一种镍基高温合金及由合金形成的物品的制作方法

本发明属于合金技术领域，具体涉及一种镍基高温合金，还涉及一种由合金形成的物品。

背景技术：

高温合金通常是指在600℃以上具有高的抗氧化性和耐腐蚀性，并能在一定应力条件下长时间使用的一类金属材料。高温合金具有优良的高温强度和高温抗蠕变性能，抗氧化和抗热腐蚀性能，抗机械疲劳和抗热疲劳性能，高温组织稳定性。高温合金按按成形方式分为铸造、变形、粉末冶金高温合金三类。按其在涡轮发动机上的应用可以分为导向叶片合金、涡轮叶片合金、涡轮盘合金、燃烧室合金及其它热端部件合金。高温合金在先进涡轮发动机上的用量占发动机重量的50％以上。

粉末高温合金是用粉末冶金工艺生产的高温合金。粉末高温合金解决了传统变形高温合金由于合金化程度的提高，而产生的铸锭偏析严重、热加工性能差以及成形困难等问题，是现代高推重比航空发动机涡轮盘等关键热端部件的必选材料。粉末高温合金成形工艺一般有两种：一种是通过粉末热挤压和等温锻造的工艺路线制备，该工艺路线成本高昂；另一种方法是等离子旋转电极制取金属粉末，然后采用的直接热等静压成形，该工艺路线经济，生产流程短。然而，目前直接热等静压成形的合金目前强度水平普遍偏低，且合金易出现原始颗粒边界缺陷，即在成形合金的组织中存在原始粉末颗粒的边界，导致合金性能降低。同时，在长期服役条件下有微观组织恶化，性能降低的风险。如何获得低成本、高性能的高温合金，一直是业内亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种镍基高温合金，相比于目前的镍基合金抗拉强度和蠕变性能均有很大的提升，本发明的镍基合金可通过热等静压成形，合金微观组织无原始颗粒边界缺陷，在高温下组织稳定。

本发明所采用的技术方案是，一种镍基高温合金，按照质量百分比包括如下组分：c为0.04％～0.08％；co为14.5％～15.5％；cr为10.5％～11.5％；w为5.6％～6.3％；mo为1.5％～2.5％；al为3.4％～4.0％；ti为3.4％～4.0％；nb为1.5％～2％；hf为0.1％～0.3％；b为0.01％～0.03％；zr为0.01％～0.03％；ta为0.2％～0.5％；re为0.1％～0.3％；余量为ni。

本发明的其他特点还在于，

优选的w为5.9％～6.2％。

优选的mo为1.7％～2.2％。

优选的al为3.5％～3.9％。

优选的ti为3.5％～3.9％。

优选的按照质量百分比包括如下组分：c为0.05％；co为15％；cr为11.1％；w为5.9％；mo为2.2％；al为3.8％；ti为3.8％；nb为1.8％；hf为0.2％；b为0.015％；zr为0.012％；ta为0.35％；re为0.15％，余量为ni。

al和ti的质量比为1:1。

本发明的另一技术方案是，一种物品，物品为燃气涡轮发动机的盘、轴或环件，由包括以下元素的合金组成：c为0.04％～0.08％；co为14.5％～15.5％；cr为10.5％～11.5％；w为5.6％～6.3％；mo为1.5％～2.5％；al为3.4％～4.0％；ti为3.4％～4.0％；nb为1.5％～2％；hf为0.1％～0.3％；b为0.01％～0.03％；zr为0.01％～0.03％；ta为0.2％～0.5％；re为0.1％～0.3％；余量为ni。

优选的由包括以下元素的合金组成：c为0.05％；co为15％；cr为11.1％；w为5.9％；mo为2.2％；al为3.8％；ti为3.8％；nb为1.8％；hf为0.2％；b为0.015％；zr为0.012％；ta为0.35％；re为0.15％，余量为ni。

加工上述物品的方法如下：真空感应熔炼制取所述合金棒料，然后采用等离子旋转电极法制取金属粉末，对粉末进行热等静压制取合金坯料，最后，经过热处理和机加工得到该物品。

本发明的有益效果是，一种镍基高温合金，相比于目前的镍基合金抗拉强度和蠕变性能均有很大的提升。本发明的镍基合金可采用直接热等静压成形，成形合金的微观组织中无原始颗粒边界缺陷，在750℃高温时效500h微观组织稳定，该合金抗拉强度>1520mpa，在750℃/450mpa/0.02％条件下蠕变寿命>150h，可用于燃气涡轮发动机热端部件。

附图说明

图1是本发明的实施例1制备的合金通过等离子旋转电极制取的粉末的扫描电镜照片；

图2是本发明的实施例1制备的合金热等静压后的光学显微组织；

图3是本发明的实施例1制备的合金热处理后的光学显微组织；

图4是本发明的实施例1制备的合金热处理后扫描电镜照片；

图5是本发明的实施例1制备的在750℃高温时效500h后扫描电镜照片；

图6是合金与参比合金的抗拉强度柱状对比图；

图7是合金与参比合金的蠕变寿命柱状对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的一种镍基高温合金，按照质量百分比包括如下组分：c为0.04％～0.08％；co为14.5％～15.5％；cr为10.5％～11.5％；w为5.6％～6.3％；mo为1.5％～2.5％；al为3.4％～4.0％；ti为3.4％～4.0％；nb为1.5％～2％；hf为0.1％～0.3％；b为0.01％～0.03％；zr为0.01％～0.03％；ta为0.2％～0.5％；re为0.1％～0.3％；余量为ni。

优选的w为5.9％～6.2％。

优选的mo为1.7％～2.2％。

优选的al为3.5％～3.9％。

优选的ti为3.5％～3.9％。

本发明的另一个实施方案是，一种镍基高温合金，按照质量百分比包括如下组分：c为0.05％；co为15％；cr为11.1％；w为5.9％；mo为2.2％；al为3.8％；ti为3.8％；nb为1.8％；hf为0.2％；b为0.015％；zr为0.012％；ta为0.35％；re为0.15％，余量为ni。

al和ti的质量比为1:1。

本发明的实施方案加工一种物品，物品为燃气涡轮发动机的盘、轴或环件，由包括以下元素的合金组成：c为0.04％～0.08％；co为14.5％～15.5％；cr为10.5％～11.5％；w为5.6％～6.3％；mo为1.5％～2.5％；al为3.4％～4.0％；ti为3.4％-4.0％；nb为1.5％～2％；hf为0.1％～0.3％；b为0.01％～0.03％；zr为0.01％～0.03％；ta为0.2％～0.5％；re为0.1％～0.3％；余量为ni。加工上述物品的方法如下：真空感应熔炼制取所述合金棒料，然后采用等离子旋转电极法雾化制取球形粉末，粉末筛分后粒度为38-106μm，对粉末进行热等静压制取合金坯料，最后，经过热处理和机加工得到该物品。

本发明的另一种实施方案加工一种物品，物品为燃气涡轮发动机的盘、轴或环件，由包括以下元素的合金组成：c为0.05％；co为15％；cr为11.1％；w为5.9％；mo为2.2％；al为3.8％；ti为3.8％；nb为1.8％；hf为0.2％；b为0.015％；zr为0.012％；ta为0.35％；re为0.15％，余量为ni。加工上述物品的方法如下：真空感应熔炼制取所述合金棒料，然后采用等离子旋转电极法雾化制取球形粉末，粉末筛分后粒度为38-106μm，对粉末进行热等静压制取合金坯料，最后，经过热处理和机加工得到该物品。

本发明的一种镍基高温合金中各元素的作用如下：

cr：溶解于基体γ相中，起固溶强化作用，并提高合金表面的抗氧化性；与c结合生成碳化物，强化晶界，提高合金蠕变性能；但含量过高会生成有害相；

w：在γ和γ'相中的分配比例为1:1，在γ相中起固溶强化作用，在γ'相中可以稳定γ'相的尺寸；

mo：增大ni固溶体的晶格常数，使屈服强度明显增大；

co：降低堆垛层错能，提高蠕变抗力；

nb：降低堆垛层错能，降低蠕变速率，提高蠕变性能；

al：是形成γ'相的重要元素，强化合金；

ti：是形成γ'相的重要元素，强化合金，可以和al置换，al和ti的比例影响合金析出相γ'相的反相畴界能和γ/γ'的晶格错配度，影响合金的拉伸强度和持久强度；本发明的合金材料中铝和钛的比例为1，最大程度上提高了合金析出相γ’相的反相畴界能，增加了γ/γ’的晶格错配度，提升了合金的拉伸强度和持久强度；

hf：形成分散的碳化物，控制原始颗粒边界的相析出，消除原始颗粒边界；

ta：大部分进入γ'相，提高了γ'相的稳定性，使γ'相不易于粗化和长大，使该合金在长期使用中保持稳定的组织和稳定的性能；

re：进入γ固溶体的铼原子易于形成约1nm的短程有序的re原子团，增加位错运动阻力，提高强度。

实施例1

制备一种镍基高温合金的盘件，其合金组成如下：c为0.04％；co为14.5％；cr为10.5％；w为5.6％；mo为1.5％；al为3.4％；ti为3.4％；nb为1.5％；hf为0.1％；b为0.01％；zr为0.01％；ta为0.2％～0.5％；re为0.1％；余量为ni。

盘件制备过程中，粉末扫描电镜照片如图1所示，粉末颗粒大部分为球形，洁净度高；粉末热等静压后的光学显微组织如图2所示，热等静压组织为完全再结晶组织，晶粒度7级；热处理后的光学显微组织如图3所示，晶粒度6级；热处理后扫描电镜照片如图4所示，晶内γ'相多呈田字形，晶界γ'呈长条形，在750℃高温时效500h后扫描电镜照片如图5所示，γ'相尺寸稳定，且无有害相析出。

实施例2

制备一种镍基高温合金的盘件，其合金组成如下：c为0.08％；co为15.5％；cr为1.5％；w为6.3％；mo为2.5％；al为4.0％；ti为4.0％；nb为2％；hf为0.3％；b为0.03％；zr为0.03％；ta为0.5％；re为0.3％；余量为ni。

实施例3

制备一种镍基高温合金的盘件，其合金组成如下：c为0.06％；co为15％％；cr为11％；w为6％；mo为2％；al为3.8％；ti为3.6％；nb为1.7％；hf为0.2％；b为0.02％；zr为0.02％；ta为0.35％；re为0.2％；余量为ni。

实施例4

制备一种镍基高温合金的发动机盘件，其合金组成如下：c为0.07％；co为15.2％；cr为10.8％；w为5.9％％；mo为1.8％；al为3.6％；ti为3.6％；nb为1.7％；hf为0.15％；b为0.015％；zr为0.015％；ta为0.25％；re为0.18％；余量为ni。

实施例5

制备一种镍基高温合金的发动机盘件，其合金组成如下：c为0.067％；co为15.2％；cr为11.2％；w为6.1％；mo为2.2％；al为3.9％；ti为3.9％；nb为1.85％；hf为0.25％；b为0.025％；zr为0.025％；ta为0.4％；re为0.25％；余量为ni。

从上述5个实施例制备得到的盘件上取拉伸试样和持久试样，依据gb/t228进行室温拉伸性能检测，依据gb/t2039进行蠕变性能检测。以标准处理态的fgh97合金作为参比合金。室温拉伸性能结果见图6所示，合金的拉伸性能在1540～1570mpa，高于fgh97合金的平均室温拉伸强度1480mpa；在750℃/450mpa/0.02％蠕变寿命结果见图7所示，合金的蠕变寿命在170～210h，高于fgh97合金的平均蠕变寿命100h。