稀土元素鈧改性的鎳基高溫合金及其制備方法

1165 編輯：中冶有色技術(shù)網(wǎng) 來(lái)源：湖南省長(zhǎng)沙市岳麓區(qū)左家垅

2022-08-04 16:42:45

權(quán)利要求

1.稀土元素鈧改性的鎳基高溫合金，其特征在于：

所述的鎳基高溫合金，以質(zhì)量百分比計(jì)，包括以下組分：

Cr：15.0~16.0%；

Co：15.0~18.5%；

Mo：3.0~5.0%；

W：0~1.25%；

Ta：0~2.0%；

Nb：0~1.1%；

Al：2.5~3.0%；

Ti：3.6~5.0%；

Hf：0~0.5%；

C：0.025~0.027%；

B：0.015~0.018%；

Zr：0.03~0.06%；

稀土元素Sc：0.02~1%，

余量為Ni；

或以其他難加工鎳基高溫合金為基體，向基體中加入0.02-1wt％的稀土元素鈧，

所述其他難加工鎳基高溫合金選自René108、IN713、René 88DT中的一種為基體，向基體中加入0.02-1wt％的稀土元素鈧。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的稀土元素鈧改性的鎳基高溫合金，其特征在于：

所述的鎳基高溫合金，以質(zhì)量百分比計(jì)，包括以下組分：

Cr：16.0%；

Co：15.0%；

Mo：3.0%；

W：1.25%；

Al：2.5%；

Ti：5.0%；

C：0.025%；

B：0.018%；

Zr：0.03%；

稀土元素Sc：0.02~1%；

余量為Ni。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的稀土元素鈧改性的鎳基高溫合金，其特征在于：

所述的稀土元素鈧的含量為0.02~0.5%。

4.稀土元素鈧改性的鎳基高溫合金的制備方法，其特征在于：

包括以下步驟：

（1）高溫合金粉末的制備；

（2）稀土改性鎳基高溫合金粉末的成型。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的稀土元素鈧改性的鎳基高溫合金的制備方法，其特征在于：

步驟（1）中高溫合金粉末的制備如下：

真空感應(yīng)熔煉氣霧化制粉流程：

1）真空感應(yīng)熔煉：按照質(zhì)量百分比稱取原料，并將稱好的原料放入霧化制粉的坩堝內(nèi)；同時(shí)爐內(nèi)抽真空，抽至高真空度≤0.1Pa后采用中頻電源感應(yīng)加熱，進(jìn)行真空感應(yīng)熔煉；

2）脫氣：待原料熔化并完全合金化時(shí)，真空脫氣15min-20min，得到熔融的母合金熔液；

3）精煉：向霧化制粉爐內(nèi)充入高純度的惰性氣體，待爐內(nèi)氣壓升至0.1MPa，并將熔融的母合金熔液在1600℃~1650℃溫度范圍內(nèi)進(jìn)行保溫，保溫時(shí)間在15min~20min；

4）霧化制粉：熔融的母合金熔液經(jīng)導(dǎo)管流至霧化噴嘴處，熔液流速被控制在3.5kg/min~10kg/min范圍內(nèi)；然后經(jīng)3MPa~5MPa的高壓高純度惰性氣體沖擊破碎，霧化成微米級(jí)尺寸的細(xì)小液滴，液滴冷卻凝固成球型粉末，被收集到粉末儲(chǔ)存罐中；

5）篩分：粉末經(jīng)徹底冷卻后，在惰性氣體氛圍下進(jìn)行篩分，得到粒徑范圍在10μm~100μm，中位徑均在39.0μm左右的球形鎳基高溫合金粉末，并進(jìn)行真空封裝。

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的稀土元素鈧改性的鎳基高溫合金的制備方法，其特征在于：

步驟（1）中高溫合金粉末的制備如下：

等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化制粉流程：

1）真空感應(yīng)熔煉：按照質(zhì)量百分比稱取原料，并將稱好的原料放入爐內(nèi)坩堝中；同時(shí)爐內(nèi)抽真空，抽至高真空度≤0.1Pa后采用中頻電源感應(yīng)加熱，進(jìn)行真空感應(yīng)熔煉；

2）脫氣：待原料熔化并完全合金化時(shí)，真空脫氣15min~20min，得到熔融的母合金熔液；

3）精煉：向熔煉爐內(nèi)充入高純度的惰性氣體，待爐內(nèi)氣壓升至0.1MPa，并將熔融的母合金熔液在1600℃~1650℃溫度范圍內(nèi)進(jìn)行保溫，保溫時(shí)間在15min~20min；隨后將母合金熔液冷卻，得到母合金錠狀坯料；

4）母合金電極棒加工：將母合金錠狀坯料經(jīng)鍛造制得母合金棒材，而后經(jīng)機(jī)加工制得符合等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法要求的母合金電極棒；其中電極棒的直徑為10mm~90mm，長(zhǎng)度為100mm~900mm，致密度大于99%，且無(wú)明顯的疏松縮孔等缺陷；

5）等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化制粉：將電極棒置于霧化設(shè)備內(nèi)，抽真空至1×10-3Pa~10×10-3Pa時(shí)，向設(shè)備內(nèi)充入惰性氣體，待氣壓升至0.01MPa~0.3MPa時(shí)，開(kāi)啟霧化設(shè)備；設(shè)置電極棒轉(zhuǎn)速為10000r/min ~30000r/min，電極棒進(jìn)給量在1mm/s ~10mm/s，等離子弧溫度在10000℃~20000℃；利用等離子火炬加熱電極棒端面至熔化，同時(shí)在離心力作用下，形成連續(xù)且穩(wěn)定的細(xì)小液滴，細(xì)小液滴冷卻凝固成為球形金屬粉末；

6）篩分：粉末經(jīng)徹底冷卻后，在惰性氣體氛圍下進(jìn)行篩分，得到粒徑在15μm~200μm左右的球形鎳基高溫合金粉末，并進(jìn)行真空封裝。

7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的稀土元素鈧改性的鎳基高溫合金的制備方法，其特征在于：

步驟（2）中稀土改性鎳基高溫合金粉末的成型的方法如下：

采用包套熱擠壓工藝對(duì)制得的高溫合金粉末進(jìn)行成型：包套材料選取316L鋼，包套的高度為160 mm，直徑為83 mm；向單個(gè)包套內(nèi)填充5kg的粉末，填充過(guò)程中振實(shí)粉末，將后蓋與包套主體焊實(shí)；粉末裝填完畢后，將包套置于井式爐內(nèi)加熱至470℃，并通過(guò)抽氣孔將真空度抽至1.8×10-4Pa以下，閉實(shí)包套；隨后，將包套放入臥式擠壓機(jī)中進(jìn)行直接熱擠壓，擠壓溫度選取為1130℃，保溫時(shí)間為4h40min，擠壓比為16：1。

8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的稀土元素鈧改性的鎳基高溫合金的制備方法，其特征在于：

步驟（2）中稀土改性鎳基高溫合金粉末的成型的方法如下：

采用小包套熱壓縮工藝對(duì)制得的高溫合金粉末進(jìn)行成型：包套材料選取316L不銹鋼，小包套的高度為15mm，直徑為10mm；向單個(gè)小包套內(nèi)填充10g的粉末，填充過(guò)程中振實(shí)粉末，將后蓋與小包套主體焊實(shí)；將小包套置于Gleeble 3180熱力模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)中，并抽真空至3×10-3Pa以下；隨后對(duì)小包套進(jìn)行熱壓縮，熱壓縮溫度在1050℃~1150℃范圍之間，保溫時(shí)間為3min，應(yīng)變速率在1s-1~5s-1范圍之間。

9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的稀土元素鈧改性的鎳基高溫合金的制備方法，其特征在于：

步驟（2）中稀土改性鎳基高溫合金粉末的成型的方法如下：

采用熱壓燒結(jié)工藝對(duì)制得的高溫合金粉末進(jìn)行成型：將所得高溫合金粉末稱取56g左右，裝入石墨模具中，模具的高度為70mm，直徑為30mm，裝粉過(guò)程中振實(shí)粉末；隨后將模具放入FHP-828快速熱壓燒結(jié)爐中，先用40MPa的力進(jìn)行預(yù)壓，使粉末壓實(shí)；隨后抽真空并進(jìn)行熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度在1100℃~1130℃范圍之間，保溫時(shí)間為10min，燒結(jié)壓力為50MPa。

說(shuō)明書(shū)

技術(shù)領(lǐng)域

[0001]本發(fā)明屬于金屬材料技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)，涉及稀土元素鈧改性的鎳基高溫合金及其制備方法。

背景技術(shù)

[0002]高溫合金按其制造工藝可分為變形高溫合金、鑄造高溫合金、焊接用高溫合金絲、粉末冶金高溫合金和彌散強(qiáng)化高溫合金。而渦輪盤(pán)作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵熱端部件之一，其質(zhì)量和性能決定了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和安全性；同時(shí)渦輪盤(pán)的服役環(huán)境惡劣，對(duì)其制備材料有較高要求。早期的渦輪盤(pán)采用變形高溫合金加鑄鍛工藝制備，因材料含有的元素種類多，合金化程度高，鑄錠中出現(xiàn)嚴(yán)重的成分偏析，導(dǎo)致其熱加工性能惡化。而粉末冶金工藝的興起，可以極大地改善成型過(guò)程中的成分偏析問(wèn)題，故粉末高溫合金成為了現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)的首選材料。

[0003]目前國(guó)際上已發(fā)展了三代粉末高溫合金，每一代粉末高溫合金的服役溫度和性能特點(diǎn)不同：第一代粉末高溫合金的服役溫度在650℃左右，其性能特點(diǎn)是具有較高的強(qiáng)度，典型合金牌號(hào)有IN100、René95等；第二代粉末高溫合金的服役溫度在700～750℃左右，其具有較高的損傷容限，典型合金牌號(hào)有René88DT、N18、U720Li等；而第三代粉末高溫合金在700～750℃的環(huán)境下服役，其兼具較高的強(qiáng)度和損傷容限，典型合金牌號(hào)有Alloy10、René104、RR1000等。而我國(guó)在粉末高溫合金領(lǐng)域的起步相對(duì)較晚，目前也已研發(fā)出FGH91、FGH95、FGH96、FGH97、FGH98、FGH98I、FGH99和FGH100等牌號(hào)的粉末高溫合金，但與歐美發(fā)達(dá)國(guó)家之間還存在一定差距。此外，各國(guó)已著手研究開(kāi)發(fā)第四代粉末高溫合金；如何進(jìn)一步提升合金的強(qiáng)度、損傷容限和服役溫度等性能，是新一代粉末高溫合金的主要目標(biāo)。

[0004]鎳基高溫合金因其出色的高溫強(qiáng)度、優(yōu)異的抗氧化和抗腐蝕性能以及良好的高溫蠕變性能等而被廣泛應(yīng)用于航空、航天、核工程等領(lǐng)域。其中，通過(guò)粉末冶金工藝成型的粉末高溫合金因其晶粒細(xì)小、組織均勻以及熱加工變形性能良好等優(yōu)勢(shì)，已成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)等關(guān)鍵熱端部件的首選材料。此外，隨著高推重比和高功重比發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，對(duì)渦輪盤(pán)的性能提出了更高的要求，而現(xiàn)有的粉末高溫合金材料已不能滿足渦輪盤(pán)的性能要求，因此如何通過(guò)成分設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)新的粉末高溫合金材料以滿足渦輪盤(pán)更高的服役要求成為了亟待開(kāi)展的工作。

[0005]具體來(lái)說(shuō)，另一方面是對(duì)合金的成型工藝進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)成分設(shè)計(jì)的方式，在合金已有元素含量的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而可以優(yōu)化組織，提升合金性能。例如，吳超杰等人通過(guò)分析前幾代粉末高溫合金的發(fā)展思路，研究并確定了第四代粉末高溫合金的成分選區(qū)范圍。又例如，譚黎明等人在FGH97粉末高溫合金的基礎(chǔ)上，通過(guò)成分設(shè)計(jì)調(diào)整了合金中幾種固溶元素的含量，改善了合金的性能。然而，現(xiàn)有的成分設(shè)計(jì)主要是針對(duì)于合金中主要元素含量的調(diào)整，已陷入瓶頸，很難再有新的突破。

[0006]此外，粉末高溫合金的形態(tài)一般為球形，其硬度和強(qiáng)度很高，在室溫下壓制成型較為困難，故需要采用特殊的固結(jié)工藝進(jìn)行成型，主要可包括真空熱壓成形、熱等靜壓成形、熱擠壓和等溫鍛造等工藝；而這些固結(jié)工藝對(duì)合金組織性能的影響也頗為顯著。通過(guò)調(diào)整固結(jié)工藝過(guò)程中的溫度、壓強(qiáng)、擠壓比等工藝參數(shù)，以縮小加工窗口，也可以達(dá)到改善合金微觀組織，進(jìn)而改善合金性能的目的；但也存在一定的問(wèn)題，例如工藝優(yōu)化的效果不理想，合金的可加工性變化不大等。

發(fā)明內(nèi)容

[0007]1、要解決的問(wèn)題

[0008]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本申請(qǐng)通過(guò)在粉末高溫合金中引入稀土元素，探究稀土元素在粉末高溫合金中的改性機(jī)理，并采用合適的粉末冶金成型工藝，優(yōu)化合金的顯微組織，進(jìn)而提升合金的力學(xué)性能。

[0009]2、技術(shù)方案

[0010]為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案。

[0011]一種稀土元素鈧改性的鎳基高溫合金，所述的鎳基高溫合金，以質(zhì)量百分比計(jì)，包括以下組分：

[0012]Cr：15.0～16.0％；

[0013]Co：15.0～18.5％；

[0014]Mo：3.0～5.0％；

[0015]W：0～1.25％；

[0016]Ta：0～2.0％；

[0017]Nb：0～1.1％；

[0018]Al：2.5～3.0％；

[0019]Ti：3.6～5.0％；

[0020]Hf：0～0.5％；

[0021]C：0.025～0.027％；

[0022]B：0.015～0.018％；

[0023]Zr：0.03～0.06％；

[0024]稀土元素Sc：0.02～1％，

[0025]余量為Ni；

[0026]或以其他難加工鎳基高溫合金為基體，向基體中加入0.02-1wt％的稀土元素鈧，

[0027]所述其他難加工鎳基高溫合金選自René 108、IN713、René 88DT中的一種為基體，向基體中加入0.02-1wt％的稀土元素鈧。

[0028]上述所述的稀土元素鈧改性的鎳基高溫合金中，

[0029]所述的鎳基高溫合金，以質(zhì)量百分比計(jì)，包括以下組分：

[0030]Cr：16.0％；

[0031]Co：15.0％；

[0032]Mo：3.0％；

[0033]W：1.25％；

[0034]Al：2.5％；

[0035]Ti：5.0％；

[0036]C：0.025％；

[0037]B：0.018％；

[0038]Zr：0.03％；

[0039]稀土元素Sc：0.02～1％；

[0040]余量為Ni。

[0041]上述所述的稀土元素鈧改性的鎳基高溫合金中，

[0042]所述的稀土元素鈧的含量為0.02～0.5％。

[0043]一種稀土元素鈧改性的鎳基高溫合金的制備方法，

[0044]包括以下步驟：

[0045](1)高溫合金粉末的制備；

[0046](2)稀土改性鎳基高溫合金粉末的成型。

[0047]上述所述的稀土元素鈧改性的鎳基高溫合金的制備方法中，

[0048]步驟(1)中高溫合金粉末的制備如下：

[0049]真空感應(yīng)熔煉氣霧化制粉流程：

[0050]1)真空感應(yīng)熔煉：按照質(zhì)量百分比稱取原料，并將稱好的原料放入霧化制粉的坩堝內(nèi)；同時(shí)爐內(nèi)抽真空，抽至高真空度≤0.1Pa后采用中頻電源感應(yīng)加熱，進(jìn)行真空感應(yīng)熔煉；

[0051]2)脫氣：待原料熔化并完全合金化時(shí)，真空脫氣15min-20min，得到熔融的母合金熔液；

[0052]3)精煉：向霧化制粉爐內(nèi)充入高純度的惰性氣體，待爐內(nèi)氣壓升至0.1MPa，并將熔融的母合金熔液在1600℃～1650℃溫度范圍內(nèi)進(jìn)行保溫，保溫時(shí)間在15min～20min；

[0053]4)霧化制粉：熔融的母合金熔液經(jīng)導(dǎo)管流至霧化噴嘴處，熔液流速被控制在3.5kg/min～10kg/min范圍內(nèi)；然后經(jīng)3MPa～5MPa的高壓高純度惰性氣體沖擊破碎，霧化成微米級(jí)尺寸的細(xì)小液滴，液滴冷卻凝固成球型粉末，被收集到粉末儲(chǔ)存罐中；

[0054]5)篩分：粉末經(jīng)徹底冷卻后，在惰性氣體氛圍下進(jìn)行篩分，得到粒徑范圍在10μm～100μm，中位徑均在39.0μm左右的球形鎳基高溫合金粉末，并進(jìn)行真空封裝。

[0055]上述所述的稀土元素鈧改性的鎳基高溫合金的制備方法中，

[0056]步驟(1)中高溫合金粉末的制備如下：

[0057]等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化制粉流程：

[0058]1)真空感應(yīng)熔煉：按照質(zhì)量百分比稱取原料，并將稱好的原料放入爐內(nèi)坩堝中；同時(shí)爐內(nèi)抽真空，抽至高真空度≤0.1Pa后采用中頻電源感應(yīng)加熱，進(jìn)行真空感應(yīng)熔煉；

[0059]2)脫氣：待原料熔化并完全合金化時(shí)，真空脫氣15min～20min，得到熔融的母合金熔液；

[0060]3)精煉：向熔煉爐內(nèi)充入高純度的惰性氣體，待爐內(nèi)氣壓升至0.1MPa，并將熔融的母合金熔液在1600℃～1650℃溫度范圍內(nèi)進(jìn)行保溫，保溫時(shí)間在15min～20min；隨后將母合金熔液冷卻，得到母合金錠狀坯料；

[0061]4)母合金電極棒加工：將母合金錠狀坯料經(jīng)鍛造制得母合金棒材，而后經(jīng)機(jī)加工制得符合等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法要求的母合金電極棒；其中電極棒的直徑為10mm～90mm，長(zhǎng)度為100mm～900mm，致密度大于99％，且無(wú)明顯的疏松縮孔等缺陷；

[0062]5)等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化制粉：將電極棒置于霧化設(shè)備內(nèi)，抽真空至1×10-3Pa～10×10-3Pa時(shí)，向設(shè)備內(nèi)充入惰性氣體，待氣壓升至0.01MPa～0.3MPa時(shí)，開(kāi)啟霧化設(shè)備；設(shè)置電極棒轉(zhuǎn)速為10000r/min～30000r/min，電極棒進(jìn)給量在1mm/s～10mm/s，等離子弧溫度在10000℃～20000℃；利用等離子火炬加熱電極棒端面至熔化，同時(shí)在離心力作用下，形成連續(xù)且穩(wěn)定的細(xì)小液滴，細(xì)小液滴冷卻凝固成為球形金屬粉末；

[0063]6)篩分：粉末經(jīng)徹底冷卻后，在惰性氣體氛圍下進(jìn)行篩分，得到粒徑在15μm～200μm左右的球形鎳基高溫合金粉末，并進(jìn)行真空封裝。

[0064]上述所述的稀土元素鈧改性的鎳基高溫合金的制備方法中，

[0065]步驟(2)中稀土改性鎳基高溫合金粉末的成型的方法如下：

[0066]采用包套熱擠壓工藝對(duì)制得的高溫合金粉末進(jìn)行成型：包套材料選取316L鋼，包套的高度為160mm，直徑為83mm；向單個(gè)包套內(nèi)填充5kg的粉末，填充過(guò)程中振實(shí)粉末，將后蓋與包套主體焊實(shí)；粉末裝填完畢后，將包套置于井式爐內(nèi)加熱至470℃，并通過(guò)抽氣孔將真空度抽至1.8×10-4Pa以下，閉實(shí)包套；隨后，將包套放入臥式擠壓機(jī)中進(jìn)行直接熱擠壓，擠壓溫度選取為1130℃，保溫時(shí)間為4h40min，擠壓比為16：1。

[0067]上述所述的稀土元素鈧改性的鎳基高溫合金的制備方法中，

[0068]步驟(2)中稀土改性鎳基高溫合金粉末的成型的方法如下：

[0069]采用小包套熱壓縮工藝對(duì)制得的高溫合金粉末進(jìn)行成型：包套材料選取316L不銹鋼，小包套的高度為15mm，直徑為10mm；向單個(gè)小包套內(nèi)填充10g的粉末，填充過(guò)程中振實(shí)粉末，將后蓋與小包套主體焊實(shí)；將小包套置于Gleeble 3180熱力模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)中，并抽真空至3×10-3Pa以下；隨后對(duì)小包套進(jìn)行熱壓縮，熱壓縮溫度在1050℃～1150℃范圍之間，保溫時(shí)間為3min，應(yīng)變速率在1s-1～5s-1范圍之間。

[0070]上述所述的稀土元素鈧改性的鎳基高溫合金的制備方法中，

[0071]步驟(2)中稀土改性鎳基高溫合金粉末的成型的方法如下：

[0072]采用熱壓燒結(jié)工藝對(duì)制得的高溫合金粉末進(jìn)行成型：將所得高溫合金粉末稱取56g左右，裝入石墨模具中，模具的高度為70mm，直徑為30mm，裝粉過(guò)程中振實(shí)粉末；隨后將模具放入FHP-828快速熱壓燒結(jié)爐中，先用40MPa的力進(jìn)行預(yù)壓，使粉末壓實(shí)；隨后抽真空并進(jìn)行熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度在1100℃～1130℃范圍之間，保溫時(shí)間為10min，燒結(jié)壓力為50MPa。

[0073]3、有益效果

[0074]相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果為：

[0075]本申請(qǐng)通過(guò)在粉末高溫合金中引入稀土元素，探究稀土元素在粉末高溫合金中的改性機(jī)理，并采用合適的粉末冶金成型工藝，優(yōu)化合金的顯微組織，進(jìn)而提升合金的力學(xué)性能。

附圖說(shuō)明

[0076]圖1為本發(fā)明中稀土元素鈧改性的鎳基高溫合金的流程圖；

[0077]圖2為本發(fā)明中U720Li合金經(jīng)1150℃、5s-1熱壓縮后的金相組織圖：(a)添加0％Sc；(b)添加0.066％Sc；

[0078]圖3為本發(fā)明中RR1000合金經(jīng)1150℃、5s-1熱壓縮后的金相組織圖：(a)添加0％Sc；(b)添加0.064％Sc；

[0079]圖4為本發(fā)明中U720Li合金添加0.443％Sc經(jīng)1050℃、5s-1熱壓縮后的金相組織圖；

[0080]圖5為本發(fā)明中RR1000合金添加0.448％Sc經(jīng)1050℃、5s-1熱壓縮后的金相組織圖。

具體實(shí)施方式

[0081]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步進(jìn)行描述。

[0082]需要說(shuō)明的是，擠壓比是指擠壓筒腔的橫斷面面積同擠壓制品總橫斷面的面積之比，也叫擠壓系數(shù)，用于表示金屬變形量大小的參數(shù)。

[0083]稀土元素鈧改性的鎳基高溫合金，所述的鎳基高溫合金，以質(zhì)量百分比計(jì)，包括以下組分：

[0084]Cr：15.0～16.0％；

[0085]Co：15.0～18.5％；

[0086]Mo：3.0～5.0％；

[0087]W：0～1.25％；

[0088]Ta：0～2.0％；

[0089]Nb：0～1.1％；

[0090]Al：2.5～3.0％；

[0091]Ti：3.6～5.0％；

[0092]Hf：0～0.5％；

[0093]C：0.025～0.027％；

[0094]B：0.015～0.018％；

[0095]Zr：0.03～0.06％；

[0096]稀土元素Sc：0.02～1％，

[0097]余量為Ni；

[0098]或以其他難加工鎳基高溫合金為基體，向基體中加入0.02-1wt％的稀土元素鈧，

[0099]所述其他難加工鎳基高溫合金選自René 108、IN713、René 88DT中的一種為基體，向基體中加入0.02-1wt％的稀土元素鈧。

[0100]上述所述的稀土元素鈧改性的鎳基高溫合金中，

[0101]所述的鎳基高溫合金，以質(zhì)量百分比計(jì)，包括以下組分：

[0102]Cr：16.0％；

[0103]Co：15.0％；

[0104]Mo：3.0％；

[0105]W：1.25％；

[0106]Al：2.5％；

[0107]Ti：5.0％；

[0108]C：0.025％；

[0109]B：0.018％；

[0110]Zr：0.03％；

[0111]稀土元素Sc：0.02～1％；

[0112]余量為Ni。

[0113]上述所述的稀土元素鈧改性的鎳基高溫合金中，

[0114]所述的稀土元素鈧的含量為0.02～0.5％。

[0115]稀土元素鈧改性的鎳基高溫合金的制備方法，

[0116]包括以下步驟：

[0117]如圖1所示：

[0118](1)高溫合金粉末的制備；

[0119](2)稀土改性鎳基高溫合金粉末的成型。

[0120]上述所述的稀土元素鈧改性的鎳基高溫合金的制備方法中，

[0121]步驟(1)中高溫合金粉末的制備如下：

[0122]真空感應(yīng)熔煉氣霧化制粉流程：

[0123]1)真空感應(yīng)熔煉：按照質(zhì)量百分比稱取原料，并將稱好的原料放入霧化制粉的坩堝內(nèi)；同時(shí)爐內(nèi)抽真空，抽至高真空度≤0.1Pa后采用中頻電源感應(yīng)加熱，進(jìn)行真空感應(yīng)熔煉；

[0124]2)脫氣：待原料熔化并完全合金化時(shí)，真空脫氣15min-20min，得到熔融的母合金熔液；

[0125]3)精煉：向霧化制粉爐內(nèi)充入高純度的惰性氣體，待爐內(nèi)氣壓升至0.1MPa，并將熔融的母合金熔液在1600℃～1650℃溫度范圍內(nèi)進(jìn)行保溫，保溫時(shí)間在15min～20min；

[0126]4)霧化制粉：熔融的母合金熔液經(jīng)導(dǎo)管流至霧化噴嘴處，熔液流速被控制在3.5kg/min～10kg/min范圍內(nèi)；然后經(jīng)3MPa～5MPa的高壓高純度惰性氣體沖擊破碎，霧化成微米級(jí)尺寸的細(xì)小液滴，液滴冷卻凝固成球型粉末，被收集到粉末儲(chǔ)存罐中；

[0127]5)篩分：粉末經(jīng)徹底冷卻后，在惰性氣體氛圍下進(jìn)行篩分，得到粒徑范圍在10μm～100μm，中位徑均在39.0μm左右的球形鎳基高溫合金粉末，并進(jìn)行真空封裝。

[0128]上述所述的稀土元素鈧改性的鎳基高溫合金的制備方法中，

[0129]步驟(1)中高溫合金粉末的制備如下：

[0130]等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化制粉流程：

[0131]1)真空感應(yīng)熔煉：按照質(zhì)量百分比稱取原料，并將稱好的原料放入爐內(nèi)坩堝中；同時(shí)爐內(nèi)抽真空，抽至高真空度≤0.1Pa后采用中頻電源感應(yīng)加熱，進(jìn)行真空感應(yīng)熔煉；

[0132]2)脫氣：待原料熔化并完全合金化時(shí)，真空脫氣15min～20min，得到熔融的母合金熔液；

[0133]3)精煉：向熔煉爐內(nèi)充入高純度的惰性氣體，待爐內(nèi)氣壓升至0.1MPa，并將熔融的母合金熔液在1600℃～1650℃溫度范圍內(nèi)進(jìn)行保溫，保溫時(shí)間在15min～20min；隨后將母合金熔液冷卻，得到母合金錠狀坯料；

[0134]4)母合金電極棒加工：將母合金錠狀坯料經(jīng)鍛造制得母合金棒材，而后經(jīng)機(jī)加工制得符合等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法要求的母合金電極棒；其中電極棒的直徑為10mm～90mm，長(zhǎng)度為100mm～900mm，致密度大于99％，且無(wú)明顯的疏松縮孔等缺陷；

[0135]5)等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化制粉：將電極棒置于霧化設(shè)備內(nèi)，抽真空至1×10-3Pa～10×10-3Pa時(shí)，向設(shè)備內(nèi)充入惰性氣體，待氣壓升至0.01MPa～0.3MPa時(shí)，開(kāi)啟霧化設(shè)備；設(shè)置電極棒轉(zhuǎn)速為10000r/min～30000r/min，電極棒進(jìn)給量在1mm/s～10mm/s，等離子弧溫度在10000℃～20000℃；利用等離子火炬加熱電極棒端面至熔化，同時(shí)在離心力作用下，形成連續(xù)且穩(wěn)定的細(xì)小液滴，細(xì)小液滴冷卻凝固成為球形金屬粉末；

[0136]6)篩分：粉末經(jīng)徹底冷卻后，在惰性氣體氛圍下進(jìn)行篩分，得到粒徑在15μm～200μm左右的球形鎳基高溫合金粉末，并進(jìn)行真空封裝。

[0137]上述所述的稀土元素鈧改性的鎳基高溫合金的制備方法中，

[0138]步驟(2)中稀土改性鎳基高溫合金粉末的成型的方法如下：

[0139]采用包套熱擠壓工藝對(duì)制得的高溫合金粉末進(jìn)行成型：包套材料選取316L鋼，包套的高度為160mm，直徑為83mm；向單個(gè)包套內(nèi)填充5kg的粉末，填充過(guò)程中振實(shí)粉末，將后蓋與包套主體焊實(shí)；粉末裝填完畢后，將包套置于井式爐內(nèi)加熱至470℃，并通過(guò)抽氣孔將真空度抽至1.8×10-4Pa以下，閉實(shí)包套；隨后，將包套放入臥式擠壓機(jī)中進(jìn)行直接熱擠壓，擠壓溫度選取為1130℃，保溫時(shí)間為4h40min，擠壓比為16：1。

[0140]上述所述的稀土元素鈧改性的鎳基高溫合金的制備方法中，

[0141]步驟(2)中稀土改性鎳基高溫合金粉末的成型的方法如下：

[0142]采用小包套熱壓縮工藝對(duì)制得的高溫合金粉末進(jìn)行成型：包套材料選取316L不銹鋼，小包套的高度為15mm，直徑為10mm；向單個(gè)小包套內(nèi)填充10g的粉末，填充過(guò)程中振實(shí)粉末，將后蓋與小包套主體焊實(shí)；將小包套置于Gleeble 3180熱力模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)中，并抽真空至3×10-3Pa以下；隨后對(duì)小包套進(jìn)行熱壓縮，熱壓縮溫度在1050℃～1150℃范圍之間，保溫時(shí)間為3min，應(yīng)變速率在1s-1～5s-1范圍之間。

[0143]上述所述的稀土元素鈧改性的鎳基高溫合金的制備方法中，

[0144]步驟(2)中稀土改性鎳基高溫合金粉末的成型的方法如下：

[0145]采用熱壓燒結(jié)工藝對(duì)制得的高溫合金粉末進(jìn)行成型：將所得高溫合金粉末稱取56g左右，裝入石墨模具中，模具的高度為70mm，直徑為30mm，裝粉過(guò)程中振實(shí)粉末；隨后將模具放入FHP-828快速熱壓燒結(jié)爐中，先用40MPa的力進(jìn)行預(yù)壓，使粉末壓實(shí)；隨后抽真空并進(jìn)行熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度在1100℃～1130℃范圍之間，保溫時(shí)間為10min，燒結(jié)壓力為50MPa。

[0146]實(shí)施例1

[0147]將本方法應(yīng)用于U720Li鎳基高溫合金。分別添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0％和0.066％的稀土元素，其成分范圍如表1所示。圖2所示U720Li合金分別添加0％、0.066％的Sc元素，經(jīng)熱壓溫度為1150℃、應(yīng)變速率為5s-1的熱壓縮成型后的組織。經(jīng)分析，添加0％、0.066％Sc元素的U720Li合金經(jīng)熱壓縮后的組織致密度分別可達(dá)99.7％與99.22％；而添加0％、0.066％Sc元素的U720Li合金經(jīng)熱壓縮后的硬度分別可達(dá)484.708HV3與488.168HV3。

[0148]表1稀土元素鈧改性U720Li合金的成分范圍

[0149]

[0150]實(shí)施例2

[0151]將本方法應(yīng)用于RR1000鎳基高溫合金，分別添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0％與0.064％的稀土元素，其成分范圍如表2所示。圖3所示RR1000合金分別添加0％、0.064％的Sc元素，經(jīng)熱壓溫度為1150℃、應(yīng)變速率為5s-1的熱壓縮成型后的組織。經(jīng)分析，添加0％、0.064％Sc元素的RR1000合金經(jīng)熱壓縮后的組織致密度分別可達(dá)99.85％與99.78％。而添加0％、0.064％Sc元素的RR1000合金經(jīng)熱壓縮后的硬度分別可達(dá)490.563 HV3與530.979 HV3。

[0152]表2稀土元素鈧改性RR1000合金的成分范圍

[0153]

[0154]實(shí)施例3

[0155]將本方法應(yīng)用于U720Li鎳基高溫合金，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.443％的稀土元素，其成分范圍如表3所示。圖4所示U720Li合金添加0.443％的Sc元素，經(jīng)熱壓溫度為1050℃、應(yīng)變速率為5s-1的熱壓縮成型后的組織。經(jīng)分析，添加0.443％Sc元素的U720Li合金經(jīng)熱壓縮后的組織致密度可達(dá)99.91％，其硬度可達(dá)760.297 HV3。

[0156]表3稀土元素鈧改性U720Li合金的成分范圍

[0157]

[0158]實(shí)施例4

[0159]將本方法應(yīng)用于RR1000鎳基高溫合金，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.448％的稀土元素，其成分范圍如表4所示。圖5所示RR1000合金添加0.448％的Sc元素，經(jīng)熱壓溫度為1050℃、應(yīng)變速率為5s-1的熱壓縮成型后的組織。經(jīng)分析，添加0.448％Sc元素的RR1000合金經(jīng)熱壓縮后的組織致密度可達(dá)99.8％，其硬度可達(dá)830.262HV3。

[0160]表4稀土元素鈧改性RR1000合金的成分范圍

[0161]

[0162]在不同合金基體中添加不同含量的稀土元素，經(jīng)熱壓縮成型后的組織致密度與硬度情況如表5所示。從表中可發(fā)現(xiàn)，隨著稀土元素含量的增加，其組織致密度可能會(huì)有略微降低，但其硬度有明顯的提高，這可能是因?yàn)橄⊥猎氐奶砑樱梢约?xì)化合金的晶粒組織，起到細(xì)晶強(qiáng)化的作用；同時(shí)含有稀土元素的部分沉淀相可以阻礙晶粒中位錯(cuò)的滑移，也起到一定強(qiáng)化作用，這兩種強(qiáng)化機(jī)制均使得合金的性能提升。

[0163]表5經(jīng)稀土改性后的合金組織致密度與硬度對(duì)比

[0164]

[0165]以上內(nèi)容是結(jié)合具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，不能認(rèn)定本發(fā)明具體實(shí)施只局限于這些說(shuō)明，對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明的構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單的推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明所提交的權(quán)利要求書(shū)確定的保護(hù)范圍。

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