專利名稱：一種超低碳、耐海水腐蝕的高強韌鎳基耐蝕合金的制作方法
技術領域：
本發明屬于鎳基合金技術領域，特別涉及一種超低碳、耐海水腐蝕的高強韌鎳基耐蝕合金，適合于海洋腐蝕環境下使用。
背景技術：
以GH4169(Inconel 718)合金(化學成分重量％為C O. 020 O. 080，Cr 17.0 —21. O, Mo 2. 8 3. 3，Ti O. 75 I. 30，Al O. 30 O. 70，Nb 4. 75 5. 50，Ni 50. O 55. O,余Fe)為代表的時效強化鎳基高溫合金，因具有較高的高溫強度和持久及蠕變性能、良好的抗疲勞、抗輻射、抗氧化性能，以及良好的加工性能、長期組織穩定性，是航天工業的傳統材料，廣泛用于我國航空、航天工業的多種型號發動機。由于作為高溫合金使用，
GH4169合金主要要求在高溫下具有良好的持久、蠕變等高溫機械性能，因此傳統GH4169合金的碳含量控制在O. 02 O. 08%,鈮含量在4. 75 5. 5%。通過固溶+時效熱處理方法，在材料組織中大量析出相-Ni3Nb及相-Ni3(AUTi)，從而保證合金的強度。作為改進，包括CN 102443721A,CN 101307402A、CN 1039067A等在內的一些專利和文獻進行了許多工作，但其成分改進目的主要均在于提高合金在高溫環境下的組織穩定性或者可加工性，均未涉及耐海水腐蝕領域。發明原理亦不相同，對于CN 102443721A，其主要借助加入大量可降低合金層錯能的Co元素，來提高合金組織穩定性和蠕變機械性能，但一方面Co元素為我國稀缺合金，將導致合金成本上升，另一方面大量Co元素的加入，合金的變形抗力將大幅上升。對于CN 101307402A、CN 1039067A，雖然其避免加入Co元素，但其成分設計對提高合金的耐蝕性能作用不大。通過對傳統GH4169材料的腐蝕研究，尤其是耐局部腐蝕行為進行了顯微組織觀察及機理分析研究發現，在熱處理過程中，合金組織中析出大量的碳化物和強化相，其中包括M23C6和Ni3Ti等析出相。由于腐蝕源一般發生在液固相變過程中形成的析出物附近，這些析出相顯著影響合金的耐蝕性能，見圖I。另外，組織中大量出現的強化相雖然可以顯著提高高溫性能，但卻降低材料的常溫沖擊韌性，大量的試驗數據表明傳統GH4169合金的AKv ( IOOJ0隨著設備部件使用環境日益復雜化，對于大量的工況條件，如海洋平臺等腐蝕環境中使用的緊固件部件等，不僅要求材料具有很高的強度和韌性，還對材料的耐腐蝕性能提出更高要求。對于傳統的GH4169合金而言，其力學性能可以滿足要求，但在腐蝕環境中，特別是耐海水腐蝕環境中使用，該類鎳基合金材料的耐局部腐蝕能力相對較差，已經不適合在此類工況環境中長期使用。如何通過重新設計合金成分，分析各種相的析出行為及其耦合作用，從而在維持材料強度的基礎上，進一步提高材料的韌塑性和耐蝕性能，并使其綜合性能具有良好的匹配性，成為發揮這類鎳基耐蝕合金性能潛力的發展方向。

發明內容
本發明的目的在于提供一種超低碳、耐海水腐蝕的高強韌鎳基耐蝕合金，命名為鎳基耐蝕合金SZ12。該合金不僅需具有高的強度，還需保證高的韌塑性以及良好的耐腐蝕性能，尤其適合作為海水環境中的高強度緊固件及其它相關設備部件使用。主要設計思想是通過成分設計及高純冶煉工藝，改變傳統合金材料的化學成分，調整固溶強化作用與第二相強化作用的比例關系，在材料的強度不發生顯著降低的同時，提高其常溫韌性及耐腐蝕性能，拓展合金在腐蝕環境中的使用范圍。本發明的技術原理傳統GH4169合金的強化機理包括固溶強化、第二相強化、晶界強化，而第二相強化為主要的強化機制，通過適當的熱處理，在材料組織中析出大量強化相Y"相-Ni3Nb及Y ,相_Ni3(Al、Ti)，這些強化相以及碳化物在腐蝕環境中成為優先腐蝕源，對材料的耐腐蝕性能和強度與塑性不利。主要特點有I、合金組織中的高溫碳化物NbC、TiC析出明顯降低材料的耐腐蝕性能。2、高溫碳化物析出數量和Ni3Nb強化相析出數量之間具有耦合作用，且強烈受制 于合金中Nb、C等元素含量及相含量匹配關系。3、合金組織中Y" -Ni3Nb強化相對材料腐蝕和強度、韌性有顯著影響。SZ12合金的設計特點為減小第二相強化作用，增加固溶強化作用，同時通過合金元素的控制，提高合金的韌塑性及耐蝕性能。強化元素的選擇、含量的控制和協調匹配關系是關鍵技術，需要考慮以下方面的問題I、強化元素的選擇。不同的合金元素對材料的固溶強化效果不同，比如W、Co的固溶強化效果較強。但過多的固溶強化元素加入，會導致材料脆性，降低材料的韌塑性。研究表明，當W含量> 4. 5%時，合金的脆性傾向顯著增大；W與Co同時添加一定量后，將導致大量偏析出現(圖2)，合金冷熱加工非常困難。2、Nb元素含量的減小量和固溶強化元素的加入量之間的合理匹配和控制。3、C元素含量的減小量和Nb、Ti含量的合理匹配。如將C含量控制在< O. 01%,高溫NbC、TiC碳化物析出數量的減少，強化相Ni3Nb與Ni3 (Al, Ti)增多，故成分設計時須合理降低Nb的含量。Nb元素的含量需要與W、C含量同時優化匹配。因此，根據以上技術原理，本發明合金SZ12針對傳統GH4169合金成分進行了重新調整匹配，精確設計I、采用高純冶煉工藝，大幅降低SZ12合金的C含量，將其控制<0.01%。C含量的降低，大大減少了高溫碳化物的析出，見圖3、圖4的比較。2、將合金的Nb含量降低至4. 10 4. 30%，控制強化相的析出數量。3、向合金中添加固溶元素W，添加量為I. 8 2. 5%。W含量過高將引起材料偏析變脆，而W含量過低又將造成材料力學性能的下降。以上三個內容互相制約，缺一不可，為一個有機整體。任何一項設計不合理，即無法達到設計合金的綜合性能要求。本發明的SZ12合金成分的化學成分重量％為C:彡O. 01，Cr: 17. O 21. 0，Mo: 2. 8 3.3，Ti: O. 75 I. 30，Al: O. 30 O. 70，Nb: 4. I 4.4，W: I. 8 2.5，Ni:50. O 55. O,余量Fe。本發明在成分設計上關鍵控制C彡O. 01，Nb 4. 10 4. 40，W I. 8 2. 5，通過調整固溶強化與第二相強化的比例關系，通過成分中C元素、Nb元素、W元素含量的關聯匹配設計和NbC、TiC和Ni3Nb、Ni3 (Al, Ti)第二相相互耦合作用，在控制合理的固溶強化效果、保證合金高強度的基礎上，不僅降低了組織中碳化物的數量、控制碳化物的析出更加細小均勻，而且顯著降低了對韌塑性和耐蝕性能有不利影響的強化析出相數量，進而明顯提高了合金的韌塑性和在海水環境中的耐腐蝕性能。本發明和現有技術相比具有的優勢在于I、本發明SZ12合金，經相同的固溶及時效工藝處理后，與傳統合金相比，合金的常溫韌塑性(延伸率、斷面收縮率和沖擊韌性)大幅度提高。2、本發明SZ12合金，經相同的固溶及時效工藝處理后，與傳統合金相比，合金的耐局部腐蝕性能(耐晶間腐蝕性能和耐點蝕性能)大幅度提高，顯著拓寬合金在海水等腐蝕環境中的應用。
3、本發明提出的合金成分設計中不含有我國稀缺合金元素Co。4、本發明合金可采用與傳統GH4169相近的冶煉制造工藝，不需要特殊的生產設備。


圖I為傳統GH4169高溫合金腐蝕后的局部腐蝕形貌。圖2為高W、Co含量的合金微觀組織中的偏析。圖3為GH4169合金微觀組織中碳化物分布。圖4為SZ12合金微觀組織中碳化物分布。圖5為EPR法測量SZ12合金與GH4169合金的Ra值比較，熱處理制度為10500C Xlh，AC+720°C X8h, FC,50°C /h + 620°C X8h，AC。圖6為SZ12合金與GH4169合金的點蝕電位EblOO比較，熱處理制度為10500C Xlh，AC+720°C X8h, FC,50°C /h + 620°C X8h，AC。
具體實施例方式采用真空感應加電渣重熔冶煉工藝，分別冶煉2爐SZ12合金(SZ12-1#和SZ12-2#)和I爐GH4169合金，化學成分化學成分重量％如下。SZ12-1#:C O. 0026, Cr 18.84，Mo 3.06, Ti 0.93, Al O. 30, Nb 4. 32, W
1.85，Ni 50. 97，余 Fe。SZ12-2#:C O. 0036, Cr 19.01，Mo 3. 12, Ti 0.86, Al O. 32, Nb 4. 20, W
2.05, Ni 51.08，余 Fe。GH4169 C O. 027, Cr 19.15，Mo 3. 07, Ti O. 90, Al O. 35, Nb5. 12，Ni 50. 98，余 Fe。3爐合金經鍛造軋制后，進行相同固溶+時效工藝熱處理，進行力學性能試驗、EPR法耐晶間腐蝕試驗和點蝕電位測量。常溫下SZ12合金與傳統GH4169合金的強度、韌性對比如下。SZ12合金的抗拉強度Rm=1181MPa，屈服強度RpO. 2=890MPa,延伸率A=36. 2%，斷面收縮率Z=63%，沖擊韌性Akv=165J。GH4169合金的抗拉強度Rm=1213MPa，屈服強度RpO. 2=922MPa，延伸率A=27. 5%，斷面收縮率Z=50%，沖擊韌性Akv=76J。可以看出，與傳統GH4169合金相比，SZ12合金的延伸率A提高了約31%，斷面收縮率Z提高了 26%，韌性Akv更是大幅提高了約115%。圖5為SZ12合金和GH4169合金的耐晶間腐蝕性能的對比，采用EPR法(溫度50°C，介質7M H2SO4 + O. OOlM KSCN溶液)測量的電流密度逆向峰與正向峰比值Ra值表征材料的耐晶間腐蝕性能，Ra越小表明耐晶間腐蝕性能越好。GH4169合金的Ra值為29. 86%，而SZ12合金的Ra值為12. 41%，耐晶間腐蝕性能顯著提高。圖6為SZ12合金和GH4169合金的耐點蝕性能的對比，采用點蝕電位Ebltltl表征材料的耐點蝕性能(溫度30。。，介質3. 5% NaCl溶液)。GH4169合金的Ebloo約為I. 16V，而SZ12合金的Ebloo提高至Ij約I. 19V。綜合來看，SZ12合金 的耐局部腐蝕性能較傳統GH4169合金大幅提高。
權利要求
1. 一種超低碳、耐海水腐蝕的高強韌鎳基耐蝕合金，其特征在于，化學成分重量％為C: ( O. 01, Cr: 17. O 21. 0，Mo:2. 8 3. 3，Ti:O. 75 I. 30, Al:O. 30 O. 70，Nb 4. 10 .4.40，W: I. 8 2. 5，Ni 50. O 55. O,余量Fe。
全文摘要
一種超低碳、耐海水腐蝕的高強韌鎳基耐蝕合金, 屬于鎳基合金技術領域。合金成分的化學成分重量%為C:≤0.01, Cr:17.0～21.0, Mo:2.8～3.3, Ti:0.75～1.30, Al:0.30～0.70, Nb:4.1～4.4, W:1.8～2.5, Ni:50.0～55.0,余量Fe。通過成分中C元素、Nb元素、W元素含量的關聯匹配設計和NbC、TiC和Ni3Nb、Ni3(Al,Ti)第二相相互耦合作用，在控制合理的固溶強化效果、保證合金高強度的基礎上，不僅降低了組織中碳化物的數量、控制碳化物的析出更加細小均勻，而且顯著降低了對韌塑性和耐蝕性能有不利影響的強化析出相數量，提高了合金的韌塑性和在海水環境中的耐腐蝕性能。具有高強、高韌、耐腐蝕性能優異的綜合使用性能，尤其適合在海水等苛刻腐蝕環境中使用。
文檔編號C22C19/05GK102796919SQ201210307210
公開日2012年11月28日 申請日期2012年8月25日 優先權日2012年8月25日
發明者豐涵, 鄭文杰, 宋志剛 申請人:鋼鐵研究總院