艺去除板坯及成品表面的氧化皮，极易在材料表面产生腐蚀坑，从而影响带材表面质量。因此，传统酸洗工艺显然并不适用于制备该类合金带材；其次，从环境因素考虑，酸洗会带来严重的环境污染。而采用机械磨抛不仅可以有效保证带材表面质量，还避免了对环境的污染。

锻造轧制包套为高温合金生产过程中常用的手段。因该类合金热加工温度范围窄，此前单纯采用轧制开坯，由于温降快，不仅使得难以得到理想的热变形量，增加退火次数，降低生产效率，而且还会在轧坯表面形成裂纹，必须增加打磨工序，影响了材料利用率。实际生产表明，采用包套进行轧制可有效改善上述问题。

上述高强高弹镍基高温合金带材中各元素的主要作用如下：

cr：主要以固溶态存在于镍基高温合金的基体中，最主要的作用是增加合金的抗氧化和抗热腐蚀能力，并具有一定的固溶强化效果，同时促进颗粒状m23c6碳化物在晶界析出，起晶界强化作用。

co：大部分co进入γ基体，降低γ基体的堆垛层错能，产生固溶强化作用，从而提高合金的持久强度和蠕变抗力。同时，co还会降低al和ti元素在γ基体中的溶解度，因而增加γ′强化相的数量，并提高γ′相的固溶温度。

w和mo：对γ基体和γ′强化相都有很强的固溶强化效果，同时可增强原子间结合力，提高扩散激活能和再结晶温度，从而有效地提高热强性。此外，mo还促使界面位错网密度增大，有利于提高蠕变性能。

al、ti和nb：形成γ′相的主要元素。增加al和ti的总量可明显提高γ′相固溶温度和体积分数。ti还是mc型碳化物形成元素，在高温时推迟甚至阻止碳化物反应，从而使基体中的cr稳定，间接起抗热腐蚀作用。绝大多数nb进入γ′相，促进γ′相的析出，延缓γ′相的聚集长大过程，从而提高合金的高温强度。nb还可以形成稳定的nbc，起细化晶粒和强化晶界的作用。

c：既是重要的晶界强化元素，又可以结合一定数量的tcp相形成元素，作为合金组织稳定化元素存在。镍基高温合金中常见的碳化物有mc、m6c、m23c6和m7c3等。

b：高温合金中应用最广泛的微合金化元素和重要的晶界强化元素。

ce和mg：稀土元素ce可明显改善合金的抗循环氧化性能和高温持久性能。有益微量元素mg可提高合金的纯净度、降低夹杂物含量，同时可显著改善合金的高温持久性能和热加工性能。

综合考虑生产设备和生产工艺，上述制备方法的步骤2中，柱状晶组织板坯尺寸为：厚度30～50mm，宽度100～160mm，长度160～500mm。这是因为板坯厚度小于30mm时，渣池流动空间有限，不利于熔炼效果；板坯厚度大于50mm时，会延长后续冷热变形生产工艺链。此外，考虑到后续生产过程中板坯及带材的表面平整度，板坯不宜过宽或过长，但太窄或太短时，无法达到设备生产要求的最小板坯规格。综上，确定板坯厚度30～50mm，宽度为100～160mm，长度为160～500mm。

为了在保证消除w的偏聚带的基础上，避免板坯过烧，上述制备方法的步骤3中，均匀化温度为1180～1210℃，均匀化时间为10～20h。这是因为，高强高弹镍基合金中通常含有大量w，当均匀化温度低于1180℃时，无法消除w的偏聚带，使得成品带材性能均匀性差；当均匀化温度高于1210℃时，极易引起过烧，导致晶界处熔化，在后续冷热加工过程中成为薄弱环节。当均匀化温度一定时，均匀化时间不足10h时，头、尾al、ti含量差别消除不明显，达不到均匀化效果。而当均匀化时间超过20h后，不同时间处理的试样硬度差别不大。从偏析相含量多少和成本的角度考虑，均匀化时间控制在20小时以内为宜。

为了提高包套的保温效果，上述制备方法的步骤5中，不锈钢包套使用前在1180～1210℃保温30～60min。包套加热温度不得低于合金板坯，否则无法起到保温效果。包套厚度通常较薄，因此，在30～60min的温度范围内即可以烧透，对合金板坯起到良好的保温效果。

从生产效率和产品质量两方面综合考虑，上述制备方法的步骤6中，热轧火次变形量为25％～45％，初次退火处理温度为1140～1170℃，初次退火处理时间为30min～60min，初次退火处理冷却速度≥500℃/s。当热轧变形量小于25％时，会增加退火次数，降低生产效率；当热轧变形量大于45％时，变形抗力过大，易在板坯表面产生折迭、裂纹等缺陷，因此，宜将热轧火次变形量控制在25％～45％。生产实践表明，当退火温度低于1140℃时，即便延长退火时间，仍无法实现软化板坯的效果；当退火温度高于1170℃时，会导致板坯晶粒度迅速长大，不利于后续获得均匀细晶组织的成品带材。此外，将退火时间控制在30min～60min的温度范围内，有利于获得最优的退火效果，且最节约能源。本申请高强高弹镍基高温合金因其独特的成分特点，使得强化相析出速率极快。退火后，只有采用不低于500℃/s的冷却速度才能有效抑制γ′强化相的析出，保证后续冷热加工的顺利进行。

同样地，从生产效率和产品质量两方面综合考虑，上述制备方法的步骤8中，冷轧道次变形量为5％～15％，退火处理温度为1140～1170℃，退火处理时间为30min～60min，退火处理冷却速度≥500℃/s。当冷轧变形量小于5％时，会增加退火次数，降低生产效率；因该类合金加工硬化率大，当冷轧变形量大于15％时，无法继续加工。

为了进一步控制带材的尺寸精度，减少带材的表面缺陷，上述制备方法中，初次机械磨抛、二次机械磨抛和机械磨抛均喷砂和磨抛的组合方式。

本发明还提供了一种高强高弹镍基高温合金带材，采用上述高强高弹镍基高温合金带材的制备方法制备。

与现有技术相比，本发明提供的高强高弹镍基高温合金带材的有益效果与上述高强高弹镍基高温合金带材的制备方法的有益效果基本相同，在此不一一赘述。

实施例1

本实施例提供的高强高弹镍基高温合金带材的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：真空感应熔炼铸锭：按高强高弹镍基高温合金的成分要求配料，即(质量分数/％)cr：19，w：10.0，co：6.0，ti：3.0，al：1.5，nb：0.5，c：0.02，ce：0.05，mg：0.02，b：0.003，余量为ni。在真空感应炉中熔化，精炼，然后浇注为铸锭；

步骤2：电渣重熔连续定向凝固板坯：将步骤1所得铸锭采用电渣重熔连续定向凝固技术制备出具有与铸锭轴线平行的柱状晶组织板坯，板坯规格为：厚度32mm，宽度140mm，长度300mm；

步骤3：均匀化处理：为进一步改善板坯的铸造组织，提高塑性加工性能，对步骤2所得的板坯进行1180℃×12h的均匀化处理；

步骤4：机械磨抛：对步骤3所得的板坯进行初次机械磨抛，去除表面氧化皮，得到热轧所需的板坯；

步骤5：包套：对步骤4所得的板坯采用不锈钢包套，不锈钢包套使用前在1180℃保温45min。

步骤6：热轧和退火处理：将步骤5所得的板坯直接进行多火次热轧成形，热轧工序中经不同火次变形后板坯的厚度δ为：初始厚度28mm→第一火次17mm→第二火次11mm→第三火次7.5mm→第四火次5.3mm→第五火次3.8mm→第六火次2.8mm，火次变形量依次为：39％→35％→32％→29％→28％→26％。对热轧各火次间及热轧后板坯进行1160℃×30min，冷速为550℃/s的初次退火处理，所得的热轧板坯的显微组织如图1所示，说明退火处理之后没有析出相，所以热轧板坯的塑性较高，便于后期处理。

步骤7：机械磨抛：将步骤6所得的板坯进行二次机械磨抛，去除表面氧化皮，得到冷轧所需的板坯；

步骤8：冷轧和退火处理：将步骤7所得的板坯重复进行多次冷轧、退火处理和机械磨抛，直至板坯尺寸达到所需尺寸后，进行精磨提高尺寸精度，得到高强高弹镍基高温合金，冷轧工序中经不同火次、不同道次变形后板坯(成品)的厚度δ为：初始厚度2.7mm→第一火次1.95mm(不同道次：δ2.7mm→δ2.35mm→δ2.1mm→δ1.95mm)→第二火次1.4mm(不同道次：δ1.95mm→δ1.7mm→δ1.5mm→δ1.4mm)。第一火次道次变形量依次为：13％→11％→7％，第二火次道次变形量依次为：13％→12％→7％，对冷轧各火次间板坯进行1150℃×30min，冷速为550℃/s的退火处理。

实施例2

本实施例提供的高强高弹镍基高温合金带材的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：真空感应熔炼铸锭：按高强高弹镍基高温合金的成分要求配料，即(质量分数/％)cr：19.5，w：10.0，co：6.35，ti：2.8，al：1.6，nb：0.25，c：0.03，ce：0.03，mg：0.015，b：0.002，ni余。在真空感应炉中熔化，精炼，然后浇注为铸锭；

步骤2：电渣重熔连续定向凝固板坯：将步骤1所得铸锭采用电渣重熔连续定向凝固技术制备出具有与铸锭轴线平行的柱状晶组织板坯，板坯规格为：厚度30mm，宽度100mm，长度160mm；

步骤3：均匀化处理：为进一步改善板坯的铸造组织，提高塑性加工性能，对步骤2所得的板坯进行1180℃×11h的均匀化处理；

步骤4：机械磨抛：对步骤3所得的板坯进行初次机械磨抛，去除表面氧化皮，得到热轧所需的板坯；

步骤5：包套：对步骤4所得的板坯采用不锈钢包套，不锈钢包套使用前在1180℃保温30min。

步骤6：热轧和退火处理：将步骤5所得的板坯直接进行多火次热轧成形，热轧工序中经不同火次变形后板坯的厚度δ为：初始厚度26mm→第一火次16mm→第二火次10.5mm→第三火次7.2mm→第四火次5.1mm→第五火次3.7mm→第六火次2.7mm，火次变形量依次为：38％→34％→31％→29％→27％→27％。对热轧各火次间及热轧后板坯进行1160℃×30min，冷速为550℃/s的初次退火处理。

步骤7：机械磨抛：将步骤6所得的板坯进行二次机械磨抛，去除表面氧化皮，得到冷轧所需的板坯；

步骤8：冷轧和退火处理：将步骤7所得的板坯重复进行多次冷轧、退火处理和机械磨抛，直至板坯尺寸达到所需尺寸后，进行精磨提高尺寸精度，得到高强高弹镍基高温合金，冷轧工序中经不同火次、不同道次变形后板坯(成品)的厚度δ为：初始厚度2.7mm→第一火次1.95mm(不同道次：δ2.7mm→δ2.35mm→δ2.1mm→δ1.95mm)→第二火次1.4mm(不同道次：δ1.95mm→δ1.7mm→δ1.5mm→δ1.4mm)。第一火次道次变形量依次为：13％→11％→7％，第二火次道次变形量依次为：13％→12％→7％，对冷轧各火次间板坯进行1150℃×30min，冷速为550℃/s的退火处理。

实施例3

本实施例提供的高强高弹镍基高温合金带材的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：真空感应熔炼铸锭：按高强高弹镍基高温合金的成分要求配料，即(质量分数/％)cr：20，w：10.5，co：6.5，ti：3.2，al：1.8，nb：0.5，c：0.06，ce：0.05，mg：0.02，b：0.003，ni余。在真空感应炉中熔化，精炼，然后浇注为铸锭；

步骤2：电渣重熔连续定向凝固板坯：将步骤1所得铸锭采用电渣重熔连续定向凝固技术制备出具有与铸锭轴线平行的柱状晶组织板坯，板坯规格为：厚度50mm，宽度160mm，长度500mm；

步骤3：均匀化处理：为进一步改善板坯的铸造组织，提高塑性加工性能，对步骤2所得的板坯进行1200℃×18h的均匀化处理；

步骤4：机械磨抛：对步骤3所得的板坯进行初次机械磨抛，去除表面氧化皮，得到热轧所需的板坯；

步骤5：包套：对步骤4所得的板坯采用不锈钢包套，不锈钢包套使用前在1210℃保温45min。

步骤6：热轧和退火处理：将步骤5所得的板坯直接进行多火次热轧成形，热轧工序中经不同火次变形后板坯的厚度δ为：初始厚度48mm→第一火次28mm→第二火次17mm→第三火次10.7mm→第四火次7.0mm→第五火次4.8mm→第六火次3.5mm→第七火次2.6mm，火次变形量依次为：42％→39％→37％→35％→31％→27％→26％。对热轧各火次间及热轧后板坯进行1170℃×60min，冷速为550℃/s的初次退火处理。

步骤7：机械磨抛：将步骤6所得的板坯进行二次机械磨抛，去除表面氧化皮，得到冷轧所需的板坯；

步骤8：冷轧和退火处理：将步骤7所得的板坯重复进行多次冷轧、退火处理和机械磨抛，直至板坯尺寸达到所需尺寸后，进行精磨提高尺寸精度，得到高强高弹镍基高温合金，冷轧工序中经不同火次、不同道次变形后板坯(成品)的厚度δ为：初始厚度2.4mm→第一火次1.78mm(不同道次：δ2.4mm→δ2.1mm→δ1.9mm→δ1.78mm)→第二火次1.28mm(不同道次：δ1.78mm→δ1.55mm→δ1.38mm→δ1.28mm)。第一火次道次变形量依次为：13％→9％→6％，第二火次道次变形量依次为：13％→11％→7％，对冷轧各火次间板坯进行1170℃×60min，冷速为550℃/s的退火处理。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。