阅读说明：本技术 一种超高强度恒弹性合金及其制备方法 (Ultrahigh-strength constant-elasticity alloy and preparation method thereof ) 是由 于一鹏 钟振前 张敬霖 吴滨 卢凤双 罗曦 张建生 张建福 于 2020-04-23 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种超高强度恒弹性合金及其制备方法,该合金的化学成分按重量百分比表示为：Ni 16.0～21.0、Co 7.0～13.5、W 0.05～3、Mo 3～6、Nb 0.05～0.5、Ti 0.35～1.0、Al 0.05～0.3、P＜0.01、S＜0.01,余量为Fe；所述合金采用真空感应熔炼+真空自耗重熔→锻造成形→循环相变热处理→固溶处理→回火处理工艺制备。本发明在FeNiCoMoTiAl系合金的基础上,添加适量的W、Nb元素,通过调整制备方法,选择合适的时效热处理,获得的合金在20℃～100℃的温度范围,抗拉强度高于1510MPa,频率温度系数≤20×10<Sup>-6</Sup>/℃。(The invention relates to an ultrahigh-strength constant-elasticity alloy and a preparation method thereof, wherein the alloy comprises the following chemical components in percentage by weight: 16.0 to 21.0 Ni, 7.0 to 13.5 Co, 0.05 to 3W, 3 to 6 Mo, 0.05 to 0.5 Nb, 0.35 to 1.0 Ti, 0.05 to 0.3 Al, and less than 0.01PThe invention adds a proper amount of W, Nb elements on the basis of FeNiCoMoTiAl series alloy, selects proper aging heat treatment by adjusting the preparation method, and obtains the alloy with the temperature range of 20-100 ℃, the tensile strength higher than 1510MPa, the frequency temperature coefficient less than or equal to 20 × 10 and the temperature coefficient less than or equal to 20 × ‑6 /℃。)

一种超高强度恒弹性合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种超高强度恒弹性合金及其制备方法，在20℃～100℃的温度范围具有较高的强度以及较低的频率温度系数。

背景技术

FeNiCoMoTiAl系合金是沉淀硬化超高强度合金，通常利用时效热处理，在马氏体基体上析出沉淀相提高合金强度，其室温抗拉强度Rm可达1800MPa以上。该系合金合金中马氏体频率温度系数为负值，提高时效温度马氏体逆转变为奥氏体，逆转变奥氏体的频率温度系数为正值。通过合适的时效热处理，得到具有恰当马氏体奥氏体比例的两相合金，这种合金兼具高的强度和较低的频率温度系数。本申请的申请人对该合金进行了多年研发，于2014年9月12日申请了中国发明专利ZL201410466857.2，‘一种宽温域高强度恒弹性合金及其制备方法’，该合金的化学组成成分(wt.％)为Ni 34.0～39.0％，Co 12.0～18.0％，Ti2.3～3.0％，Al 0.3～0.8％，Si 0.30～0.80％，Mn 0.2～0.6％，C＜0.05％，P＜0.02％，S＜0.02％，余量为Fe，其中，W+2Mo 5.0～10.0。

发明内容

本发明的目的是通过对上述合金成分进行改进，得到一种超高强度恒弹性合金及其制备方法，即在FeNiCoMoTiAl系合金的基础上，添加适量的W、Nb元素，通过调整制备方法，选择合适的时效热处理，获得合金的室温抗拉强度高于1510MPa，频率温度系数|β_{f(20℃～100℃)}|≤20×10^-6/℃，该合金在降低合金元素含量的同时，其性能依然能够保持不降低。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种超高强度恒弹性合金，该合金的化学成分按重量百分比表示为：Ni 16.0～21.0、Co 7.0～13.5、W 0.05～3、Mo 3～6、Nb 0.05～0.5、Ti 0.35～1.0、Al 0.05～0.3、P＜0.01、S＜0.01，余量为Fe。

优选地，Ni 16.3～20.8、Co 7.7～13.1、W 0.6～2.6、Mo 3.5～5.5、Nb 0.1～0.44、Ti 0.39～0.85、Al 0.07～0.25、P＜0.002、S＜0.002，余量为Fe。

所述合金采用真空感应熔炼+真空自耗重熔→锻造成形→循环相变热处理→固溶处理→回火处理工艺制备。

所述合金的室温抗拉强度Rm大于1480MPa，频率温度系数|β_{f(20℃～100℃)}|≤20×10^-6/℃。

优选地，所述合金的室温抗拉强度Rm为1510～1610MPa，频率温度系数|β_{f(20℃～100℃)}|≤15×10^-6/℃。

所述合金在使用状态，具有以下微观组织的一种或多种：

Nb与Ni、Co形成的γ＂沉淀相，即Ni(Co)₃Nb相；；

Ti与Ni、Co形成的γ′沉淀相，即Ni(Co)₃Ti相；

Al与Ni、Co形成的γ′沉淀相，即Ni(Co)₃Al相；

所述γ′沉淀相还可以为Ni(Co)₃Ti(Al)相。

所述合金在使用状态晶粒度为9～11级。

一种超高强度恒弹性合金的制备方法，包括如下步骤：

(1)原材料准备

按照以下重量百分比化学组成准备合金原材料Ni 16.0～21.0、Co 7.0～13.5、W0.05～3、Mo 3～6、Nb 0.05～0.5、Ti 0.35～1.0、Al 0.05～0.3、P＜0.01、S＜0.01，余量为Fe；

(2)熔炼

利用真空感应炉熔炼合金，真空度≤1×10Pa，其中，Fe、Ni、Co、W、Mo作为一次加料直接放入坩锅；Nb、Ti、Al作为二次加料放入真空感应炉料斗，待所有原材料化清后精炼一定时间，之后在真空感应炉的真空室将钢液浇铸为电极棒；电极棒经真空自耗重熔，真空度≤1×10^-1Pa，形成自耗锭；

(3)热锻

自耗锭扒皮后，低于700℃装炉；升温速率控制在100～200℃每小时，经1100±10℃保温一定时间后，开坯时锻造成所需规格；

(4)热处理

热锻后的合金，经900±50℃循环相变热处理，晶粒度控制在8级以上；

(5)固溶处理

再进行810±50℃下固溶处理1±0.2h；

(6)回火处理

最后在50℃～625℃保温4小时进行真空时效处理，获得最终超高强度恒弹性合金。

本发明的关键在于，在目前FeNiCoMoTiAl系合金的基础上，通过向其中添加W、Nb元素，合金经熔炼-锻造-热处理后，在20℃～100℃的温度范围内，获得一种超高强度、低频率温度系数合金。

合金元素的作用及合金设计依据如下：

Ni、Co：主要合金化元素；

W、Mo：与Fe元素形成固溶体，其固溶强化作用；

Nb：主要强化元素，与Ni、Co形成γ＂沉淀相，即Ni(Co)₃Nb相；

Ti：主要强化元素，与Ni、Co形成γ′沉淀相，即Ni(Co)₃Ti相；

Al:强化元素，与Ni、Co形成γ′沉淀相，即Ni(Co)₃Al相；

P、S：杂质元素，含量越低越好。

其中，W原子尺寸大于Mo，固溶引起的晶格畸变效果大于Mo，有更强的固溶强化效果，可以用部分W来替代Mo。合金中添加Nb，在时效过程中弥散析出γ＂(Ni(Co)₃Nb)，可以进一步提升合金时效处理的沉淀强化效果。

所述γ′沉淀相还可以为Ni(Co)₃Ti(Al)相，因为在γ′沉淀相晶体结构中，Ni、Co可以互相置换，Ti、Al也可能互相置换。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明的超高强度恒弹性合金，通过调整合金成分和制备方法，选择合适的时效热处理，获得室温抗拉强度高于1510MPa，频率温度系数|β_{f(20℃～100℃)}|≤20×10^-6/℃，通过W、Nb元素的添加，提高合金固溶强化、沉淀强化效果，提升合金强度。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行进一步说明。

本发明涉及一种超高强度恒弹性合金，是在FeNiCoMoTiAl系超高强度合金的基础上添加适量的W、Nb，在20℃～100℃的温度范围内，获得一种高强度、低频率温度系数合金。

本发明所涉及的合金成分见表1。

表1超高强度恒弹性合金成分

成分	含量(重量％)
		Ni	16.0～21.0
Co	7.0～13.5
		W	0.05～3
Mo	3～6
		Nb	0.05～0.5
Ti	0.35～1.0
		Al	0.05～0.3
P	＜0.01
		S	＜0.01
Fe	余量

本发明的制备方法具有如下步骤：

熔炼

利用真空感应炉熔炼合金，真空度≤1×10Pa，熔炼过程中要严格控制合金元素的烧损量，使合金的成分控制在设计范围之内。其中Fe、Ni、Co、W、Mo作为一次加料直接放入坩锅；Nb、Ti、Al作为二次加料放入真空感应炉料斗，待所有原材料化清后精炼10分钟，之后在真空感应炉的真空室将钢液浇铸为电极棒。电极棒经真空自耗重熔，真空度≤1×10^-1Pa，形成自耗锭。

热锻

自耗锭扒皮后，低于700℃装炉。升温速率控制在100～200℃每小时，经1100±10℃保温适当时间后，开坯时锻造成所需规格。

热处理

热锻合金，经900℃循环相变热处理，晶粒度控制在8级以上。

固溶处理

再进行810℃×1h固溶处理。

回火处理

最后在50-625℃保温4小时进行真空时效处理。

实施例：

采用真空感应炉熔炼的5种成分合金的化学分析结果如表2所示：

表2熔炼合金的化学成分(质量百分比％)

对上述成分的合金采用的加工工艺：真空感应熔炼+真空自耗重熔→1050℃锻造成形→900℃循环相变热处理→810℃固溶处理→600℃保温4h回火处理。

经过上述工艺制备的超高强度恒弹性合金的物理、机械性能见表3所示，合金的室温抗拉强度Rm大于1500MPa；频率温度系数|β_{f(20℃～100℃)}|≤20×10^-6/℃。

表3超高强度恒弹性合金物理、机械性能