一种难变形大规格镍基高温合金棒材及其制备方法与流程

本发明涉及难变形镍基合金，更具体地说，涉及一种难变形大规格镍 基高温合金棒材及其制备方法。

背景技术：

1、高温合金是指在600℃以上温度能承受一定应力并具有抗氧化性和抗腐蚀性 能的一类合金，按基体可分为铁基、镍基和钴基，按照成形工艺一般分为三类，变 形高温合金、铸造高温合金、粉末冶金高温合金；其中镍基变形高温合金得益于优 异的抗氧化耐腐蚀性能以及较高的高温强度而广泛应用于航空航天发动机、燃气轮 机、油气田和汽车工业等领域。

2、随着海军快速发展，对于舰船核心部件舰用燃气轮机的要求越来越高，现有 30mw级燃气轮机是我国目前唯一可应用的中大档功率舰用燃气轮机，但其功率已 无法满足下一代海军舰艇发展所需，而40mw级大功率舰用燃气轮机将是未来10～ 15年内海军舰艇采用的主力机型；随着舰用燃气轮机功率提升，涡轮盘的工作环境 更加恶劣，使用温度也更高，相应的高温强度、热强性等高温力学性能指标也越来 越高。以常见的涡轮盘材料为例，gh4169合金是目前我国航空发动机用量最大的 涡轮盘材料，但是其使用温度在650℃以下，若超过650℃，就会发生组织不稳， 进而发生失效；虽然粉末冶金高温合金是未来高性能涡轮盘制造的一种制造方案， 但是粉末冶金的工序复杂、流程较长，而变形高温合金的制造成本相对较低；根据 近年来涡轮盘用高温合金研究进展来看，采用短流程低成本的铸造+锻造变形工艺 来制备高性能高温合金是未来重点发展方向和趋势。

3、现有技术中，公开号cn103498075 a提供了一种难变形高温合金及其制备方 法，其成分控制如表1所示，该技术采用真空感应+真空电弧重熔进行冶炼，浇铸 成钢锭；但是重熔锭的直径较小，只有不能用于生产大尺寸盘件，但可 用于生产饼件，饼件尺寸公开号cn108441705 a提供了一种高 强度镍基高温合金，其成分控制见下表1，该技术设计的合金与gh4169、fgh4097 性能对比，具有较好的室温和高温强度以及持久性能。但是，该合金中co含量较 高，这就导致该合金制造成本也会相应增加。

4、表1现有技术的合金成分(wt％)

5、

6、因此需要开发一种综合性能比gh4169更高、与粉末冶金高温合金相当的高强 度变形高温合金，以满足舰用大功率舰用燃气轮机的使用需求。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的是提供一种难变形大规格镍基高温合金棒材及其制备方法，通过优化合金成分，在保证合金高强度的基础上降低 合金中co、cr含量，复合添加al、ti、nb元素，提高γ＇相体积分数和热稳定性， 提高合金使用上限温度；采用真空感应熔炼、真空电弧炉重熔、均匀化处理、锻造、 热处理获得高性能和组织稳定性好的变形高温合金，从而保证该合金的工程化应用 可行性，满足舰用燃气轮机的应用需求。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明第一方面提供了一种难变形大规格镍基高温合金棒材，包括按重量百分比计的如下化学成分：c：0.01～0.10％、cr：10.0～20.0％、co：9.0～14.0％、al： 1.0～3.0％、ti：1.0～3.0％、nb：1.0～3.0％、mo：2.0～7.0％、w≤0.20％、b≤0.010％、 n≤0.020％、o≤0.008％、fe:0.1～2.0％，余量为镍和不可避免地杂质。

4、优选地，c：0.020～0.080％、cr：13.0～15.0％、co：9.0～11.0％、al：2.0～3.0％、ti：2.0～3.0％、nb：2.0～3.0％、mo：4.5～5.5％、n≤0.010％、o≤0.0050％、 fe≤1.0％。

5、优选地，在室温下，所述难变形大规格镍基高温合金棒材的抗拉强度 σb≥1500mpa，屈服强度σ0.2≥1150mpa，伸长率δ5≥21.5％，断面收缩率ψ≥31.5％；

6、在温度为650℃、压强为873mpa条件下，所述难变形大规格镍基高温合金棒 材的伸长率δ5≥3.5面收缩率ψ≥8％。

7、本发明第二方面提供了一种如本发明第一方面所述的难变形大规格镍基高温 合金棒材的制备方法，包括以下步骤：

8、s1，真空感应炉冶炼，加入主料成分ni、cr、co、mo，同时配入c，抽真空 至2.7pa以下，升功率进行化料，化料结束后进行精炼，再加入合金化元素ti、al、 nb和b进行合金化冶炼，然后对钢液的成分分析，达到目标成分要求后，充入ar， 加入ni-mg合金，经冶炼后出钢、浇铸电极；

9、s2，真空自耗冶炼，将所述电极进行表面清理后进行真空自耗冶炼得到自耗锭；

10、s3，锻造，将所述自耗锭进行均匀化处理，然后采用多次镦拔工艺进行锻造制 得大规格棒材，并将所述大规格棒材表面车光；

11、s4，热处理，将所述大规格棒材进行固溶处理和时效热处理，最终获得所述难 变形大规格镍基高温合金棒材。

12、优选地，所述步骤s1：

13、所述化料过程中，功率为300～1000kw；和/或

14、所述精炼过程中，精炼温度为1480～1530℃，精炼时间为30～60min；和/或

15、所述合金化冶炼过程中，功率为200～600kw，温度为1490～1520℃；和/或

16、所述充入ar后，压力为20～25kpa；每吨钢水中，所述ni-mg合金的加入量 为5～9kg；加入所述ni-mg合金后继续冶炼5～10min。

17、优选地，所述步骤s2中，所述真空自耗冶炼过程中，熔速为3.5～5.5kg/min。

18、优选地，所述步骤s3中：

19、所述均匀化处理过程中，将所述自耗锭加热至1130～1180℃，保温60h以上； 和/或

20、所述锻造过程中，将所述均匀化处理后的自耗锭加热至1140～1160℃，镦粗至 自耗锭原高度的1/2～2/3，再采用逐级降温拔长，回炉再加热温度由1160℃逐步降 低至1100℃，保温时间≥120min。

21、优选地，所述步骤s3中，所述锻造过程中，开锻温度≥1050℃，停锻温度≥1000℃。

22、优选地，所述步骤s4中：

23、所述固溶处理过程中，将车光后的大规格棒材加热至1060～1100℃，保温7～ 11h后，出炉空冷；

24、所述时效处理过程中，所述固溶处理后的大规格棒材加热至750～790℃，保温 14～19h后，出炉空冷。

25、本发明难变形大规格镍基高温合金棒材的化学成分设计原理如下：

26、c：c是高温合金中重要的晶界和枝晶间强化元素，是形成碳化物必不可少的 元素；合金中c含量低于0.01wt％，会导致合金中碳化物数量较少，不利于细化晶 粒和性能的提升；c含量过高会导致过多碳化物生成以及加大偏析倾向，使得合金 的晶粒不均匀、恶化合金塑性。因此，控制c的范围0.01～0.10wt％，优先地控制 范围0.02～0.08wt％。

27、cr：cr的添加能够提高合金的高温抗氧化和耐腐蚀性能，并且促进单相奥氏 体固溶体形成；当合金中cr含量不低于10％时，cr的抗氧化和耐腐蚀的作用才能 充分发挥，但是合金中cr含量过高会导致σ相形成，从而恶化合金使用性能。为 保证合金的综合性能以及抑制有害相，控制cr的范围10.0～20.0wt％，优先地控制 范围13.0～15.0wt％。

28、co：co能与ni形成置换固溶体，能够起到固溶强化效果；在合金中添加co 元素能够降低基体的堆垛层错能，从而提高合金的持久强度和蠕变抗力；但是co 元素添加过多也会有不利的一面，一方面会导致有害相析出，另一方面co是属于 战略资源，合金中过多添加co元素会导致成本增加。因此，控制co的范围9.0～ 14.0wt％，优先地控制范围9.0～11.0wt％。

29、al：al是镍基合金中形成γ′相的必需元素，al含量越高，析出量也就越大， 沉淀强化效果越好，合金的相应强度也提高；但是过高的al含量会增加热加工的 难度，容易产生开裂现象。因此，控制al的范围1.0～3.0wt％，优先地控制范围2.0～ 3.0wt％。

30、ti：ti元素也是γ′相的必需形成元素，其溶入γ′相，可以代替三分之二的al 原子；ti进入γ′后，使γ′析出减慢，有效阻止过时效的作用，这种作用使合金具备 在高温环境长期服役；但ti加入过多就出现粗大片状的η-ni3ti相，使合金脆化， 降低强度和塑性。因此，控制ti的范围1.0～3.0wt％，优先地控制范围2.0～3.0wt％。

31、nb：nb与c有较强的亲和力，nb的添加会促进碳化物析出，从而细化晶粒 和起到晶界强化的作用。除与c结合外，绝大部分nb元素都进入γ′相，减少al、 ti在基体中的溶解量，促进γ′相的析出，延缓γ′相的聚集长大，提高γ′相的强度和 溶解温度，综合看来nb元素可以提高合金的使用温度。但是，过多添加nb元素会 导致冶炼过程中容易形成偏析，诸如黑斑等冶金缺陷。因此，控制nb的范围1.0～ 3.0wt％，优先地控制范围2.0～3.0wt％。

32、mo：mo元素主要溶解入基体g相中，mo的原子半径远大于ni的原子半径， 起到固溶强化效果，并提高合金的耐蚀性和高温稳定性。但是过多的mo会导致tcp 相析出，恶化合金力学性能。综合考虑将mo含量控制在2.0～7.0wt％，优先地控 制范围4.5～5.5wt％。

33、b：b为晶界强化元素，主要以硼化物的形式分布在晶界和柱晶间并起到强化 作用；b元素添加能显著提高合金的高温持久性能和蠕变寿命，但过多的b会显著 恶化合金的热加工性能，也会使合金焊接工艺性能变差。综合考虑将b含量控制在 0.010wt％以内。

34、n、o：合金中n、o控制，为本发明成分设计的一大亮点。通过控制间隙元 素，特别是n、o，对于改善合金的疲劳性能效果明显。因此，本发明选择按照 n≤0.020wt％，o≤0.0080wt％控制，优先地控制n范围≤0.010wt％，优先地控制 o≤0.0050wt％。

35、fe：fe的添加主要是为了含fe的高温合金返回料的利用，降低真空感应冶炼 成本；但是过多添加返回料会使得合金中fe含量超标，因此综合考虑将fe含量 ≤1.0wt％，优先地控制fe含量在0.1～2.0wt％。

36、本发明的具有以下有益效果：

37、1、本发明的难变形大规格镍基高温合金棒材及其制备方法，通过优化合金成 分，在保证合金高强度的基础上降低合金中co、cr含量，复合添加al、ti、nb元 素，提高γ＇相体积分数和热稳定性，提高合金使用上限温度；

38、2、本发明的难变形大规格镍基高温合金棒材的制备方法，采用真空感应熔炼、 真空电弧炉重熔、自耗锭均匀化处理、锻造、热处理的制备工艺获得高性能和组织 稳定性好的难变形大规格镍基高温合金棒材，不仅能满足大型舰用燃气轮机对于高 性能镍基高温合金的使用需求，也为今后我国难变形镍基高温合金的应用研究奠定 坚实基础。