[发明专利]一种含锆镍基高温合金及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及高温合金技术领域，尤其涉及一种含锆镍基高温合金及制备方法。

背景技术

高温合金由于具有优异的综合力学性能和抗氧化、耐腐蚀能力而成为石化、核能、航空等工业领域承受高温、腐蚀、载荷等恶劣使用环境关键部件不可或缺的材料。镍基合金以优异的抗氧化、抗腐蚀成为高温合金中应用最广、高温强度最高的一类合金。镍基高温合金中一般含有较高的合金元素，例如Cr、Mo、W、Co等，此类合金元素大多是我国的战略合金资源，原材料价格较高，因此增加镍基高温合金的制造成本，近年来，通过延长合金使用寿命以提高零件的使用安全性成为降低合金使用成本的有效方式，同时也是合金的研究热点。

在高温合金中，一些微量元素可以以很低的含量显著影响其力学性能，成为高温合金领域的研究热点。但微量元素对高温合金的影响往往具有多样性，一些通常认为是有害或者有益的元素，在不同条件下，其作用可以发生较大地甚至是相反的转化，不同的合金体系下，不同的微量元素对合金的作用和规律和作用机理不尽相同。

锆在一些高温合金中被看做一个清洁元素，通过与C和S的结合形成碳化物和碳硫化合物，并降低这些元素在晶界的固溶浓度，因此加入锆有助于净化晶界，增强晶界结合力，进而有利于保持合金的高温强度和持久塑性。Decker等发现锆加入到高温合金中可以提高其热加工性能和蠕变性能，Darmara等也证实15ppm的B就可以使Waspaloy合金的断裂寿命和塑性翻倍。但在K4169合金中，锆对K4169合金的凝固组织是不利的，锆的加入促进了合金中Nb、Mo、Ti等元素的偏析，使铸态合金晶界析出的有害相Laves相和碳化物数量增多。Antony and Radavich也证实，锆对高温合金持久寿命不利。因此，锆对不同合金作用机理不尽相同。另外，虽然少量锆可能对某些合金有利，但过量会可能适得其反。因此添加合适的微量元素、控制微量元素的最佳成分范围以提高镍基高温合金使用寿命是本领域中需要解决的技术难题。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种含锆镍基高温合金及制备方法，通过在镍基高温合金中添加适量的微量元素锆，从而增加镍基高温合金的使用寿命，进而提高零件的使用安全性和降低成本。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本发明一种含锆镍基高温合金，以质量百分比计，包括：锆：0.001％～0.1％，碳:≤0.1％，铬：12％～20％，钼：≤4.0％，钨≤6％，钴：5％～12％，铁：≤14％，铌：4.0％～8.0％，铝：0.6％～2.6％，钛：0.4％～1.4％，磷：0.003％～0.03％，硼：0.003％～0.015％，余量为镍；所述镍基高温合金中强化相γ′相含量为22％～27％；晶界强化相η-Ni₃Al_0.5Nb_0.5含量为1.5％～7.0％。

对本发明所述镍基高温合金各元素作进一步说明：

锆是本发明重要的添加元素，锆有助于净化晶界，增强晶界结合力，有助于保持合金高温强度和持久塑性的同时，增加合金的表面保护性氧化膜的粘附能力。同时本发明合金中锆的另一个重要作用是可以显著提高合金的持久寿命，随着锆含量增加，合金的持久寿命逐渐延长，并在0.01％～0.1％达到最大值，然后随着锆含量的增加其持久寿命逐渐降低；另外，当锆含量超过0.1％时合金的热加工能力会降低，裂纹产生倾向性增加。因此，本发明合金中锆的最佳控制范围为0.001％～0.1％。

碳作为强化元素形成碳化物对合金强度有利，碳具有在浇注时保证熔融金属的流动性的作用。C可与Ti和Nb一起形成一次碳化物MC，有助于控制晶粒尺寸，含量过高时会过多消耗掉Ti和Nb，应当保持在0.1％以下。

铬是提高镍基高温合金的抗氧化性能、抗腐蚀性能和高温强度的重要元素，也是晶界碳化物的主要形成元素，但铬含量过高时会影响合金的组织稳定性和加工性能，一般来说，铬的含量一般控制在12％～20％。

钴有益于镍基合金的高温热强性的提高，而且对抗高温热腐蚀有益。钴可以降低堆垛层错能，起到良好的固溶强化作用。当钴含量低于5％时，高温强度降低。然而Co作为一种价格偏高的战略性稀缺元素，过量的钴会促进合金中不利性能的有害相形成，同时会影响合金的可锻性。因此，钴含量限制在5％～12％之间。

钼进入镍基合金的基体，起重要的固溶强化作用。但是，当过量钼进入时，不仅降低合金的抗腐蚀性能，而且会促进有害相的形成，并使高温加工性能变差，因此，钼含量控制在≤4.0％。