能够析出DO22型超点阵相的Ni-Cr-W-Nb高温合金的制作方法

本发明涉及耐高温高强高温合金领域，为一种添加了适量范围nb元素的能够析出适用于900℃的纳米级do22型超点阵相的ni-cr-w基高温合金。

背景技术：

ni-cr-w基高温合金因其优异的高温性能成为航空航天、核工业、化工等领域结构材料的热门候选材料。该类合金通过元素添加可析出纳米级弥散的超点阵相，从而显著提高合金的力学性能。而当代工业的快速发展对材料的服役温度要求越来越高，如航天领域冲压发动机需部件在900℃作条件下短时工作且保持高强度。如果采用特殊方法使在ni-cr-w基合金中析出高热稳定性的超点阵相，则对提升材料的高温力学性能有重要意义。

研究结果表明，在ni-cr-w基合金中超点阵相的析出可显著提高合金的力学性能。美国内华达大学拉斯维加斯分校发现(sudinchatterjeea,ajitk.roya.mechanismofcreepdeformationofalloy230basedonmicrostructuralanalyses[j].materialsscienceandengineeringa,2010,527：7893-7900.)在hayness230合金中有序超点阵相析出可影响位错滑移，明显提高合金在高温条件下的机械性能，但该合金仅适用于750℃工作条件。申请人也曾在专利号为cn201510955270.2的发明专利中提出了一种能够析出pt2mo型超点阵相的ni-cr-w-mo高温合金。该专利提出的合金在ni-25cr-6.5w合金中添加0.7-1.7(at.％)的mo可析出弥散的pt2mo型超点阵相，以提高合金的力学性能，但经后续研究发现所述的pt2mo型结构的超点阵相在在600℃以上仍会固溶于基体(gaox,hur,zhangt,etal.precipitationofcoherentni2(cr,w)superlatticeinanni-cr-wsuperalloy.materialscharacterization.2016,111:86-92.)。

如果能析出在更高温度稳定存在的某种类型的超点阵相，则对提升ni-cr-w基高温合金的服役温度有重要意义。

日本大阪府立大学的y.nunomura(nunomuray,kanenoy,tsudah,etal.dualmulti-phaseintermetallicalloyscomposedofgeometricallyclose-packedni3x(x:al,tiandv)typestructures-i.microstructuresandtheirstability.actamaterialia.2006,54(3):851-860.)研究发现，具有do22结构的纳米级ni3m型金属间化合物，由于具有较低的原子扩散速率并具有密堆结构，因而具有很好的结构稳定性及相稳定性，但研究合金并非ni-cr-w合金。美国普惠飞机公司发明了具有do22结构的γ〞相强化的inconel718合金(即中国gh4169合金)，但该合金为ni-cr-mo基合金，不含w元素，在650-760℃范围内γ〞相会转化为doa结构的δ相。高翔宇(xiangyugao,ruihu,gongliaoluo.theeffectoftionprecipitationoffullycoherentdo22superlatticeinanni-cr-w-basedsuperalloy.scriptamaterialia.2017,134:15-19.)发现在ni-26cr-6w-2ti(at.％)合金中添加ti可析出与基体共格的纳米级do22型超点阵相，可改善合金的力学性能，但该合金不包含nb元素，且没有分析该do22型超点阵相的热稳定性。到目前为止，尚未发现在ni-cr-w基高温合金中添加适量nb元素析出适用于900℃的纳米级do22型超点阵相，以进一步提高其高温性能的研究报道。

技术实现要素：

为克服现有技术中存在的高温热稳定性差的不足，本发明提出了一种能够析出do22型超点阵相的ni-cr-w-nb高温合金。

本发明由cr、w、nb和ni组成，其中cr为19～21wt.％，w为13～15wt.％，nb为1.7～4.3wt.％，余量为ni。

采用真空非自耗电弧熔炼方法制备所述能够析出do22型超点阵相的ni-cr-w-nb高温合金时，经过1200℃/24h均匀化、1160℃/0.5h固溶淬火的热处理后，在670～750℃时效处理1～50h。

为克服现有技术中ni-cr-w基高温合金析出的超点阵相的高温热稳定性不足的缺陷，本发明在专利号为201510955270.2的发明专利《能够析出pt2mo型超点阵相的ni-cr-w-mo高温合金》的基础上，提出了一种能够析出适用于900℃的do22型超点阵相的ni-cr-w-nb高温合金，以提高ni-cr-w基高温合金的服役温度。

研究发现，现有技术中，ni-cr-w合金经不同温度和时间热处理均无法析出do22型等超点阵相。本发明在该ni-cr-w合金中添加适量合金化元素nb后，通过控制热处理的工艺参数即可控制析出弥散的纳米级do22型超点阵相。图1所示为重量百分比为ni-20cr-14w-3nb的合金经700℃/40h时效处理后，透射电镜选区电子衍射图显示在fcc结构γ相基体外有do22结构的相析出。图2为图1所示的ni-20cr-14w-3nb的合金的暗场图，经形貌分析为弥散分布的纳米级do22型超点阵相。该合金中的do22型超点阵相具有很高的热稳定性，在900℃热暴露1h长大，仍为纳米级析出相，do22结构不改变，如图3和图4所示。

在制备本发明提出的ni-cr-w-nb高温合金时，采用真空非自耗电弧熔炼方法，经过1200℃/24h均匀化、1160℃/0.5h固溶淬火的热处理后，在670～750℃时效能够析出高热稳定性纳米级do22型超点阵相。在670～750℃温度范围内，若为了能够析出大量弥散的纳米级do22型超点阵相，时效温度越高所需时间越少，在670℃时效需50h有大量纳米级do22型超点阵相析出，750℃时效仅需超过1h。超过超点阵相大量析出所需时间后继续时效，超点阵相慢慢长大并趋于稳定。

其主要原理为：镍基合金中超点阵相的析出及其稳定性与合金成分及热处理工艺有密切的关系。nb元素属于do22型超点阵相的稳定化元素，如在镍基合金中加入适量的nb元素，可以使do22型超点阵相更易析出，并使其稳定存在。w元素有较大的原子半径和相对原子质量，导致其扩散速率比其它元素慢很多，而这一扩散动力学的瓶颈有效地抑制了超点阵相的快速粗化。故在高w含量的ni-cr-w基合金中添加适量do22型超点阵相稳定化元素nb，并通过一定热处理工艺提供无序-有序转变形成超点阵相所需的热力学驱动力，即可控制具有高热稳定性的do22型超点阵相的析出。纳米级do22型超点阵相通过诱导孪生变形机制，可使合金在强度提高的同时又保持了良好的塑性。而合适的cr元素含量是为了保证ni-cr-w基合金的抗氧化能力和固溶强化能力。

综上所述，本发明通过在该高w含量的ni-cr-w合金体系中添加元素nb，确定含量范围为1.7～4.3wt.％，通过时效热处理工艺670～750℃/1～50h，能够在合金中控制析出弥散分布的纳米级do22型超点阵相。670～750℃时效不同时间为该四元合金提供合适的热力学驱动力，促使各原子定向迁移，发生无序-有序转变，在fcc基体上形成弥散的纳米级do22型超点阵相。合适的nb元素含量不仅使do22型超点阵相在可以析出，还和高的w元素含量一起使这种纳米级超点阵相具有很高的热稳定性，在900℃仍可大量存在，如附图2所示。高热稳定性的do22型超点阵相可使ni-cr-w基合金在高温时具有良好的力学性能。本发明适用于短时使用的航空、航天等领域。

附图说明

图1为重量百分比为ni-20cr-14w-3nb合金700℃/40h时效处理后[001]轴的选区电子衍射图。

图2为与图1相对应的暗场像。

图3为重量百分比为ni-20cr-14w-3nb合金700℃/40h时效后于900℃条件热暴露1h后[001]轴的选区电子衍射图。

图4为与图3相对应的暗场像。

具体实施方式

实施例一

本实施例中，所述ni-cr-w基高温合金的重量百分比为：20wt.％的cr、14wt.％的w和1.7wt.％的nb，余量为ni。

所述添加有nb元素的高温合金能够析出do22型超点阵相：采用真空非自耗电弧熔炼方法制备重量百分比为ni-20cr-14w-1.7nb成分的合金，样品经过1200℃/24h均匀化、1160℃/0.5h固溶淬火的热处理后，在720℃时效处理20h，能够析出的弥散的纳米级do22型超点阵相。

实施例二

本实施例中，所述ni-cr-w基高温合金的重量百分比为：20wt.％的cr、14wt.％的w和2wt.％的nb，余量为ni。

所述添加有nb元素的高温合金能够析出do22型超点阵相：采用真空非自耗电弧熔炼方法制备重量百分比为ni-20cr-14w-2nb成分的合金，样品经过1200℃/24h均匀化、1160℃/0.5h固溶淬火的热处理后，在700℃时效处理40h，能够析出的弥散的纳米级do22型超点阵相。

实施例三

本实施例中，所述ni-cr-w基高温合金的重量百分比为：20wt.％的cr、14wt.％的w和3wt.％的nb，余量为ni。

所述添加有nb元素的高温合金能够析出do22型超点阵相：采用真空非自耗电弧熔炼方法制备重量百分比为ni-20cr-14w-3nb成分的合金，样品经过1200℃/24h均匀化、1160℃/0.5h固溶淬火的热处理后，在710℃时效处理30h，能够析出的弥散的纳米级do22型超点阵相。

实施例四

本实施例中，所述ni-cr-w基高温合金的重量百分比为：20wt.％的cr、14wt.％的w和4wt.％的nb，余量为ni。

所述添加有nb元素的高温合金能够析出do22型超点阵相：采用真空非自耗电弧熔炼方法制备重量百分比为ni-20cr-14w-4nb成分的合金，样品经过1200℃/24h均匀化、1160℃/0.5h固溶淬火的热处理后，在730℃时效处理10h，能够析出的弥散的纳米级do22型超点阵相。

实施例五

本实施例中，所述ni-cr-w基高温合金的重量百分比为：20wt.％的cr、14wt.％的w和4.3wt.％的nb，余量为ni。

所述添加有nb元素的高温合金能够析出do22型超点阵相：采用真空非自耗电弧熔炼方法制备重量百分比为ni-20cr-14w-4.3nb成分的合金，样品经过1200℃/24h均匀化、1160℃/0.5h固溶淬火的热处理后，在670℃时效处理50h，能够析出的弥散的纳米级do22型超点阵相。

实施例六

本实施例中，所述ni-cr-w基高温合金的重量百分比为：21wt.％的cr、13wt.％的w和3wt.％的nb，余量为ni。

所述添加有nb元素的高温合金能够析出do22型超点阵相：采用真空非自耗电弧熔炼方法制备重量百分比为ni-21cr-13w-3nb成分的合金，样品经过1200℃/24h均匀化、1160℃/0.5h固溶淬火的热处理后，在670℃时效处理50h，能够析出的弥散的纳米级do22型超点阵相。

实施例七

本实施例中，所述ni-cr-w基高温合金的重量百分比为：21wt.％的cr、15wt.％的w和3wt.％的nb，余量为ni。

所述添加有nb元素的高温合金能够析出do22型超点阵相：采用真空非自耗电弧熔炼方法制备重量百分比为ni-21cr-15w-3nb成分的合金，样品经过1200℃/24h均匀化、1160℃/0.5h固溶淬火的热处理后，在680℃时效处理45h，能够析出的弥散的纳米级do22型超点阵相。

实施例八

本实施例中，所述ni-cr-w基高温合金的重量百分比为：19wt.％的cr、15wt.％的w和3wt.％的nb，余量为ni。

所述添加有nb元素的高温合金能够析出do22型超点阵相：采用真空非自耗电弧熔炼方法制备重量百分比为ni-19cr-15w-3nb成分的合金，样品经过1200℃/24h均匀化、1160℃/0.5h固溶淬火的热处理后，在740℃时效处理5h，能够析出的弥散的纳米级do22型超点阵相。

实施例九

本实施例中，所述ni-cr-w基高温合金的重量百分比为：19wt.％的cr、13wt.％的w和3wt.％的nb，余量为ni。

所述添加有nb元素的高温合金能够析出do22型超点阵相：采用真空非自耗电弧熔炼方法制备重量百分比为ni-19cr-13w-3nb成分的合金，样品经过1200℃/24h均匀化、1160℃/0.5h固溶淬火的热处理后，在750℃时效处理1h，能够析出的弥散的纳米级do22型超点阵相。