一种新型耐蚀镍基合金及其生产工艺的制作方法

本发明涉及合金材料技术领域，具体为一种新型耐蚀镍基合金及其生产工艺。

背景技术：

船用换热器是船舶轮机的重要设备，用于实现换热器内外介质的热交换。换热器具有广泛用途，在船舶的中央冷却器、缸套水冷却器、发动机冷却器、主机冷却器、循环水冷却器、海水预热器、余热回收装置以及海水淡化主机等装置上均有使用。对于在海洋环境中作业的船舶，由于海水获取方便、成本极低，因此通常使用海水作为船用换热器的换热流体介质。然而，由于海水具有较强的腐蚀性，使得换热器腐蚀问题尤为突出，腐蚀导致的换热器管道堵塞、泄露等问题时有发生，不但降低换热效率，甚至可能造成事故。统计结果表明，在导致换热器损害的原因中，有90％的是由于海水腐蚀问题导致的。

严重的海水腐蚀问题，对组成换热器的管壳、板片、阀门、法兰等与海水有直接接触的构件提出了较高的耐腐蚀性能要求。目前，常见的换热器用耐蚀材料为sus304、316l等不锈钢、铜合金及钛合金等。但是现有的耐蚀合金材料由于其元素组成不够合理，再加之生产工艺上亦存在缺陷，使其耐海水腐蚀的寿命较短，需要经常更换，费用较高。此外，出于价格因素考虑，大部分民用船舶选用碳钢作为换热器材质。相比于不锈钢和添加贵金属的合金钢，碳钢的耐腐蚀性能更差，且容易导致锈蚀问题，进而使换热器的腐蚀程度加剧，造成巨大的经济损失。

技术实现要素：

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种新型耐蚀镍基合金及其生产工艺，具有良好的耐海水腐蚀性能等优点。

(二)技术方案

为实现上述耐海水腐蚀性能的目的，在第一方面，本发明提供了一种新型耐蚀镍基合金，镍基合金的成分重量百分比为：

cu：29.5％～31.5％；

al：2.67％～3.45％；

fe：1.36％～1.83％；

cr：1.23％～1.48％；

mn：0.86％～1.13％；

ti：0.53％～0.82％；

nb：0.34％～0.61％；

ta：0.29％～0.57％

si：0.31％～0.44％；

c：0.046％～0.085％；

s：≤0.005％；

ni：补足余量。

优选的，所述镍基合金的成分重量百分比为：cu：31.5％，al：2.67％，fe：1.36％，cr：1.23％，mn：0.86％，ti：0.53％，nb：0.34％，ta：0.29％，si：0.31％，c：0.046％，s：0.002％，余量为ni。

优选的，所述镍基合金的成分重量百分比为：cu：29.5％，al：3.15％，fe：1.83％，cr：1.48％，mn：1.13％，ti：0.82％，nb：0.61％，ta：0.57％，si：0.44％，c：0.085％，s：0.005％，余量为ni。

优选的，所述镍基合金的成分重量百分比为：cu：30.5％，al：3.27％，fe：1.64％，cr：1.37％，mn：0.93％，ti：0.69％，nb：0.51％，ta：0.46％，si：0.38％，c：0.068％，s：0.0035％，余量为ni。

在另一方面，本发明提供了一种新型耐蚀镍基合金的生产工艺，包括以下步骤：

s10、称取以下重量百分比的各组分，放入真空熔炼炉中用于真空熔炼：

cu：29.5％～31.5％；

al：2.67％～3.45％；

fe：1.36％～1.83％；

cr：1.23％～1.48％；

mn：0.86％～1.13％；

ti：0.53％～0.82％；

nb：0.34％～0.61％；

ta：0.29％～0.57％；

si：0.31％～0.44％；

c：0.046％～0.085％；

ni：补足余量；

s20、将真空熔炼炉的炉内温度保持在1550℃～1630℃，真空熔炼1～1.5h；

s30、将生产熔液在1500℃～1550℃下静置熟化0.5h；

s40、将生产熔液浇注至铸造模具中，室温冷却，制成铸锭；

s50、对所述铸锭进行切冒口和去除氧化皮处理；

s60、将铸锭加热至1200℃～1250℃，进行锻压处理，制得锻件；

s70、将锻件进行热处理，制得镍基合金成品。

优选的，所述热处理工艺为：将锻件在热处理炉内从室温加热至480℃±5℃，并保温1.5～2h；继续加热至720℃±5℃，并保温12～16h；随后锻件从720℃±5℃降至480℃±5℃，降温耗时10～12小时，然后随炉冷却至室温，制得镍基合金成品。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明提供了一种新型耐蚀镍基合金及其生产工艺，具备以下有益效果：

1、合金的综合性能在根本上取决于合金中添加的各元素的种类、含量以及生产工艺。本发明中的新型耐蚀镍基合金是由ni、cu、al、fe、cr、mn、ti、nb、ta、si、c和s等12种金属及非金属元素组成的多元合金，各合金元素的配比合理；同时采用固熔加时效的制备工艺，方法科学先进。

2、本发明中的新型耐蚀镍基合金具有以下显著特点：1)合金中的金属元素ni为面心立方结构，具有极好的晶体学稳定性，可以容纳较多的合金元素，在加入合金元素cu和cr后，合金的热力学稳定性显著提高，且所形成的多元合金为单相固熔体，均匀一致性好；2)在合金中添加的cr、nb、ta等金属元素，在氧化性介质中容易在合金表面形成致密的钝化膜，该钝化膜具有优异的耐腐蚀性能；3)在合金中添加的al、ti、fe、mn等金属元素以及si、c、s等非金属元素，可以显著提高合金材料的综合力学性能；4)采用固熔加时效的生产工艺制备新型耐蚀镍基合金，合金金相均匀一致、合金成品质量稳定。

3、该新型耐蚀镍基合金及其生产工艺，与已有同类耐蚀合金相比，本发明的新型耐蚀镍基合金具有以下显著不同：1)综合力学性能不同：测试结果表明，本发明中的新型耐蚀镍基合金的常温抗拉强度可以达到1370mp，屈服强度可以达到935mpa，延伸率可以达到27％，硬度可以达到34.5hrc，其综合力学性能指标远超目前常规镍基合金的技术水平(如某型号镍基合金蒙乃尔k500的抗拉强度为896mpa，屈服强度为551mpa，延展率为20％)；2)耐腐蚀机理不同：现有耐蚀合金主要通过提高合金的综合力学性能来延缓腐蚀；本发明的新型耐蚀镍基合金在显著提高合金综合力学性能的同时，还通过加入cr、nb、ta等金属元素，使其在合金表面氧化形成一层致密的钝化膜，达到双重耐腐蚀的效果；3)耐腐蚀性能不同：本发明的新型耐蚀镍基合金，由于合金元素配比合理，生产工艺科学先进，所制成的合金在酸性、海水、盐雾、大气等腐蚀性介质中的耐腐蚀性能十分优异，显著优于目前已有的耐蚀镍基合金。实际环境中的耐腐蚀实验结果表明，本发明的新型镍基合金对各种浓度和温度下的氢氟酸均表现出耐蚀性；不同于常规镍基合金如蒙乃尔合金等，本发明的新型镍基合金由于cr、nb、ta等合金元素的加入，除对于低浓度硫酸具有耐蚀性外，对于浓度大于85％的硫酸也表现出良好的耐蚀性能；在不同流速海水中的腐蚀速率均小于0.013mm/a，而蒙乃尔合金的腐蚀速率为0.020mm/a；在150℃～250℃的高温蒸汽中，试验1500小时，本发明镍基合金的腐蚀速率为0.015mm/a，相同工况下蒙乃尔合金的腐蚀速率为0.026mm/a，由于本发明中的镍基合金具有良好的耐腐蚀性能，用该镍基合金制成的船用换热器，其海水腐蚀问题得到有效抑制，使用寿命平均提高2～4倍，长周期换热效率提高65％以上。

附图说明

图1所示为本发明的新型耐蚀镍基合金成品组织的显微金相图。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

一种新型耐蚀镍基合金：

新型耐蚀镍基合金，其成分重量百分比为：cu：31.5％，al：2.67％，fe：1.36％，cr：1.23％，mn：0.86％，ti：0.53％，nb：0.34％，ta：0.29％，si：0.31％，c：0.046％，s：0.002％，余量为ni；

新型耐蚀镍基合金的生产工艺，包括以下步骤：

s10、选取原料，原料的重量百分比组成为：31.5％的纯铜，2.67％的电解铝，1.36％的铁粉，1.23％的纯铬，0.86％的电解锰，0.53％的纯钛，0.34％的铌，0.29％的钽，0.31％的纯硅，0.046％的碳粉，0.002％的硫，余量的电解镍；将原料放入真空中频熔炼炉内进行熔炼；

s20、将真空熔炼炉的炉内温度升温至1580℃，再将真空熔炼炉内的温度保持在1580℃进行真空熔炼持续1h；

s30、将真空熔炼后生产出的熔液在1500℃下静置熟化0.5h；

s40、将静置熟化后的熔液浇注至铸造模具中，再进行室温冷却，制成铸锭；

s50、对制成的铸锭进行切冒口和去除氧化皮处理；

s60、将经过切冒口和去除氧化皮后的铸锭加热至1200℃，进行锻压处理，制得锻件；

s70、锻压结束后对所得锻件在热处理炉内进行如下的热处理：所得锻件在热处理炉内从室温加热至475℃，升温耗时2小时，保温1.5小时，然后锻件从475℃加热至715℃，升温耗时2小时，保温12小时，之后锻件从715℃降至475℃，降温耗时10小时，然后随热处理炉冷却至室温，制得镍基合金成品。

采用x射线光电子能谱分析仪(xps)对镍基合金成品表面5个不同的随机位置点进行了合金元素种类及含量的测定和分析。对各元素能谱的测试分析结果表明：1)所制得的合金中含有cu、al、fe、cr、mn、ti、nb、ta、si、c、s和ni等12中不同元素；2)在5个不同的测试位置点，各合金元素的含量一致性极好；3)各合金元素的重量百分比的均值为：cu：31.5％，al：2.67％，fe：1.36％，cr：1.23％，mn：0.86％，ti：0.53％，nb：0.34％，ta：0.29％，si：0.31％，c：0.046％，s：0.002％，ni：60.86％。

分别采用扫描电子显微镜(sem)和金相显微镜对所制备的镍基合金成品的断面进行表面特性检测与分析(请参照图1)。结果表明，所制得的镍基合金成品的微观结构和组织金相的均匀一致较好。

对所制得的镍基合金成品进行了力学性能测试，结果表明，其常温抗拉强度为1350mp，屈服强度为935mpa，延伸率为22％，硬度为33.2hrc。

对所制得的镍基合金成品进行了不同工况下的耐腐蚀试验，结果表明，该镍基合金对各种浓度和温度下的氢氟酸均表现出耐蚀性；除对于低浓度硫酸具有耐蚀性外，对于浓度大于85％的硫酸也表现出良好的耐蚀性能；在不同流速海水中的腐蚀速率均小于0.013mm/a；在250℃的高温蒸汽中，试验1500小时，该镍基合金的腐蚀速率为0.015mm/a。

本实施例中的各种测试结果表明，本发明提供的一种新型耐蚀镍基合金及其生产工艺，由于各合金元素配比设计合理，在采用固熔加时效的生产工艺后，所制得镍基合金成品中的各元素在合金中均匀分布，金相组织均匀一致；晶体学稳定性好，综合力学性能优异；各合金元素通过提高合金材料的力学性能并在合金表面形成钝化膜等不同作用机制，使得所制得的镍基合金成品在不同腐蚀介质中均表现出了极好的耐腐蚀性能。

实施例二

一种新型耐蚀镍基合金及其生产工艺：

新型耐蚀镍基合金，其成分重量百分比为：cu：29.5％，al：3.15％，fe：1.83％，cr：1.48％，mn：1.13％，ti：0.82％，nb：0.61％，ta：0.57％，si：0.44％，c：0.085％，s：0.005％，余量为ni。

新型耐蚀镍基合金的生产工艺，包括以下步骤：

s10、选取原料，原料的重量百分比组成为：29.5％的纯铜，3.15％的电解铝，1.83％的铁粉，1.48％的纯铬，1.13％的电解锰，0.82％的纯钛，0.61％的铌，0.57％的钽，0.44％的纯硅，0.085％的碳粉，0.005％的硫，余量的电解镍；将原料放入真空中频熔炼炉内进行熔炼；

s20、将真空熔炼炉的炉内温度升温至1630℃，再将真空熔炼炉内的温度保持在1630℃进行真空熔炼持续1.5h；

s30、将真空熔炼后生产出的熔液在1550℃下静置熟化0.5h；

s40、将静置熟化后的熔液浇注至铸造模具中，再进行室温冷却，制成铸锭；

s50、对制成的铸锭进行切冒口和去除氧化皮处理；

s60、将经过切冒口和去除氧化皮后的铸锭加热至1250℃，进行锻压处理，制得锻件；

s70、锻压结束后对所得锻件在热处理炉内进行如下的热处理：所得锻件在热处理炉内从室温加热至485℃，升温耗时2小时，保温2小时，然后锻件从485℃加热至725℃，升温耗时2小时，保温16小时，之后锻件从725℃降至485℃，降温耗时12小时，然后随炉冷却至室温，制得镍基合金成品。

采用x射线光电子能谱分析仪(xps)对镍基合金成品表面5个不同的随机位置点进行了合金元素种类及含量的测定和分析。对各元素能谱的测试分析结果表明：1)所制得的合金中含有cu、al、fe、cr、mn、ti、nb、ta、si、c、s和ni等12中不同元素；2)在5个不同的测试位置点，各合金元素的含量一致性极好；3)各合金元素的重量百分比的均值为：cu：29.5％，al：3.15％，fe：1.83％，cr：1.48％，mn：1.13％，ti：0.82％，nb：0.61％，ta：0.57％，si：0.44％，c：0.085％，s：0.005％，ni：60.38％。

分别采用扫描电子显微镜(sem)和金相显微镜对所制备的镍基合金成品的断面进行表面特性检测与分析(请参照图1)。结果表明，所制得的镍基合金成品的微观结构和组织金相的均匀一致较好。

对所制得的镍基合金成品进行了力学性能测试，结果表明，其常温抗拉强度为1278mp，屈服强度为891mpa，延伸率为27％，硬度为32.7hrc。

对所制得的镍基合金成品进行了不同工况下的耐腐蚀试验，结果表明，该镍基合金对各种浓度和温度下的氢氟酸均表现出耐蚀性；除对于低浓度硫酸具有耐蚀性外，对于浓度大于85％的硫酸也表现出良好的耐蚀性能；在不同流速海水中的腐蚀速率均小于0.013mm/a；在250℃的高温蒸汽中，试验1500小时，该镍基合金的腐蚀速率为0.015mm/a。

本实施例中的各种测试结果表明，本发明提供的一种新型耐蚀镍基合金及其生产工艺，由于各合金元素配比设计合理，在采用固熔加时效的生产工艺后，所制得镍基合金成品中的各元素在合金中均匀分布，金相组织均匀一致；晶体学稳定性好，综合力学性能优异；各合金元素通过提高合金材料的力学性能并在合金表面形成钝化膜等不同作用机制，使得所制得的镍基合金成品在不同腐蚀介质中均表现出了极好的耐腐蚀性能。

实施例三

一种新型耐蚀镍基合金：

新型耐蚀镍基合金，其成分重量百分比为：cu：30.5％，al：3.27％，fe：1.64％，cr：1.37％，mn：0.93％，ti：0.69％，nb：0.51％，ta：0.46％，si：0.38％，c：0.068％，s：0.0035％，余量为ni。

新型耐蚀镍基合金的生产工艺，包括以下步骤：

s10、选取原料，原料的重量百分比组成为：30.5％的纯铜，3.27％的电解铝，1.64％的铁粉，1.37％的纯铬，0.93％的电解锰，0.69％的纯钛，0.51％的铌，0.46％的钽，0.38％的纯硅，0.068％的碳粉，0.0035％的硫，余量的电解镍；将原料放入真空中频熔炼炉内进行熔炼；

s20、将真空熔炼炉的炉内温度升温至1600℃，再将真空熔炼炉内的温度保持在1600℃进行真空熔炼1.5h；

s30、将真空熔炼后生产出的熔液在1530℃下静置熟化0.5h；

s40、将静置熟化后的熔液浇注至铸造模具中，再进行室温冷却，制成铸锭；

s50、对制成的铸锭进行切冒口和去除氧化皮处理；

s60、将铸锭加热至1230℃，进行锻压处理，制得锻件；

s70、锻压结束后对所得锻件在热处理炉内进行如下的热处理：所得锻件在热处理炉内从室温加热至480℃，升温耗时2小时，保温2小时，然后锻件从480℃加热至720℃，升温耗时2小时，保温14小时，之后锻件从720℃降至480℃，降温耗时11小时，然后随炉冷却至室温，制得镍基合金成品。

采用x射线光电子能谱分析仪(xps)对镍基合金成品表面5个不同的随机位置点进行了合金元素种类及含量的测定和分析。对各元素能谱的测试分析结果表明：1)所制得的合金中含有cu、al、fe、cr、mn、ti、nb、ta、si、c、s和ni等12中不同元素；2)在5个不同的测试位置点，各合金元素的含量一致性极好；3)各合金元素的重量百分比的均值为：cu：30.5％，al：3.27％，fe：1.64％，cr：1.37％，mn：0.93％，ti：0.69％，nb：0.51％，ta：0.46％，si：0.38％，c：0.068％，s：0.0035％，ni：60.1785％。

分别采用扫描电子显微镜(sem)和金相显微镜对所制备的镍基合金成品的断面进行表面特性检测与分析(请参照图1)。结果表明，所制得的镍基合金成品的微观结构和组织金相的均匀一致较好。

对所制得的镍基合金成品进行了力学性能测试，结果表明，其常温抗拉强度为1233mp，屈服强度为857mpa，延伸率为24％，硬度为34.5hrc。

对所制得的镍基合金成品进行了不同工况下的耐腐蚀试验，结果表明，该镍基合金对各种浓度和温度下的氢氟酸均表现出耐蚀性；除对于低浓度硫酸具有耐蚀性外，对于浓度大于85％的硫酸也表现出良好的耐蚀性能；在不同流速海水中的腐蚀速率均小于0.013mm/a；在250℃的高温蒸汽中，试验1500小时，该镍基合金的腐蚀速率为0.015mm/a。

本实施例中的各种测试结果表明，本发明提供的一种新型耐蚀镍基合金及其生产工艺，由于各合金元素配比设计合理，在采用固熔加时效的生产工艺后，所制得镍基合金成品中的各元素在合金中均匀分布，金相组织均匀一致；晶体学稳定性好，综合力学性能优异；各合金元素通过提高合金材料的力学性能并在合金表面形成钝化膜等不同作用机制，使得所制得的镍基合金成品在不同腐蚀介质中均表现出了极好的耐腐蚀性能。

以上实施例的先后顺序仅为便于描述，不代表实施例的优劣。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。