阅读说明：本技术 低膨胀高温合金及其制备方法 (Low expansion superalloy and preparation method thereof ) 是由 陈琦 周扬 张健 付建辉 于 2019-10-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种低膨胀高温合金及其制备方法,属于冶金生产工艺制造技术领域。提供一种高温物理性能优良、Cr含量适中的低膨胀高温合金及其制备方法。所述的低膨胀高温合金为包含有下述重量份组分的冶炼均匀化热处理锻件,所述的重量份组分为35～40％的Ni,13～15％的Co,1.5～1.8％的Ti,4.5～5.2％的Nb+Ta,0.2-0.5％的Cr,0.1～0.3％的Mo,0.2-0.4％的Si,C：≤0.06％,其余为Fe和不可避免的杂质,所述冶炼均匀化热处理锻件在650℃/510MPa下的持久寿命＞100h。所述的制备方法采用纯合金元素Ni、Co、Cr、Mo、Nb、Ti、Si以及C在真空感应炉+真空自耗炉中先后进行的双联工艺熔炼、铸锭、均匀化处理以及热处理几个步骤。(The invention discloses a kind of low expansion superalloys and preparation method thereof, belong to metallurgical production process manufacturing technology field.The low expansion superalloy and preparation method thereof that a kind of high-temperature physical property is excellent, Cr content is moderate is provided.The low expansion superalloy is the smelting homogenization heat treatment forging for including following weight parts component, the Ni that the parts by weight of component is 35~40%, 13~15% Co, 1.5~1.8% Ti, 4.5~5.2% Nb+Ta, the Cr of 0.2-0.5%, the Si of 0.1~0.3% Mo, 0.2-0.4%, C :≤0.06%, remaining is Fe and inevitable impurity, the creep rupture life > 100h for smelting homogenization heat treatment forging at 650 DEG C/510MPa.The melting of duplex technique, ingot casting, Homogenization Treatments and the several steps of heat treatment that the preparation method is successively carried out in vaccum sensitive stove+consumable electrode vacuum furnace using homozygosis gold element Ni, Co, Cr, Mo, Nb, Ti, Si and C.)

低膨胀高温合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高温合金，尤其是涉及一种低膨胀高温合金，属于冶金生产工艺制造技术领域。本发明还涉及一种用于所述低膨胀高温合金的制备方法。

背景技术

Fe-Ni-Co低膨胀高温合金是一种新型航空材料，该类合金在650℃下具有较高的强度、低膨胀系数和几乎恒定不变的弹性模量。主要用于制造航空发动机涡轮外环、压气机和燃烧室封严环等间隙控制零件。由于其低膨胀的特性，在高温工作环境下可有效控制发动机动部件和静部件之间的间隙大小，对提高发动机效率，减少燃气损失，降低油耗都具有十分重要的作用。

由于Fe-Ni-Co低膨胀高温合金中不含Cr，因此具有应力加速晶界氧化脆性倾向，这是因为当温度高于500℃以上时，氧沿晶界扩散，引起晶间脆化，从而降低合金的塑性和高温持久寿命。通过在低膨胀高温合金中加Cr、Mo元素，可以抑制合金的应力加速晶界氧化脆性倾向，提高合金的高温物理性能。但过量的Cr元素含量会显著提高合金的热膨胀系数，因此如何合理控制合金中的Cr元素含量便成为了Fe-Ni-Co低膨胀高温合金高温物理性能的重要因素。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种高温物理性能优良、Cr含量适中的低膨胀高温合金。本发明还提供了一种用于所述低膨胀高温合金的制备方法。

为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种低膨胀高温合金，所述的低膨胀高温合金为包含有下述重量份组分的冶炼均匀化热处理锻件，

所述的重量份组分为35～40％的Ni，13～15％的Co，1.5～1.8％的Ti，4.5～5.2％的Nb+Ta，0.2-0.5％的Cr，0.1～0.3％的Mo，0.2-0.4％的Si，C：≤0.06％，其余为Fe和不可避免的杂质，

所述冶炼均匀化热处理锻件在650℃/510MPa下的持久寿命＞100h。

进一步的是，在上述的重量份组分中，Ni+Co的总含量为50％～52％。

上述方案的优选方式是，上述重量份组分中不可避免的杂质包括O、S和P，其含量分别为O≤0.01％，S≤0.015％，P≤0.015％。

一种用于所述低膨胀高温合金的制备方法，所述的制备方法采用纯合金元素在真空感应炉+真空自耗炉中先后进行的双联工艺熔炼、铸锭、均匀化处理以及热处理几个步骤，

其中纯合金元素在真空感应炉+真空自耗炉中先后进行双联工艺熔炼时，Ni、Co、Cr、Mo、Nb、Ti、Si以及C均以各自独立存在的纯合金元素的形式加入真空感应炉中进行初熔。

进一步的是，在热处理前，先对均匀化处理的钢锭进行锻造，获得锻造棒材后再进行所述的热处理。

上述方案的优选方式是，所述的热处理包括顺序进行的固溶热处理和时效热处理。

本发明的有益效果是：本申请通过在原来没有含Cr组分的Fe-Ni-Co低膨胀高温合金中加Cr组分，并将所述Cr组分的含量控制在合理的范围；然后采用Ni、Co、Cr、Mo、Nb、Ti、Si以及C等纯合金元素在真空感应炉+真空自耗炉中先后进行的双联工艺熔炼、铸锭、均匀化处理以及热处理几个步骤来制造所述的低膨胀高温合金，这样，由于成品低膨胀高温合金中含有了控制范围内的Cr元素，从而不仅保持了Fe-Ni-Co低膨胀高温合金在650℃下具有的较高强度，低膨胀系数和几乎恒定不变弹性模量的特性，还通过Cr组分缓解了Fe-Ni-Co低膨胀高温合金的晶界氧化脆性倾向，降低了Fe-Ni-Co低膨胀高温合金的缺口敏感性，进而大幅度的延长了其高温持久寿命。

具体实施方式

为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供的一种高温物理性能优良、Cr含量适中的低膨胀高温合金，以及一种用于所述低膨胀高温合金的制备方法。所述的低膨胀高温合金为包含有下述重量份组分的冶炼均匀化热处理锻件，所述的重量份组分为35～40％的Ni，13～15％的Co，1.5～1.8％的Ti，4.5～5.2％的Nb+Ta，0.2-0.5％的Cr，0.1～0.3％的Mo，0.2-0.4％的Si，C：≤0.06％，其余为Fe和不可避免的杂质，所述冶炼均匀化热处理锻件在650℃/510MPa下的持久寿命＞100h。所述的制备方法采用纯合金元素在真空感应炉+真空自耗炉中先后进行的双联工艺熔炼、铸锭、均匀化处理以及热处理几个步骤，其中纯合金元素在真空感应炉+真空自耗炉中先后进行双联工艺熔炼时，Ni、Co、Cr、Mo、Nb、Ti、Si以及C均以各自独立存在的纯合金元素的形式加入真空感应炉中进行初熔。本申请通过在原来没有含Cr组分的Fe-Ni-Co低膨胀高温合金中加Cr组分，并将所述Cr组分的含量控制在合理的范围；然后采用Ni、Co、Cr、Mo、Nb、Ti、Si以及C等纯合金元素在真空感应炉+真空自耗炉中先后进行的双联工艺熔炼、铸锭、均匀化处理以及热处理几个步骤来制造所述的低膨胀高温合金，这样，由于成品低膨胀高温合金中含有了控制范围内的Cr元素，从而不仅保持了Fe-Ni-Co低膨胀高温合金在650℃下具有的较高强度，低膨胀系数和几乎恒定不变弹性模量的特性，还通过Cr组分缓解了Fe-Ni-Co低膨胀高温合金的晶界氧化脆性倾向，降低了Fe-Ni-Co低膨胀高温合金的缺口敏感性，进而大幅度的延长了其高温持久寿命。

上述实施方式中，为了尽可能的提高低膨胀高温合金在650℃下具有的较高强度，低膨胀系数和几乎恒定不变弹性模量的特性，并尽可能的缓解了Fe-Ni-Co低膨胀高温合金的晶界晶界氧化脆性倾向，降低了Fe-Ni-Co低膨胀高温合金的缺口敏感性，进而大幅度的延长了其高温持久寿命。本申请还相应的其它组分进行了控制，即在上述的重量份组分中，Ni+Co的总含量为50％～52％。上述重量份组分中不可避免的杂质包括O、S和P，其含量分别为O≤0.01％，S≤0.015％，P≤0.015％。而具体的制备过程中，在热处理前，先对均匀化处理的钢锭进行锻造，获得锻造棒材后再进行所述的热处理。所述的热处理包括顺序进行的固溶热处理和时效热处理。

具体实施例

本发明所要解决的技术问题是：提出一种高性能的低膨胀高温合金，该合金适用于航空发动机间隙控制零件的制备。使用该合金制造的零件在具有低膨胀系数的同时，还显著提高了合金的韧性和高温持久性能。

本发明的技术方案是：

一种高性能的低膨胀高温合金，合金的组成成分和各成分的质量含量满足下述要求：

Ni：35～40％，Co：13～15％，Ti：1.5～1.8％，Nb+Ta：4.5～5.2％，Cr：0.2-0.5％，Mo：0.1～0.3％，Si：0.2-0.4％，C：≤0.06％，其余为Fe。

本发明的进一步改进在于，合金中的Ni+Co的总的质量百分数为50％～52％。

所述的低缺口敏感性的低膨胀高温合金中，杂质成分及含量满足下述要求：

O≤0.01％，S≤0.015％，P≤0.015％

本发明合金的化学成分设计主要基于以下原因：

本发明低膨胀高温合金的基体为奥氏体，晶内主要利用γ’相进行沉淀强化，利用Cr、Mo等形成固溶强化。

在合金中加入Cr元素，可以抑制合金的应力加速晶界脆性，提高合金的持久性能；但Cr含量过高，一方面会显著提高合金的热膨胀系数，同时可促进拓扑密排有害相的析出，因此本发明中的Cr含量要限制在0.2-0.5％。

Mo元素偏聚与基体，是重要的固溶强化元素，可以增加γ/γ‘两相的错配度，提高原子间结合力，有利于合金的力学性能。但Mo含量过高，容易形成σ等有害相，因此要Mo含量控制在0.1-0.3％。

在合金中加入Si元素可以促进Laves相和ε相在晶界的析出，从而钉扎晶界，细化晶粒尺寸，从而提高合金的强度、韧性，减轻缺口敏感性。

Co元素是控制合金低膨胀系数的关键元素，在Fe-Ni合金中加入Co可使合金在高温下的膨胀系数下降，因此本发明中的Co含量控制在13～15％。

上述元素的合理配比是使本合金具有低的热膨胀系数和良好物理性能的保证。

与现有牌号合金相比，本发明具有的有益效果是：

本发明高温合金利用微量添加的Cr元素降低了合金的晶界氧化脆性，提高了合金的高温持久性能。650℃/510MPa下持久寿命＞100h。

实施例一

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。

一种高性能的低膨胀高温合金，合金的组成成分和各成分的质量含量满足下述要求：

Ni：35～40％，Co：13～15％，Ti：1.5～1.8％，Nb+Ta：4.5～5.2％，Cr：0.2-0.5％，Mo：0.1～0.3％，Si：0.2-0.4％，C：≤0.06％，其余为Fe。

所述合金中的Ni+Co的总的质量百分数为50％～52％。

所述的合金中，杂质成分及含量满足下述要求：

O≤0.01％，S≤0.015％，P≤0.015％

本发明所述高温合金利用纯Ni、Co、Cr、Mo、Nb、Ti、Si、C等元素在真空感应炉+真空自耗炉进行双联工艺熔炼，浇铸成铸锭。铸锭经均匀化后，锻造成棒材，再经固溶+双时效热处理工艺，然后评价性能。

取本发明中上诉高温合金成分范围内的2种合金进行熔配，同时给出2中比较例的合金成分进行熔配，如表1所示。对选取的4中合金进行了熔炼和制备，在650℃测量了4种制备得到的合金的高温持久性能，如表2所示。

表1为本发明实例和对比例采用的合金成分(质量分数％)

	C	Si	Ni	Co	Cr	Mo	Ti	Nb+Ta	Fe
										实施例1	0.024	0.386	37.76	14.05	0.253	0.106	1.521	4.95	余量
实施例2	0.020	0.374	37.24	14.17	0.255	0.110	1.532	4.91	余量
										对比例1	0.021	0.443	38.17	13.35	0.042	0.018	1.430	4.82	余量
对比例2	0.023	0.425	37.95	14.00	0.091	0.042	1.453	4.83	余量

表2为本发明实施例和对比例获得的高温物理性能

实施例表明，本发明提高了低膨胀高温合金的高温拉伸性能和高温持久性能。