一種鐵鎳鉻基高溫合金及其制造方法技術

一種鐵鎳鉻基高溫合金及其制造方法，其化學成分重量百分比為：C：0.02～0.08％；Ni：40.0～45.0％；Cr：11.0～14.0％；Al：0.8～1.5％；Ti：2.5～3.1％；Nb：0.5～1.2％；W：1.0～1.5％；Mo：4.0～5.0％；B：0.010～0.025％；Mg：0.001～0.008％；Ce：0.01～0.03％，其余為Fe和不可避免的雜質；且上述元素同時需滿足如下關系：3.8％≤Al+Ti+Nb≤5.8％，5.5％≤W+Mo+Nb≤7.7％。本發明專利技術合金的室溫抗拉強度Rm≥1300MPa，屈服強度Rp0.2≥900MPa，伸長率A5≥18％，斷面收縮率Z≥24％，且在650℃下持久性能非常優異，可使用在700℃以下的熱端部件，如發動機壓氣機盤、汽輪機轉軸、增壓渦輪部件等。

【技術實現步驟摘要】
一種鐵鎳鉻基高溫合金及其制造方法
本專利技術屬于變形高溫合金制造的相關
，具體涉及一種鐵鎳鉻基高溫合金及其制造方法。
技術介紹
高溫合金又稱熱強合金、耐熱合金或超合金，它可以在600℃以上的氧化和燃氣腐蝕條件下承受一定的復雜應力，能長期可靠工作。按其生產工藝可以分為變形合金、鑄造合金和粉末合金，其中變形高溫合金以其優異的抗氧化腐蝕性能，及優異的高溫強度而廣泛應用于航空航天、電力、油氣、車輛等領域。高溫合金按其成分則又可分為鐵基、鎳基和鈷基合金，其中，鐵基合金以變形為主，是在鐵鎳鉻基體上添加合金化元素發展起來的，其在成本經濟性方面相對于鎳基和鈷基合金具有顯著的優勢。鐵鎳鉻基變形合金的性能取決于合金成分、制造工藝及熱處理制度，其中強度及強度與塑性的匹配是合金最重要的實物質量指標之一，它最終取決于合金成分及成品鋼材的顯微組織狀態。因此，可以通過合金成分的設計、制造工藝的改進及熱處理工藝的優化來提高合金的綜合力學性能。Incoloy901合金(美國標準牌號為UNSN09901，中國牌號為GH901合金)是發展較早且使用較為廣泛的鐵鎳鉻基變形高溫合金，其標準成分如表1所示。該合金是奧氏體型的時效硬化合金，在650℃以下具有較高的屈服強度和持久強度，760℃以下抗氧化良好，廣泛用于制造在650℃以下工作的航空及地面燃氣渦輪發動機的轉動盤件、渦輪外環及緊固件等熱端部件。在650℃及以上溫度，該合金強度裕度表現不足，且組織穩定性明顯弱于同類鎳基合金，這就影響了零件的使用壽命以及制約了該合金的應用。中國自主研制的鐵鎳鉻基GH761合金(成分見表1)具有較高的強度，能夠滿足650～700℃的使用要求。但該合金的塑性成為其薄弱環節，從該合金生產實踐看，其熱加工性較差，工藝窗口較窄，容易產生鍛造表面裂紋，降低材料的收得率；另一方面，該合金的塑性較低，與標準要求相比，其塑性裕度很小，且受制造工藝影響較大，往往造成塑性達不到標準要求。中國專利CN901102849公開了一種用于航空發動機環件的鐵鎳鉻基變形高溫合金(成分見表1)，因其Al、Ti等強化元素含量有限，在適當的熱加工和熱處理后，合金強度較低、塑性較高。因此，提高合金強度，就必須提高Al、Ti和W、Mo等強化元素的含量。中國專利CN911062645公開了一種管材用鐵鎳鉻基高溫合金(成分見表1)，其在少量Al、Ti的基礎上，添加了一定量的Mo和少量的Nb，經合適的固溶和兩次時效處理，室溫強度也只能達到1100MPa左右。美國專利US5370838A公開了一種鐵鎳鉻基高溫合金(成分見表1)，加入了適量的Al、Ti、W、Mo、Nb強化元素，但由于其基體元素鎳含量偏低，高溫穩定性欠佳，不適合在較高溫度使用。因此，亟需設計一種合金成分，同時優化制造工藝，使合金有較高強度，且塑性匹配良好，并有較好的熱加工性能。表1
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種鐵鎳鉻基高溫合金及其制造方法，該合金的室溫抗拉強度Rm≥1300MPa，屈服強度Rp0.2≥900MPa，伸長率A5≥18％，斷面收縮率Z≥24％，具有高強度和良好塑性匹配，以及熱加工性能較好、鍛造工藝窗口較大等特點，且其在650℃/620MPa下持久性能非常優異，具體是其斷裂時間τ≥195小時，伸長率A5≥10％，斷面收縮率Z≥15％，可以使用在700℃以下的熱端部件，如發動機壓氣機盤、汽輪機轉軸、增壓渦輪部件等。為達到上述目的，本專利技術的技術方案是：一種鐵鎳鉻基高溫合金，其化學成分重量百分比為：C：0.02～0.08％；Ni：40.0～45.0％；Cr：11.0～14.0％；Al：0.8～1.5％；Ti：2.5～3.1％；Nb：0.5～1.2％；W：1.0～1.5％；Mo：4.0～5.0％；B：0.010～0.025％；Mg：0.001～0.008％；Ce：0.01～0.03％，其余為Fe和不可避免的雜質；且上述元素同時需滿足如下關系：3.8％≤Al+Ti+Nb≤5.8％，5.5％≤W+Mo+Nb≤7.7％。進一步，本專利技術所述鐵鎳鉻基高溫合金室溫下的抗拉強度Rm≥1300MPa，屈服強度Rp0.2≥900MPa，伸長率A5≥18％，斷面收縮率Z≥24％；650℃/620MPa下，其斷裂時間τ≥195h，伸長率A5≥10％，斷面收縮率Z≥15％。本專利技術所述鐵鎳鉻基高溫合金的基體顯微組織是單一的奧氏體，基體強化相為γ′相，晶界強化相為含W、Mo、Nb的M23C6和M6C型碳化物。在本專利技術鋼的成分設計中：C：C是高溫合金中碳化物形成的必需元素。一方面要保證有適量的碳化物在晶界析出：一是阻礙晶界遷移，起著細化晶粒的作用；二是可起到強化晶界的作用。另一方面要防止過多的碳化物造成碳化物條帶、夾雜物過多和偏析，致使晶粒組織不均勻和力學性能惡化。綜合以上因素考慮，C的含量控制在0.02～0.08％之間。Ni：Fe-Ni-Cr組成了該合金的基體，Fe作為余量元素加入，能替換部分Ni，降低合金的原料成本，這正是Fe-Ni-Cr基合金的經濟性優勢。因此，在保證合金穩定性的前提下，Ni的含量控制在40.0～45.0％之間。Cr：Cr作為基體元素加入，一方面是保證形成單相奧氏體固溶體，另一方面是要考慮合金的耐蝕性和抗氧化性。并且，Cr是提高合金耐蝕性最有效的元素。因此，Cr的含量控制在11.0～14.0％之間。Al：Al是γ′強化相中必不可少的形成元素，而γ′強化相是高溫合金中最重要的一種析出強化相。通過控制合適的Al及適當的熱處理制度，可以析出數量和尺寸合適的γ′相，以強化合金。同時，加入一定量的Al對于合金的抗氧化性能有明顯的提高，在高溫下Al與O2結合，在合金表面形成一層致密的Al2O3氧化膜，對合金形成保護。Al含量越高，γ′相的析出量越大，但Al過高會增加合金熱加工的難度，使材料容易產生裂紋。因此，Al的含量控制在0.8～1.5％之間。Ti：合金中Ti很容易溶解于γ′相，最多能置換三分之二的Al原子，可以大大增加γ′相的析出數量，從而提高其強化能力。但Ti加入過多就會降低γ′相的高溫穩定性，易形成η相(Ni3Ti)，而η相無時效硬化效果，η相析出會削弱γ′相的強化效果。因此，Ti的含量控制在2.5～3.1％之間。Nb：本合金設計中含有少量的Nb，是因為Nb也能置換γ′相中的Al。Nb溶入γ′相后，除了本身的高溫強度有所提高，還能提高γ′相的高溫穩定性，而且析出顆粒變小，彌散強化效果提高。另外，本合金中的部分Nb還會促進M6C型碳化物的析出，強化晶界。過高的Nb會產生富Nb碳化物偏析，甚至Laves相。因此，Nb的含量控制在0.5～1.2％之間。W：W元素在合金強化相和基體中的分配量相當，因此，本合金加入一定量的W，一方面W溶入γ′相，可以減緩γ′相的長大傾向，提高其高溫穩定性。同時W還是強碳化物形成元素，促進晶界碳化物的析出，提高晶界強度。另一方面，W溶入奧氏體基體，還起到固溶強化的作用，提高基體的高溫穩定性。因此，W的含量控制在1.0～1.5％之間。Mo：Mo元素與W元素作用相近，但Mo元素主要溶入基體，起到固溶強化和提高奧氏體基體高溫穩定性的作用。部分溶入析出相的Mo起提高γ′相穩定性和促進晶界碳化物析出的作用。由于Mo元素較為昂本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種鐵鎳鉻基高溫合金，其化學成分重量百分比為：C：0.02～0.08％；Ni：40.0～45.0％；Cr：11.0～14.0％；Al：0.8～1.5％；Ti：2.5～3.1％；Nb：0.5～1.2％；W：1.0～1.5％；Mo：4.0～5.0％；B：0.010～0.025％；Mg：0.001～0.008％；Ce：0.01～0.03％，其余為Fe和不可避免的雜質；且上述元素同時需滿足如下關系：3.8％≤Al+Ti+Nb≤5.8％，5.5％≤W+Mo+Nb≤7.7％。

【技術特征摘要】
1.一種鐵鎳鉻基高溫合金，其化學成分重量百分比為：C：0.02～0.08％；Ni：40.0～45.0％；Cr：11.0～14.0％；Al：0.8～1.5％；Ti：2.5～3.1％；Nb：0.5～1.2％；W：1.0～1.5％；Mo：4.0～5.0％；B：0.010～0.025％；Mg：0.001～0.008％；Ce：0.01～0.03％，其余為Fe和不可避免的雜質；且上述元素同時需滿足如下關系：3.8％≤Al+Ti+Nb≤5.8％，5.5％≤W+Mo+Nb≤7.7％；所述鐵鎳鉻基高溫合金的制造方法包括如下步驟：1)冶煉按上述成分冶煉成鑄態鋼錠；2)鋼錠加熱鋼錠在1120～1160℃加熱保溫，保證鋼錠保溫燒透；3)鋼錠開坯及鍛造鋼錠開坯首火次變形量為20～30％，后續火次變形量為30～50％；開鍛溫度≥980℃，終鍛溫度≥850℃；末火成材前的回爐保溫溫度為1050±10℃，保證鋼坯保溫燒透；鍛至成品規格后，在950～1000℃保溫2～4h，爐冷至500℃以下，出爐空冷；4)熱處理固溶處理：1070～1100℃保溫2～4h，水冷；時效處理：790～850℃保溫3～5h，空冷；710～750℃保溫24～36小時，空冷。2.如權利要求1所述的鐵鎳鉻基高溫合金，其特征在于，所述鐵鎳鉻基高溫合金室溫下的抗拉強度Rm≥1300MPa，屈服強度Rp0.2≥900MPa，伸長率A5≥18％，斷面收縮率Z≥24...

【專利技術屬性】
技術研發人員：魏志剛，陳國勝，王資興，代朋超，張健英，趙雅婷，
申請(專利權)人：寶鋼特鋼有限公司，
類型：發明
國別省市：上海;31