耐高温氧化镍基合金的制作方法
【专利摘要】本发明公开了耐高温氧化镍基合金，其各个成分的重量百分比为：C：≤0.1％、Cr：15～30％、Al：1.0～2.5％、Ti：0.01～1.0％、Si：≤0.3％、Mn：≤0.5％、Mg：0.01～0.05％、B：0.002～0.03％、Zr：0.01～0.15％、N：0.01～0.02％、P≤0.010％、S≤0.010％，其中，P+S≤0.015％，其余为Ni和不可避免的杂质组成。本发明的耐高温氧化镍基合金能够耐高温氧化，同时具有良好的耐高温持久蠕变性能的镍基高温合金，本发明的合金能采用电弧炉+精炼的方式予以生产，以满足工业生产对大型装备中耐高温合金材料的要求。
【专利说明】
耐高温氧化镇基合金
技术领域
[0001]本发明涉及一种镍基合金，更具体地说，涉及耐高温氧化镍基合金。
【背景技术】
[0002]在镍基合金中，耐高温、耐腐蚀以及同时耐高温腐蚀合金作为镍基合金的三大主要应用领域通常采用不同的成分设计机理，因此造成其制造方法也随之有所区别。对于主要耐高温介质的镍基合金来说，适用于石化、冶金等装备中温度f 1200°C的高温炉部件及燃烧室一般均采用沉淀强化型高温合金，合金中含有不同含量的Cr、Al、T1、Nb、W等形成γ等强化相以提高高温持久蠕变性能的元素。但这类合金的主要问题有高温氧化性能差，使用温度低不超过1100°C，造成使用寿命降低，同时，该类合金由于一般含较高含量的强化元素在制造过程中需采用真空炉冶炼，其特点是批次小，成材率低。另一类应用于高温介质的典型镍基合金为固容强化镍基合金，典型品种包括Incoloy 800H等，其成分特点为仅含有一定量的Al、T1、Cr等耐氧化元素，但其含量较低Al+Ti 1.2wt% (重量百分比)，因此其使用温度一般都在800°C以下。另外，在工业生产中，有很多装备长期在1200°C以上温度中运行，例如工业退火炉，其服役特点是使用温度高、生产批量大、工作时间长、更换部件困难等，因此对材料的高温氧化性能、高温持久蠕变等提出了很高的要求，同时，该类部件体积较大造成需要的材料如钢板的尺寸较大，因此对冶炼锭型等也势必提出了较高的要求，如采用如上的镍基合金在实际生产中也将造成困难。
[0003]除了以上叙述的常规耐高温镍基合金品种外，现有技术存在5种类似使用温度在1200°C以上的耐高温镍基合金(不含含钴及粉末镍基合金)，其成分设计如图1所示。
[0004]从图1可以看出，该类合金成分设计的普遍思路为添加有一定含量的稀土元素，用于提高材料的高温性能，同时，合金设计中另一主要方面为添加有较高含量的Al (或Ti)，Al+Ti在wt4%以上，同时添加一定量的Cr提高合金的抗氧化能力。
[0005]综上所述，现有的耐高温环境镍基合金一般使用温度均在1100°C以下，使用温度在1200°C以上的高温合金一般含有较高含量的合金元素，在特钢企业批量生产的电弧炉精炼冶炼条件下无法生产，同时，工业装备的发展使很多部件需要更高的服役温度，另外，工业装备大型化的趋势也对耐高温材料的尺寸也提出了较高的要求，对于含高含量强化元素的合金的冶炼带来了较大的难度。
【发明内容】
[0006]针对现有技术中存在的常用的耐热镍基合金存在材料的耐高温性能达不到使用温度条件，以及常用的耐热镍基合金性能不佳等问题，本发明的目的是提供耐高温氧化镍其A全座口立O
[0007]为实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0008]一种耐高温氧化镍基合金，其各个成分的重量百分比为:C:彡0.1%、Cr:15?30%、A1:1.0 ?2.5%、T1:0.01 ?1.0%、Si..( 0.3%、Mn:彡 0.5%、Mg:0.01 ?0.05%、B:0.002 ?0.03%、Zr:0.01 ?0.15%、N:0.01 ?0.02%、P 彡 0.010%、S 彡 0.010%，其中，P+S彡0.015%，其余为Ni和不可避免的杂质组成。
[0009]根据本发明的一实施例，其各个成分的具体重量百分比为:C:0.02%, Si:0.1%,Mn:0.2%、Cr: 15%、Al:L 0%、T1:L 0%、B:0.03%、Zr:0.10%、P:0.01%、S:0.002%、N:0.01%, Mg:0.05%，其余为Ni和不可避免的杂质组成。
[0010]根据本发明的一实施例，其各个成分的具体重量百分比为:C:0.1%, S1:0.2%,Mn:0.2%, Cr:20%、Al:2.0%、Ti:0.3%、B:0.02%、Zr:0.10%、P:0.008%、S:0.01%、N:0.015%, Mg:0.03%，其余为Ni和不可避免的杂质组成。
[0011]根据本发明的一实施例，其各个成分的具体重量百分比为:C:0.05%、S1:0.3%,Mn:0.5%,Cr:25%、A1:2.5%,T1:0.2%,B:0.003%^Zr:0.03%、P:0.008%、S:0.005%、N:0.02%, Mg:0.01%，其余为Ni和不可避免的杂质组成。
[0012]根据本发明的一实施例，其各个成分的具体重量百分比为:C:0.02%, Si:0.3%,Mn:0.4%,Cr -.22%,Al:2.3%、T1:0.2%,B:0.002%^Zr:0.02%,P:0.005%、S:0.002%、N:0.018%, Mg:0.02%，其余为Ni和不可避免的杂质组成。
[0013]在上述技术方案中，本发明的耐高温氧化镍基合金能够耐高温氧化，同时具有良好的耐高温持久蠕变性能的镍基高温合金，本发明的合金能采用电弧炉+精炼的方式予以生产，以满足工业生产对大型装备中耐高温合金材料的要求。
【附图说明】
[0014]图1是现有技术中多种耐高温氧化镍基合金的成分表；
[0015]图2是本发明的多个实施例和对比合金的化学成分对比表；
[0016]图3是本发明的多个实施例及对比合金的高温拉伸性能比较表；
[0017]图4是本发明的多个实施例及对比合金的抗氧化性能对比表；
[0018]图5是本发明的多个实施例及对比合金的高温持久性能比较表。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。
[0020]本发明涉及一种耐高温氧化，同时具有良好的耐高温持久蠕变性能的镍基高温合金的化学成分，按重量百分比，其化学成分配比为:
[0021]C:彡 0.l%、Cr:15 ?30%、A1:1.0 ?2.5%,T1:0.01 ?1.0%、S1:彡 0.3%、Mn:彡 0.5%、Mg:0.01 ?0.05%、B:0.002 ?0.03%、Zr:0.01 ?0.15%、N:0.01 ?0.02%、P彡0.010%、S彡0.010%。其中，P+S彡0.015%，其余为Ni和不可避免的杂质组成。其余为Ni和不可避免的杂质组成。
[0022]下面来说明本发明镍基高温合金的各个成分选择。
[0023]本发明合金的基体为Ni，Ni是奥氏体化形成基本元素，其在氧化环境中非常稳定，添加一定含量的Cr元素，一方面Cr在N1-Cr奥氏体固溶体中能极大提高材料的抗氧化能力及抗燃气腐蚀能力，其次，考虑到发明合金用户长期高温环境中，Cr形成的高温钝化膜非常稳定可提高合金表面的抗氧化能力，但Cr含量不宜过高，过高将影响材料的加工性能，将对合金的乳制等生产造成困难，因此将Cr的含量控制在15%?30wt% (重量百分比)之间。但当使用温度在1200°C以上时，特别是长期冷热循环时，将对合金表面形成的氧化铬结构造成破坏，从而加速材料在高温条件下的氧化，材料失效可能在短时间内即可完成，因此在合金中添加了一定含量Al元素，加入Al可以在高温条件下合金表层形成一层致密的Al的氧化物，该层氧化物可阻止氧向基体内扩散，从而提高了 Cr及Al氧化物结构的稳定性，进一步提高合金的抗氧化能力。但Al元素的加入量不能太高，一方面，由于Al提高至2.5被％时，材料的塑性将急剧降低，将影响材料在生产过程中的成形能力，另一方面，Al提高将会给冶炼特别是精炼时带来难度，应为在电弧炉冶炼过程中，N的控制能力受限，Al和N的亲和力较强，在冶炼过程不可避免形成的氮化物夹杂影响合金的纯净度，对后续使用存在影响，因此将Al的含量控制在1.0?2.5被％范围内。
[0024]合金中的C易于Cr、Al等元素形成碳化物影响材料的抗氧化性，因此控制在
0.lwt%以下。添加适量的Ti可提高材料的固容强化效果，提高合金的强度，势必提高材料在高温条件下的强度，同时，Ti是稳定化元素，添加适量的Ti可通过合适的热处理改善焊接后的焊缝性能。但Ti的添加量过高则影响材料的抗氧化能力及焊接性，因此控制其含量在0.01?1.0wt%之间。合金加入一定量的Si，也可与Al类似形成抗高温氧化层，但其作用要远小于Al JSSi添加过量将使材料热加工及抗氧化能力急剧下降，同时还可能在合金中形成高温析出相影响材料的综合性能，在本发明中，仅作为微量元素控制。
[0025]Mg、Zr、B的添加可提高合金的高温强度，该类元素在合金中一般在晶界及枝晶间聚集，适量的配合添加可显著提高材料的高温强度，同时，该类元素的添加可改善合金中的夹杂物形态，提尚材料整体耐尚温氧化能力的同时还可提尚表层氧化层的稳定性，提尚材料在动态氧化环境下的氧化能力，但这类元素如添加过量将造成材料塑韧性快速下降，影响材料的加工性能，因此本发明中其添加原则为:Mg:0.01 -0.05% ；B:0.002 ~ 0.03% ；Zr:0.01 ?0.15%。
[0026]由于本发明合金材料电弧炉+精炼的方式熔炼，N虽然对材料的强度提高有优势但考虑到合金中含较高含量的Al、Ti，易形成脆性夹杂，因此控制其含量在0.01?0.02%之间。同时，P、S对高温合金的热塑性造成影响，因此控制其含量均小于0.01wt%。
[0027]本发明的镍基高温合金可采用电弧炉+AOD精炼的方式生产，然后经电渣重熔后成锭，后经锻造、乳制等方式热加工成板材、锻件等。
[0028]本发明特点:
[0029]1.通过添加适量的Al、Cr等元素提高合金基体以及在高温长期使用条件下的抗氧化能力，可满足温度在1200°C下长期使用的要求。
[0030]2.添加微量的Mg、B、Zr等元素提高材料的高温强度及高温持久蠕变性能，可大大提高材料在长期高温服役条件的循环使用性能。
[0031]3.通过合适的成分设计，本发明合金可采用大型电弧炉+精炼的方式冶炼，在提高成材率、节约生产成本的同时还对大规格镍基合金材料的供货能力具有积极的实际意义。
[0032]下面通过选择具体的成分形成本发明的镍基高温合金，并且经过对比测试来说明本发明镍基高温合金的特点。
[0033]图2所示为本发明的多个实施例和对比合金的化学成分对比表，其中Al?A4为本发明，为便于比较本发明的效果，选取两种常用成分体系的耐高温镍基合金B1、B2作为对比例进行参照。在图2中，Ni均为余量，试验钢板厚度均为20mm。
[0034]Al?A4、B1均采用电弧炉冶炼+AOD精炼，经电渣重熔后锻造开坯，在热乳成钢板经固容热处理后进行高温性能对比检测，B2采用真空+电渣成锭，再经锻造开坯后热乳成钢板后检测。
[0035]如图3、图4、图5所示，分别对试验及比较合金的钢板进行性能检测，比较项目为高温拉伸性能、抗氧化性能和高温持久性能。从图3、图4、图5的对比可以看出，本发明合金与对比合金在高温拉伸性能上并未有明显的差距，但在高温氧化性能上，本发明合金在1200°C上仍具有较好的耐高温氧化性能，在高温持久性能上，本发明合金与B2相当，但较BI有明显优势。
[0036]本发明合金由于其较现有耐热镍基合金具有优良的耐高温氧化及持久蠕变性能，并且是通过电弧炉+精炼实现制锭的，较现有高性能耐热镍基合金在生产上成材率有极大提高，同时，可降低生产成本提高生产效率，并能提供大规格尺寸材料。其成功设计开发对国内高性能特种合金的应用将会带来巨大的社会和经济效益。
[0037]本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。
【主权项】
1.一种耐高温氧化镍基合金，其特征在于，其各个成分的重量百分比为:C:≤ 0.1%、Cr:15 ?30%、Al:1.0 ?2.5%、T1:0.0l ?1.0%、S1:≤ 0.3%、Mn:≤ 0.5%、Mg:0.01 ?0.05%、B:0.002 ?0.03%、Zr:0.01 ?0.15%、N:0.01 ?0.02%、P≤ 0.010%、S ≤ 0.010% ； 其中，P+S ( 0.015% ； 其余为Ni和不可避免的杂质组成。2.如权利要求1所述的耐高温氧化镍基合金，其特征在于，其各个成分的重量百分比为:C:0.02 %, Si:0.1 %, Mn:0.2 %, Cr:15 %、Al:1.0 %、T1:1.0 %、B:0.03 %、Zr:0.10%、P:0.01%、S:0.002%、N:0.01 %、Mg:0.05% ； 其余为Ni和不可避免的杂质组成。3.如权利要求1所述的耐高温氧化镍基合金，其特征在于，其各个成分的重量百分比为:C:0.l%、Si:0.2%、Mn:0.2%,Cr:20%、Al:2.0%、T1:0.3%、B:0.02%、Zr:0.10%、P:0.008%、S:0.01%、N:0.015%、Mg:0.03% ； 其余为Ni和不可避免的杂质组成。4.如权利要求1所述的耐高温氧化镍基合金，其特征在于，其各个成分的重量百分比为:C:0.05 %、S1:0.3 %、Mn:0.5%, Cr -.25%, Al:2.5 %、T1:0.2 %、B:0.003 %、Zr:0.03%、P:0.008%、S:0.005%、N:0.02%、Mg:0.01% ； 其余为Ni和不可避免的杂质组成。5.如权利要求1所述的耐高温氧化镍基合金，其特征在于，其各个成分的重量百分比为:C:0.02 %、S1:0.3 %、Mn:0.4%, Cr -.22%, Al:2.3 %、T1:0.2 %、B:0.002 %, Zr:.0.02%、P:0.005%、S:0.002%、N:0.018%、Mg:0.02% ； 其余为Ni和不可避免的杂质组成。
【文档编号】C22C19/05GK105838925SQ201510012838
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2015年1月12日
【发明人】徐文亮, 马天军
【申请人】宝钢特钢有限公司