[发明专利]一种高铝含量的镍基变形高温合金及制备方法

说明书

本发明提供一种高铝含量的镍基变形高温合金及制备方法，以传统的Ni‑Co‑Cr组元为基体元素，通过提升合金元素含量，尤其是提高固溶强化相γ′相形成元素Al含量，增加强化相γ′相含量至55%~65%，来有效提高合金的承温能力。合金中适量添加Nb元素可改善γ′相的稳定性，进而提高铸‑锻工艺性能，减少Cr元素添加可改善合金在850℃的长时组织稳定性，高含量的Al元素可弥补Cr元素降低引起的表面稳定性损失。同时，采用了双联工艺或三联工艺进行合金原料的制备加工，所得的镍基变形高温合金解决了目前尚无可在850℃长时可用的高性能轮盘锻件材料，特别是具有优异的850℃抗拉强度、屈服强度和持久寿命。

技术领域

本发明属于合金制备领域，具体涉及一种高铝含量的镍基变形高温合金及制备方法。

背景技术

先进燃气涡轮式发动机，如航空发动机和燃气轮机等高压压气机盘和涡轮盘等热端转动轮盘类锻件的服役温度逐渐提高，长时服役温度最高达850℃。轮盘锻件所需合金材料要求在室温～850℃具有优异的强度和塑性、高温持久蠕变性能以及长时组织性能稳定性，同时还具备良好的铸锻工艺性能。

目前，国内航空发动机用镍基变形高温合金轮盘材料用量最大的是650℃以下使用的GH4169合金，使用温度最高的是750℃以下使用的GH4720Li、GH4065A、GH4738等镍基变形高温合金轮盘材料，在850℃以下有可短时使用的GH4141、GH4586等镍基变形高温合金轮盘材料，但是无法满足850℃以上长时使用需求。

众所周知，提高镍基高温合金使用温度最有效的途径是提高合金化程度，增加强化相γ′相的含量，但是合金化程度过高会造成合金的冶金偏析倾向大、热塑性变差，因而开发新型镍基变形高温合金轮盘材料存在较大的难度，在成分设计上不仅要提高合金化满足需求的综合性能，还要结合现有技术条件使其具有一定的工艺性能以保证可制造性。传统的γ′相含量达55～65％的镍基高温合金，只能采用粉末冶金或铸造(包括等轴铸造、定向凝固和单晶凝固)工艺生产，这些合金采用铸-锻工艺生产都面临着元素偏析倾向大、易形成冶金缺陷、热加工(锻造)塑性差等问题，因而该类合金成分不适合于镍基变形高温合金轮盘材料的制备。此外，虽然一些采用粉末冶金或铸造工艺制备的镍基高温合金的使用温度可达850℃，但是其组织均匀性和致密性不及采用铸-锻工艺生产的锻件。尤其是对于轮盘类的高温热端转动件，采用铸-锻工艺生产，能够最大程度上保证轮盘锻件的质量可靠性，同时还可以高效率、低成本的工业化生产。直接采用粉末冶金或铸造合金的成分进行铸-锻工艺生产，则面临着不适应问题，例如易偏析元素Ti和Mo元素含量的控制、易氧化元素Hf元素含量的控制，高成本的Ta元素添加，以及B、Zr、Ce等晶界有益微量元素的添加等，必须针对铸-锻工艺特征进行元素配比的优化调整。

因此，有必要提供改进的技术方案以克服现有技术中存在的技术问题。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提供一种高铝含量的镍基变形高温合金及制备方法，解决了目前尚无可在850℃长时可用的高性能轮盘锻件材料，特别是具有优异的850℃抗拉强度、屈服强度和持久寿命。

本发明第一方面提供一种高铝含量的镍基变形高温合金，成分配比以质量百分比计，所述的镍基变形高温合金包括：C：0.004～0.1％，W：6.0～9.0％，Cr：7.0～12.0％，Mo：1.0～4.0％，Co：14.0～17.5％，Ti：0.8～2.5％，Al：3.5～6.0％，Nb：0.8～2.5％，Zr：0.005～0.1％，Mg：0.005～0.1％；Ce：0.001～0.1％，B：0.005～0.1％，Fe：0.005～2.0％，余量为Ni。发明人经研究证实，通过该技术方案制备的合金可用于制备850℃长时使用的轮盘锻件，轮盘锻件直径范围为200mm～1200mm，850℃抗拉强度大于800MPa、屈服强度大于650MPa，850℃/350MPa持久寿命大于30h。