阅读说明：本技术 一种高W、Mo含量镍基高温合金及其制备方法 (Nickel-based high-temperature alloy with high W, Mo content and preparation method thereof ) 是由 李成龙 浦益龙 赵长虹 王世普 孙文儒 荣文凯 王玉葵 贾鸿远 钟裕国 夏翅鹏 于 2020-05-28 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种高W、Mo含量镍基高温合金,按质量百分比计,合金中元素的组分含量为：C 0.013～0.018wt%、Cr 20～21wt%、W 7.9～8.1wt%、Mo 7.9～8.1wt%、Al 0.6～0.75wt%、Ti 0.6～0.75wt%、Mn 0.28～0.33wt%、Si 0.15～0.20wt%、P 0.002～0.013wt%、S 0.001～0.013wt%、Fe 0.11～0.19wt%、B 0.002～0.005wt%、Ce 0.02～0.05wt%、Zr 0.02～0.06wt%、余量为Ni。本发明通过优化元素成分配比,降低了碳化物的析出倾向,碳化物分布更加均匀,减少聚集倾向。(The invention provides a high W, Mo content nickel-based high-temperature alloy, which comprises the following elements in percentage by mass: 0.013-0.018 wt% of C, 20-21 wt% of Cr, 7.9-8.1 wt% of W, 7.9-8.1 wt% of Mo, 0.6-0.75 wt% of Al, 0.6-0.75 wt% of Ti, 0.28-0.33 wt% of Mn, 0.15-0.20 wt% of Si, 0.002-0.013 wt% of P, 0.001-0.013 wt% of S, 0.11-0.19 wt% of Fe, 0.002-0.005 wt% of B, 0.02-0.05 wt% of Ce, 0.02-0.06 wt% of Zr and the balance of Ni. According to the invention, by optimizing the element component proportion, the precipitation tendency of the carbide is reduced, the carbide is more uniformly distributed, and the aggregation tendency is reduced.)

一种高W、Mo含量镍基高温合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及镍基高温合金制造领域，尤其涉及一种高W、Mo含量镍基高温合金及其制备方法。

背景技术

GH3128合金是以W、Mo元素固溶强化并用B、Ce、Zr强化晶界的镍基合金，成分见表1。该合金具有高的塑性、较高的持久蠕变强度以及良好的抗氧化性和冲压焊接等性能。适用于950℃下长期工作的航空发动机的燃烧室火焰筒、加力燃烧室壳体、调节片及其他高温零部件。该合金在固溶状态为单相奥氏体组织，含有少量细小均匀分布的TiN和和大量M6C，在长期失效过程中析出M6C、μ以及M23C6等相。

表1元素成分wt％

目前国内主流的生产方式为：非真空感应+电渣容重熔+自由锻成材，该合金由于W、Mo元素含量较高(平均8％)且Cr元素平均20.5％，因此合金凝固过程中以M6C为代表碳化物会大量析出，同时碳化物的析出过程容易产生异常聚集造成组织不均，高倍组织见图1；内部异常聚集的碳化物对下游用户的使用带来产品质量风险，用户在热加工过程有一定概率出现裂纹，经后期验证裂纹出现的位置均伴随碳化物异常聚集，因此改善GH3128合金棒材内部组织的碳化物聚集对提升材料质量水平的关键环节。

发明内容

本发明的目的是在于克服、补充现有技术中存在的不足，提供一种高W、Mo含量镍基高温合金及其制备方法，通过改变工艺制造方法使材料在保证其常规力学性能不受影响的前提下，减少内部碳化物的聚集程度、提高材料的均匀度，以获得综合性能更佳的镍基高温合金。

本发明采用的技术方案是：

一种高W、Mo含量镍基高温合金，其中：按质量百分比计，所述合金中元素的组分含量为：C 0.013～0.018wt％、Cr 20～21wt％、W 7.9～8.1wt％、Mo 7.9～8.1wt％、Al 0.6～0.75wt％、Ti 0.6～0.75wt％、Mn 0.28～0.33wt％、Si 0.15～0.20wt％、P 0.002～0.013wt％、S 0.001～0.013wt％、Fe 0.11～0.19wt％、B 0.002～0.005wt％、Ce 0.02～0.05wt％、Zr 0.02～0.06wt％、余量为Ni。

一种高W、Mo含量镍基高温合金的制备方法，其中：包括以下步骤：

1)镍基高温合金合金的组分按质量百分比计为：C 0.013～0.018wt％、Cr 20～21wt％、W 7.9～8.1wt％、Mo 7.9～8.1wt％、Al 0.6～0.75wt％、Ti 0.6～0.75wt％、Mn0.28～0.33wt％、Si 0.28～0.33wt％、、P 0.002～0.013wt％、S 0.001～0.013wt％、Fe0.11～0.19wt％、B 0.002～0.005wt％、Ce 0.02～0.05wt％、Zr 0.02～0.06wt％、余量为Ni；将C、Cr、W、Mo、Si、P、S、Fe、Ni加入坩埚，并将坩埚放入真空感应炉进行真空熔炼，将Al、Ti加入坩埚进行精炼，然后加入B、Ce、Zr、Mn充氩气，浇铸，得到铸锭；

2)将铸锭加入渣池，并加入熔渣进行电渣重熔，得到电渣锭；

3)将电渣锭加入加热炉随炉进行热处理，锻造，冷却，得到锻件。

优选的是，所述的高W、Mo含量镍基高温合金的制备方法，其中：所述步骤1)真空熔炼时的工作真空度≤15Pa；所述原料熔化温度为1480～1500℃。

优选的是，所述的高W、Mo含量镍基高温合金的制备方法，其中：所述步骤1)精炼真空度≤5Pa，精炼温度为1500～1520℃，精炼时间为60～120min。

优选的是，所述的高W、Mo含量镍基高温合金的制备方法，其中：所述步骤1)充氩气的压力为3000～5000Pa；充氩气时的温度为1480～1500℃。

优选的是，所述的高W、Mo含量镍基高温合金的制备方法，其中：所述步骤2)熔渣包括58.5％～60.5％CaF₂、19.5％～21.5％Al₂O₃、10％～11％CaO、9％～10％MgO；熔渣加入量为铸锭重量的4％～8％。

优选的是，所述的高W、Mo含量镍基高温合金的制备方法，其中：所述步骤3)热处理温度为1160～1200℃，时间为40～80h。

优选的是，所述的高W、Mo含量镍基高温合金的制备方法，其中：所述步骤3)锻造经多次镦拔。

优选的是，所述的高W、Mo含量镍基高温合金的制备方法，其中：每次所述镦拔粗压下量≥30％，每次镦粗后立即进行拔长操作，控制压下量为30～50mm，控制每次的变形量≥50％。

本发明的优点：本发明的高W、Mo含量镍基高温合金及其制备方法选用优质原材料避免了有害元素的带入；通过优化元素成分配比，降低了碳化物的析出倾向；熔炼设备为真空感应炉可以有效控制材料的气体N元素，将材料中气体N元素的含量由平均300ppm降低至≤50ppm；电渣重熔选用的电极采用“充填端”先熔化的熔炼方式，缩小了电渣重熔的熔炼参数波动范围；经锻制棒材后的碳化物分布更加均匀，减少聚集倾向。

附图说明

图1为GH3128常规锻制镍基高温合金的内部高倍组织图。

图2为GH3128常规锻制镍基高温合金经进一步热加工产生的内部裂纹附近碳化物分布图。

图3为本发明实施例1制备的镍基高温合金的内部高倍组织图。

图4为本发明实施例2制备的镍基高温合金的内部高倍组织图。

图5为本发明实施例3制备的镍基高温合金的内部高倍组织图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

一种高W、Mo含量镍基高温合金，按质量百分比计，合金中元素的组分含量为：C0.013wt％、Cr 20wt％、W 7.9wt％、Mo 7.9wt％、Al 0.6wt％、Ti 0.6wt％、Mn 0.28wt％、Si0.15wt％、P 0.002wt％、S 0.001wt％、Fe 0.11wt％、B 0.002wt％、Ce 0.02wt％、Zr0.02wt％、余量为Ni。

2.一种高W、Mo含量镍基高温合金的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)镍基高温合金合金的组分按质量百分比计为：C 0.013wt％、Cr 20wt％、W7.9wt％、Mo 7.9wt％、Al 0.6wt％、Ti 0.6wt％、Mn 0.28wt％、Si 0.15wt％、P 0.002wt％、S 0.001wt％、Fe 0.11wt％、B 0.002wt％、Ce 0.02wt％、Zr 0.02wt％、余量为Ni；将C、Cr、W、Mo、Si、P、S、Fe、Ni加入坩埚，并将坩埚放入真空感应炉进行真空熔炼，真空熔炼时的工作真空度≤15Pa，所述原料熔化温度为1480℃，将Al、Ti加入坩埚进行精炼，精炼真空度≤5Pa，精炼温度为1500℃，精炼时间为60min，然后加入B、Ce、Zr、Mn充氩气，充氩气的压力为3000Pa，充氩气时的温度为1480℃，浇铸，得到铸锭；

2)将铸锭加入渣池，并加入熔渣进行电渣重熔，得到电渣锭；熔渣包括59.5％CaF₂、19.5％Al₂O₃、11％CaO、10％MgO；熔渣加入量为铸锭重量的4％～8％；电渣炉结晶器底部放置相同材质、规格为25mm*Φ250mm的圆饼状底垫，避免了杂质元素在熔炼过程的混入，电渣重熔选用的电极采用“充填端”先熔化的熔炼方式，利于正式熔炼阶段电渣重熔过程的电流和熔化速率的稳定性控制；冶炼电压为造渣采用电压在60-64V，冶炼50分钟后换按56-63V控制，冶炼电流为7500-8500A；

3)将电渣锭加入加热炉随炉进行热处理，热处理温度为1160℃，时间为40h，热处理改善合金锭内部的枝晶偏析倾向，锻造，锻造加热炉炉温均匀性控制要求在±15℃范围内，利于控制锻造后的组织均匀性，锻造经多次镦拔，每次镦拔粗压下量≥30％，每次镦粗后立即进行拔长操作，控制压下量为30mm，控制每次的变形量≥50％，冷却，得到锻件。

实施例2：

一种高W、Mo含量镍基高温合金，按质量百分比计，合金中元素的组分含量为：C0.015wt％、Cr 20.5wt％、W 8.0wt％、Mo 8.0wt％、Al 0.65wt％、Ti 0.68wt％、Mn0.30wt％、Si 0.19wt％、P 0.010wt％、S 0.010wt％、Fe 0.15wt％、B 0.003wt％、Ce0.03wt％、Zr 0.04wt％、余量为Ni。

一种高W、Mo含量镍基高温合金的制备方法，其中：包括以下步骤：

1)镍基高温合金合金的组分按质量百分比计为：C 0.015wt％、Cr 20.5wt％、W8.0wt％、Mo 8.0wt％、Al 0.65wt％、Ti 0.68wt％、Mn 0.30wt％、Si 0.19wt％、P0.010wt％、S 0.010wt％、Fe 0.15wt％、B 0.003wt％、Ce 0.03wt％、Zr 0.04wt％、余量为Ni；将C、Cr、W、Mo、Si、P、S、Fe、Ni加入坩埚，并将坩埚放入真空感应炉进行真空熔炼，真空熔炼时的工作真空度≤15Pa，原料熔化温度为1480℃，将Al、Ti加入坩埚进行精炼，精炼真空度≤5Pa，精炼温度为1500℃，精炼时间为100min，然后加入B、Ce、Zr、Mn充氩气，充氩气的压力为4000Pa；充氩气时的温度为1480℃，浇铸，得到铸锭；

2)将铸锭加入渣池，并加入熔渣进行电渣重熔，得到电渣锭；熔渣包括58.5％CaF₂、20.5％Al₂O₃、10％CaO、10％MgO；熔渣加入量为铸锭重量的5％；电渣炉结晶器底部放置相同材质、规格为25mm*Φ250mm的圆饼状底垫，避免了杂质元素在熔炼过程的混入，电渣重熔选用的电极采用“充填端”先熔化的熔炼方式，利于正式熔炼阶段电渣重熔过程的电流和熔化速率的稳定性控制。冶炼电压时造渣采用电压在60-64V，冶炼50分钟后换按56-63V控制，冶炼电流为7500-8500A；

3)将电渣锭加入加热炉随炉进行热处理，热处理温度为1180℃，时间为60h，锻造，锻造经多次镦拔，每次镦拔粗压下量≥30％，每次镦粗后立即进行拔长操作，控制压下量为40mm，控制每次的变形量≥50％，冷却，得到锻件。

实施例3：

一种高W、Mo含量镍基高温合金，：按质量百分比计，合金中元素的组分含量为：C0.018wt％、Cr 21wt％、W 8.1wt％、Mo 8.1wt％、Al 0.75wt％、Ti 0.75wt％、Mn 0.33wt％、Si 0.20wt％、P 0.013wt％、S 0.013wt％、Fe 0.19wt％、B 0.005wt％、Ce 0.05wt％、Zr0.06wt％、余量为Ni。

一种高W、Mo含量镍基高温合金的制备方法，包括以下步骤：

1)镍基高温合金合金的组分按质量百分比计为：C 0.018wt％、Cr 21wt％、W8.1wt％、Mo 8.1wt％、Al 0.75wt％、Ti 0.75wt％、Mn 0.33wt％、Si 0.20wt％、P0.013wt％、S 0.013wt％、Fe 0.19wt％、B 0.005wt％、Ce 0.05wt％、Zr 0.06wt％、余量为Ni；将C、Cr、W、Mo、Si、P、S、Fe、Ni加入坩埚，并将坩埚放入真空感应炉进行真空熔炼，真空熔炼时的工作真空度≤15Pa；所述原料熔化温度为1500℃，将Al、Ti加入坩埚进行精炼，精炼真空度≤5Pa，精炼温度为1520℃，精炼时间为120min，然后加入B、Ce、Zr、Mn充氩气，充氩气的压力为5000Pa，充氩气时的温度为1500℃浇铸，得到铸锭；

2)将铸锭加入渣池，并加入熔渣进行电渣重熔，得到电渣锭；熔渣包括60.5％CaF₂、20.5％Al₂O₃、10％CaO、9％MgO；熔渣加入量为铸锭重量的4％～8％；电渣炉结晶器底部放置相同材质、规格为25mm*Φ250mm的圆饼状底垫，避免了杂质元素在熔炼过程的混入，电渣重熔选用的电极采用“充填端”先熔化的熔炼方式，利于正式熔炼阶段电渣重熔过程的电流和熔化速率的稳定性控制；冶炼电压为造渣采用电压在60-64V，冶炼50分钟后换按56-63V控制，冶炼电流为7500-8500A；

3)将电渣锭加入加热炉随炉进行热处理，热处理温度为1200℃，时间为80h，锻造，锻造经多次镦拔，每次镦拔粗压下量≥30％，每次镦粗后立即进行拔长操作，控制压下量为50mm，控制每次的变形量≥50％，冷却，得到锻件。

性能测试：

将实施例1～3的镍基高温合金锻件成品规格为Φ150mm的测试样经1190℃*1h热处理进行力学性能测试。

超声波检验：实施例1～3的锻件成品逐支进行100％超声波检验。

高倍组织：实施例1～3的锻件成品高倍组织，晶粒度和碳化物分布见图3～5。

下面列出实施例1～3的力学性能测试结果：

实施例1～3的棒材逐支进行100％超声波检验，符合GB/T4162-2008的A级要求。

附图1所示为GH3128常规锻制棒材的内部高倍组织，其中黑色链状部分为碳化物析出后状态，如图可见材料内部碳化物析出明显，同时呈现了明显的局部聚集现象；附图2所示的是GH3128经的棒材经进一步热加工产生的内部裂纹，通过对裂纹进行超声波定位后，对裂纹位置进行高倍组织分析，发现裂纹附近有大量的碳化物聚集，故此可以推断出热加工的裂纹是延碳化物聚集处产生。

附图3～5是实施例1、实施例2、实施例3的锻制棒材的高倍组织，可以证明经本发明指导制造工艺后，虽然个别碳化物仍有少量残留，但整体的碳化物分布和数量都有明显改善。最终得出结论，高W、Mo含量的镍基GH3128高温合金棒材的内部碳化物聚集问题得到了有效的控制。

一种高W、Mo含量镍基高温合金及其制备方法选用优质原材料避免了有害元素的带入；优化元素成分配比，降低了碳化物的析出倾向；原料加入真空感应炉进行真空熔炼，将材料中气体N元素的含量由平均300ppm降低至≤50ppm；电渣重熔选用的电极采用“充填端”先熔化的熔炼方式，缩小了电渣重熔的熔炼参数波动范围；经锻制棒材后的碳化物分布更加均匀，减少聚集倾向。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。