本發(fā)明屬于合金材料技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種Ni-Cr-Mo-Nb-Al-Ti系高溫合金材料、其制備方法及其應(yīng)用。
背景技術(shù)：
高溫合金是指以鐵、鈷、鎳為基，能在600℃以上高溫下服役而研制的一類金屬材料。高溫合金為單一的奧氏體基體組織，擁有較高的高溫強(qiáng)度、抗氧化和抗腐蝕性能，具有良好的組織穩(wěn)定性和使用可靠性，又稱為熱強(qiáng)合金和熱穩(wěn)定性高溫合金，國(guó)外常稱之為超合金。
高溫合金按照合金成分、組織和成型工藝不同可以有不同的分類方法。按基體元素分類，主要有鎳基高溫合金、鈷基高溫合金和鐵基高溫合金，此外還另有一個(gè)分支鎳-鐵基高溫合金。按制備工藝分，可以分為變形高溫合金，鑄造高溫合金和粉末高溫合金。按強(qiáng)化方式分類可以分為固溶強(qiáng)化合金和時(shí)效沉淀強(qiáng)化型合金，不同強(qiáng)化型合金有不同的熱處理制度。
高溫合金的發(fā)展動(dòng)力來(lái)源于高溫燃?xì)廨啓C(jī)的需要，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，尤其是航空發(fā)動(dòng)機(jī)推力及效率的日益增長(zhǎng)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度的不斷提高，這就要求材料必須具備更高的耐溫能力。同時(shí)，高溫合金由于具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能和抗氧化、耐腐蝕能力而成為石化、核能、航空、航天等工業(yè)領(lǐng)域中承受高溫、腐蝕、長(zhǎng)效載荷等惡劣使用環(huán)境關(guān)鍵部件不可或缺的材料。但高溫合金由于含有較高含量的合金元素，如Ni、Mo、W、Co等，此類合金元素大多是我國(guó)的戰(zhàn)略合金資源，原材料價(jià)格較高，一些小規(guī)模的合金產(chǎn)商對(duì)其望而卻步。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種能有效降低生產(chǎn)成本、具有優(yōu)良焊接加工性能的Ni-Cr-Mo-Nb-Al-Ti系高溫合金材料、其制備方法及其應(yīng)用。本發(fā)明高溫合金材料在室溫下的抗拉強(qiáng)度≥1400N/mm2，屈服強(qiáng)度≥1100N/mm2，斷后伸長(zhǎng)率≥8％，在760～850℃高溫下的抗拉強(qiáng)度≥1100N/mm2，屈服強(qiáng)度≥900N/mm2，斷后伸長(zhǎng)率≥18％；采用本發(fā)明高溫合金材料制備的高溫焊結(jié)構(gòu)件，其焊接頭的強(qiáng)度可達(dá)到母材強(qiáng)度的90％以上。本發(fā)明目的通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：
一種Ni-Cr-Mo-Nb-Al-Ti系高溫合金材料，按重量百分比計(jì)，所述合金材料包括，C：0.02～0.08％、Cr：13.5～16.5％、Mo：8.5～9.5％、Nb：2.1～2.5％、Al：1.10～1.40％、Ti：2.35～2.63％、Fe：21.0～24.0％、B：0.005～0.015％，余量為Ni。
本發(fā)明高溫合金材料中的Mo，有三個(gè)方面的作用，其一作用是固溶于基體，達(dá)到提高合金的高溫強(qiáng)度的目的；其二是與碳結(jié)合形成MoC強(qiáng)化相；其三是適量的Mo有利于形成強(qiáng)化相γ‵，但Mo含量太高可能會(huì)析出脆性σ相，從而嚴(yán)重影響合金的韌性與使用壽命；Nb有著與Mo類似的作用，但是Nb元素的偏析傾向嚴(yán)重，太高的Nb會(huì)影響合金的使用壽命與性能；B元素在合金中起到強(qiáng)化晶界的作用，從而提高合金的高溫性能，但是B含量過(guò)高可能形成低熔點(diǎn)的Fe2B，使合金的高溫性能嚴(yán)重降低，所以本發(fā)明Mo、Nb、B等合金元素的含量是經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)得來(lái)的，各元素成分之間相互配合，共同提高合金材料的高溫性能，任何一個(gè)不在本發(fā)明元素成分及含量范圍內(nèi)的變動(dòng)都會(huì)對(duì)合金性能產(chǎn)生較大影響。
同時(shí)，本發(fā)明各元素成分及配比含量最直接的有益效果是制備的合金材料在高溫下(優(yōu)選為760～850℃)具有優(yōu)良焊接加工性能，能夠?qū)⑵溆糜谥苽錅u輪機(jī)匣及高溫焊接結(jié)構(gòu)件；當(dāng)其應(yīng)用于制備高溫焊接結(jié)構(gòu)件時(shí)，焊接頭的強(qiáng)度可達(dá)到母材強(qiáng)度的90％以上。之所以能有這么好的焊接性能，與其具體組成成分及配比含量有直接關(guān)系，本發(fā)明合金材料在焊接后，組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不會(huì)析出σ等脆性相，從而體現(xiàn)在了焊接性能優(yōu)異。
作為本發(fā)明一種Ni-Cr-Mo-Nb-Al-Ti系高溫合金材料的一個(gè)具體實(shí)施例，所述合金材料包括，C：0.04～0.06％、Cr：14～15.5％、Mo：8.8～9.2％、Nb：2.3～2.4％、Al：1.20～1.30％、Ti：2.45～2.57％、Fe：22.30～23.7％、B：0.008～0.013％，余量為Ni。
作為本發(fā)明一種Ni-Cr-Mo-Nb-Al-Ti系高溫合金材料的一個(gè)具體實(shí)施例，所述合金材料還包括Mn、P、Si、S雜質(zhì)及其它不可避免的雜質(zhì)，按質(zhì)量百分比計(jì)，Mn≤0.25％、P≤0.02％、Si≤0.25％、S≤0.015％。
作為本發(fā)明一種Ni-Cr-Mo-Nb-Al-Ti系高溫合金材料的一個(gè)具體實(shí)施例，所述合金材料在室溫下的抗拉強(qiáng)度≥1400N/mm2，屈服強(qiáng)度≥1100N/mm2，斷后伸長(zhǎng)率≥8％，在760～850℃高溫下的抗拉強(qiáng)度≥1100N/mm2，屈服強(qiáng)度≥900N/mm2，斷后伸長(zhǎng)率≥18％。
本發(fā)明還提供所述Ni-Cr-Mo-Nb-Al-Ti系高溫合金材料的制備方法，包括以下步驟：
1)按組分百分比稱取原料，并在1450～1480℃溫度下進(jìn)行熔煉，溶液澆注成自耗電極；
2)將自耗電極進(jìn)行重熔精煉，重熔成電渣錠；
3)將電渣錠加熱鍛造，鍛造后空冷至室溫，并進(jìn)行表面處理；
4)將表面處理后的鍛造件進(jìn)行固溶時(shí)效熱處理，即制得本發(fā)明合金材料。
作為本發(fā)明一種Ni-Cr-Mo-Nb-Al-Ti系高溫合金材料制備方法的一個(gè)具體實(shí)施例，所述步驟1)的熔煉在真空感應(yīng)爐中進(jìn)行；所述步驟2)的重熔精煉在真空自耗爐中進(jìn)行。
作為本發(fā)明一種Ni-Cr-Mo-Nb-Al-Ti系高溫合金材料制備方法的一個(gè)具體實(shí)施例，所述步驟3)中鍛造溫度為1100～1120℃，時(shí)間為3～5小時(shí)，開(kāi)鍛溫度≥1100℃，停鍛溫度≥900℃。
作為本發(fā)明一種Ni-Cr-Mo-Nb-Al-Ti系高溫合金材料制備方法的一個(gè)具體實(shí)施例，所述步驟4)中固溶時(shí)效熱處理的具體過(guò)程為：固溶1070℃～1095℃，保溫2～6小時(shí)，水冷；一次時(shí)效750℃～770℃，保溫16～20小時(shí)，空冷；二次時(shí)效640～660℃保溫24～30小時(shí)，空冷。
本發(fā)明還涉及所述Ni-Cr-Mo-Nb-Al-Ti系高溫合金材料的應(yīng)用，所述高溫合金材料用于制作高溫焊接結(jié)構(gòu)件及渦輪機(jī)匣。
本發(fā)明的有益效果：
1、本發(fā)明Ni-Cr-Mo-Nb-Al-Ti系高溫合金材料在室溫(25℃)下的抗拉強(qiáng)度≥1400N/mm2，屈服強(qiáng)度≥1100N/mm2，斷后伸長(zhǎng)率≥8％，在760～850℃高溫下的抗拉強(qiáng)度≥1100N/mm2，屈服強(qiáng)度≥900N/mm2，斷后伸長(zhǎng)率≥18％。
2、本發(fā)明Ni-Cr-Mo-Nb-Al-Ti系高溫合金材料沒(méi)有Co、W等戰(zhàn)略合金資源元素，相比于大量使用Co的合金材料來(lái)說(shuō)，在滿足合金性能的前提下能顯著降低生產(chǎn)成本。
3、本發(fā)明合金材料具有優(yōu)良焊接加工性能，能夠?qū)⑵溆糜谥苽錅u輪機(jī)匣及高溫焊接結(jié)構(gòu)件；當(dāng)其應(yīng)用于制備高溫焊接結(jié)構(gòu)件時(shí)，在760～850℃高溫下，焊接頭的強(qiáng)度可達(dá)到母材強(qiáng)度的90％以上。
具體實(shí)施方式
為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
采用不同組成成分進(jìn)行本發(fā)明Ni-Cr-Mo-Nb-Al-Ti系高溫合金材料的制備，本發(fā)明提供6個(gè)實(shí)施例，各實(shí)施例合金材料的組成成分及含量如下表1所示：
表1本發(fā)明Ni-Cr-Mo-Nb-Al-Ti系高溫合金材料組成成分及含量(此處省略雜質(zhì))
實(shí)施例1
按照本發(fā)明合金材料制備方法進(jìn)行本實(shí)施例合金材料的制備，具體步驟如下：
1)按表1中實(shí)施例1的組分成分及含量稱量原料，并在1460℃溫度下的真空感應(yīng)爐中進(jìn)行熔煉，溶液澆注成自耗電極；
2)將自耗電極在真空自耗爐中進(jìn)行重熔精煉，重熔成電渣錠；
3)將電渣錠加熱鍛造，鍛造后空冷至室溫，并進(jìn)行表面處理，其中，鍛造溫度為1120℃，時(shí)間為5小時(shí)，開(kāi)鍛溫度為1200℃，停鍛溫度為900℃；
4)將表面處理后的鍛造件進(jìn)行固溶時(shí)效熱處理，即制得本發(fā)明合金材料，其中固溶時(shí)效熱處理的工藝為：固溶1070℃，保溫6小時(shí)，水冷；一次時(shí)效770℃，保溫20小時(shí)，空冷；二次時(shí)效660℃保溫24小時(shí)，空冷。
實(shí)施例2
按照本發(fā)明合金材料制備方法進(jìn)行本實(shí)施例合金材料的制備，具體步驟如下：
1)按表1中實(shí)施例2的組分成分及含量稱量原料，并在1470℃溫度下的真空感應(yīng)爐中進(jìn)行熔煉，溶液澆注成自耗電極；
2)將自耗電極在真空自耗爐中進(jìn)行重熔精煉，重熔成電渣錠；
3)將電渣錠加熱鍛造，鍛造后空冷至室溫，并進(jìn)行表面處理，其中，鍛造溫度為1100℃，時(shí)間為3小時(shí)，開(kāi)鍛溫度為1100℃，停鍛溫度為1050℃；
4)將表面處理后的鍛造件進(jìn)行固溶時(shí)效熱處理，即制得本發(fā)明合金材料，其中固溶時(shí)效熱處理的工藝為：固溶1095℃，保溫4小時(shí)，水冷；一次時(shí)效750℃，保溫18小時(shí)，空冷；二次時(shí)效660℃保溫28小時(shí)，空冷。
實(shí)施例3
按照本發(fā)明合金材料制備方法進(jìn)行本實(shí)施例合金材料的制備，具體步驟如下：
1)按表1中實(shí)施例3的組分成分及含量稱量原料，并在1480℃溫度下的真空感應(yīng)爐中進(jìn)行熔煉，溶液澆注成自耗電極；
2)將自耗電極在真空自耗爐中進(jìn)行重熔精煉，重熔成電渣錠；
3)將電渣錠加熱鍛造，鍛造后空冷至室溫，并進(jìn)行表面處理，其中，鍛造溫度為1110℃，時(shí)間為4小時(shí)，開(kāi)鍛溫度1100℃，停鍛溫度900℃；
4)將表面處理后的鍛造件進(jìn)行固溶時(shí)效熱處理，即制得本發(fā)明合金材料，其中固溶時(shí)效熱處理的工藝為：固溶1080℃，保溫5小時(shí)，水冷；一次時(shí)效760℃，保溫18小時(shí)，空冷；二次時(shí)效640℃保溫29小時(shí)，空冷。
實(shí)施例4
按照本發(fā)明合金材料制備方法進(jìn)行本實(shí)施例合金材料的制備，具體步驟如下：
1)按表1中實(shí)施例4的組分成分及含量稱量原料，并在1465℃溫度下的真空感應(yīng)爐中進(jìn)行熔煉，溶液澆注成自耗電極；
2)將自耗電極在真空自耗爐中進(jìn)行重熔精煉，重熔成電渣錠；
3)將電渣錠加熱鍛造，鍛造后空冷至室溫，并進(jìn)行表面處理，其中，鍛造溫度為1120℃，時(shí)間為3.8小時(shí)，開(kāi)鍛溫度1200℃，停鍛溫度1050℃；
4)將表面處理后的鍛造件進(jìn)行固溶時(shí)效熱處理，即制得本發(fā)明合金材料，其中固溶時(shí)效熱處理的工藝為：固溶1095℃，保溫6小時(shí)，水冷；一次時(shí)效760℃，保溫20小時(shí)，空冷；二次時(shí)效650℃保溫27小時(shí)，空冷。
實(shí)施例5
按照本發(fā)明合金材料制備方法進(jìn)行本實(shí)施例合金材料的制備，具體步驟如下：
1)按表1中實(shí)施例5的組分成分及含量稱量原料，并在1470℃溫度下的真空感應(yīng)爐中進(jìn)行熔煉，溶液澆注成自耗電極；
2)將自耗電極在真空自耗爐中進(jìn)行重熔精煉，重熔成電渣錠；
3)將電渣錠加熱鍛造，鍛造后空冷至室溫，并進(jìn)行表面處理，其中，鍛造溫度為11051℃，時(shí)間為5小時(shí)，開(kāi)鍛溫度1300℃，停鍛溫度1020℃；
4)將表面處理后的鍛造件進(jìn)行固溶時(shí)效熱處理，即制得本發(fā)明合金材料，其中固溶時(shí)效熱處理的工藝為：固溶10700℃，保溫20小時(shí)，水冷；一次時(shí)效770℃，保溫20小時(shí)，空冷；二次時(shí)效660℃保溫30小時(shí)，空冷。
實(shí)施例6
按照本發(fā)明合金材料制備方法進(jìn)行本實(shí)施例合金材料的制備，具體步驟如下：
1)按表1中實(shí)施例6的組分成分及含量稱量原料，并在1480℃溫度下的真空感應(yīng)爐中進(jìn)行熔煉，溶液澆注成自耗電極；
2)將自耗電極在真空自耗爐中進(jìn)行重熔精煉，重熔成電渣錠；
3)將電渣錠加熱鍛造，鍛造后空冷至室溫，并進(jìn)行表面處理，其中，鍛造溫度為1120℃，時(shí)間為5小時(shí)，開(kāi)鍛溫度1100℃，停鍛溫度900℃；
4)將表面處理后的鍛造件進(jìn)行固溶時(shí)效熱處理，即制得本發(fā)明合金材料，其中固溶時(shí)效熱處理的工藝為：固溶1085℃，保溫5小時(shí)，水冷；一次時(shí)效750℃，保溫16小時(shí)，空冷；二次時(shí)效640℃保溫24小時(shí)，空冷。
對(duì)比例
為了突出本發(fā)明合金材料各組成成分及含量對(duì)合金耐高溫性能的影響，發(fā)明人針對(duì)其中的Mo、Nb成分含量進(jìn)行了調(diào)整，將其含量控制在本發(fā)明要求的范圍外，而其它成分及含量均保持在本發(fā)明的含量范圍內(nèi)，研究Mo、Nb成分含量的變動(dòng)對(duì)合金耐高溫及作為焊接構(gòu)件強(qiáng)度的影響。應(yīng)當(dāng)注意，此對(duì)比例僅僅列舉出Mo、Nb兩種成分含量，對(duì)其它成分含量亦能達(dá)到相同的實(shí)驗(yàn)效果及目的。
對(duì)比例1
將Mo的含量設(shè)定在本發(fā)明要求的范圍外，即8.5～9.5％以外，而其它成分含量都控制在本發(fā)明要求的范圍內(nèi)，然后按照本發(fā)明制備方法進(jìn)行合金材料的制備。本對(duì)比例將Mo的含量分別設(shè)定為6％及11％。此處僅為代表，其它不在本發(fā)明范圍內(nèi)的Mo含量亦能達(dá)到相同的效果。
對(duì)比例2
將Nb的含量設(shè)定在本發(fā)明要求的范圍外，即2.1～2.5％以外，而其它成分含量都控制在本發(fā)明要求的范圍內(nèi)，然后按照本發(fā)明制備方法進(jìn)行合金材料的制備。本對(duì)比例將Nb的含量分別設(shè)定為1.0％及3.5％。此處僅為代表，其它不在本發(fā)明范圍內(nèi)的Nb含量亦能達(dá)到相同的效果。
對(duì)實(shí)施例1至6及對(duì)比例1至2制備的成品合金材料取樣進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，檢測(cè)去力學(xué)性能；并檢測(cè)成品在760～850℃高溫下的力學(xué)性能及用其制備的焊接構(gòu)件在高溫下的強(qiáng)度。其結(jié)果如下表2所示：(其中，焊接構(gòu)件強(qiáng)度以其達(dá)到母材強(qiáng)度的百分比來(lái)確定)
表2實(shí)施例1至6及對(duì)比例1至2成品合金材料力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果
從實(shí)施例1至6的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)可以看出，本發(fā)明Ni-Cr-Mo-Nb-Al-Ti系高溫合金材料在室溫(25℃)下的抗拉強(qiáng)度≥1400N/mm2，屈服強(qiáng)度≥1100N/mm2，斷后伸長(zhǎng)率≥8％，在760～850℃高溫下的抗拉強(qiáng)度≥1100N/mm2，屈服強(qiáng)度≥900N/mm2，斷后伸長(zhǎng)率≥18％；用其制備的高溫焊接結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度達(dá)到母材強(qiáng)度的90％以上。
當(dāng)改變本發(fā)明合金材料中Mo或Nb的含量時(shí)，合金材料在室溫(25℃)及760～850℃高溫下的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率雖有明顯下降，但對(duì)其性能影響不大。但對(duì)用其制備的高溫焊接結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度的影響較大，其強(qiáng)度從達(dá)到母材強(qiáng)度的90％以上降低到60～72.5％，特別是Nb含量的改變，對(duì)其高溫強(qiáng)度的影響更大，其強(qiáng)度從90％以上降低到約60％，效果明顯，說(shuō)明Nb含量對(duì)其高溫強(qiáng)度的影響最大。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。