CN106282667B - 一种镍基高温合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种镍基高温合金及其制备方法，尤其是一种高稳定性的粉末冶金镍合金，以及由此得到的制造物品，按质量百分比组成包括：Co：18.5～19.5％，Cr：12.75～13.25％，Al：2.8～3.2％，Ti：3.5～3.9％，W：3.75～4.25％，Mo：3.75～4.25％，Ta：0.9～1.1％，Nb：1.1～1.3％，Hf：0.17～0.23％，C：0.04～0.06％，B：0.003～0.015％，Zr：0.03～0.07％，余量为Ni。本发明设计的高温合金具有更好的组织稳定性和高温强度，合金承温能力进一步提高。
Description
技术领域
本发明涉及高温合金技术领域，尤其涉及一种镍基高温合金及其制备方法。
背景技术
通常来说，高温合金是指在600℃以上及一定应力条件下能够长期工作的高温金属材料，具有优异的高温强度，良好的抗氧化和抗热腐蚀性能，良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能。随着工业的高速发展，高温合金在各个领域中展现出了良好的应用前景，主要用于制造燃气涡轮发动机的涡轮叶片、导向叶片、涡轮盘、高压压气机盘和燃烧室等高温部件。
高温合金材料按照制备工艺可分为变形高温合金、铸造高温合金和粉末冶金高温合金。高温合金材料按基体元素主要可分为铁基高温合金、镍基高温合金和钴基高温合金。由于铁基高温合金组织不够稳定抗氧化性较差，高温强度不足，不能在更高温度条件下应用，只能在中等温度(600～800℃)条件下使用；而钴是一种重要的战略资源，世界上大多数国家缺钴，以至于，钴基合金的发展受到了钴资源的限制。因而，以镍为基体(含量一般大于50％)的镍基高温合金成为了目前高温合金中应用最广、高温强度最高的一类合金，其在650～1000℃范围内具有较的强度和良好的抗氧化性、抗燃气腐蚀能力的高温合金。镍基高温合金具有诸多优点，一是可以溶解较多的合金元素，且能保持较好的稳定性；二是可以形成共格有序的A3B型金属间化合物γ’-[Ni(Al,Ti)]相作为强化相，使合金的得到有效的强化，获得比铁基高温合金和钴基高温合金更高的高温强度；三是含铬的镍基合金具有比铁基高温合金更好的抗氧化和抗燃气腐蚀能力，通常其可以含有十多种元素，而Cr主要起抗氧化和抗腐蚀作用，其他元素主要起强化作用。
虽然粉末冶金高温合金经过了三代的发展历程，第一代特点为高强度，如Wasploy、Astraloy、FGH97等，第二代将提高耐损伤容限能力成为发展重点，如Rene88(DT)、U720Li、FGH96等，第三代的发展以融合优异的高温强度和耐损伤容限能力作为重点，如ME3、RR1000等。现代燃气涡轮发动机关键热端部件要求其镍基高温合金具有长期的高温组织稳定性、抗疲劳、耐腐蚀及抗氧化等性能。但镍基高温合金在高温长期服役过程中在疲劳强度、屈服强度和极限抗拉强度等力学性能方面均会出现明显下降。
如何提高高温长期服役的镍基合金的稳定性和高温力学性能，将一直是业内亟待解决的关键问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种镍基高温合金及其制备方法，尤其是一种高稳定性的粉末冶金镍合金。本发明提供的镍基高温合金在长期高温的条件下，具有较好的力学性能稳定性和高温承温能力。
本发明提供了一种高温合金，其特征在于，按质量百分比组成包括：
Co：18.5～19.5％；
Cr：12.75～13.25％；
Al：2.8～3.2％；
Ti：3.5～3.9％；
W：3.75～4.25％；
Mo：3.75～4.25％；
Ta：0.9～1.1％；
Nb：1.1～1.3％；
Hf：0.17～0.23％；
C：0.04～0.06％；
B：0.003～0.015％；
Zr：0.03～0.07％；
余量为Ni。
优选的，包括18.7～19.3％的Co。
优选的，包括12.85～13.15％的Cr。
优选的，包括3.6～3.8％的Ti。
优选的，包括3.85～4.15％的W。
优选的，包括3.85～4.15％的Mo。
优选的，包括0.93～1.07％的Ta。
优选的，包括1.13～1.27％的Nb。
优选的，包括0.18～0.22％的Hf。
优选的，包括0.005～0.013％的B。
本发明提供了一种高温合金，其特征在于，按质量百分比组成包括：
Co：19％；
Cr：13％；
Al：3.0％；
Ti：3.7％；
W：4.0％；
Mo：4.0％；
Ta：1.0％；
Nb：1.2％；
Hf：0.2％；
C：0.05％；
B：0.009％；
Zr：0.05％；
余量为Ni。
本发明还提供了一种高温合金，其特征在于，按质量百分比组成包括：
Co：18.8％；
Cr：14.1％；
Al：3.05％；
Ti：3.75％；
W：3.9％；
Mo：4.1％；
Ta：0.95％；
Nb：1.15％；
Hf：0.19％；
C：0.05％；
B：0.009％；
Zr：0.05％；
余量为Ni。
本发明提供了一种物品，其特征在于，所述物品用于燃气涡轮发动机，且按质量百分比组成，包含由以下元素形成的高温合金：
Co：18.5～19.5％；
Cr：12.75～13.25％；
Al：2.8～3.2％；
Ti：3.5～3.9％；
W：3.75～4.25％；
Mo：3.75～4.25％；
Ta：0.9～1.1％；
Nb：1.1～1.3％；
Hf：0.17～0.23％；
C：0.04～0.06％；
B：0.003～0.015％；
Zr：0.03～0.07％；
余量为Ni。
优选的，包括18.7～19.3％的Co。
优选的，包括12.85～13.15％的Cr。
优选的，包括3.6～3.8％的Ti。
优选的，包括3.85～4.15％的W。
优选的，包括3.85～4.15％的Mo。
优选的，包括0.93～1.07％的Ta。
优选的，包括1.13～1.27％的Nb。
优选的，包括0.18～0.22％的Hf。
优选的，包括0.005～0.013％的B。
优选的，所述物品用于燃气涡轮发动机的热端部件。
本发明提供了一种物品，其特征在于，所述物品用于燃气涡轮发动机，且按质量百分比组成，包含由以下元素形成的高温合金：
Co：19％；
Cr：13％；
Al：3.0％；
Ti：3.7％；
W：4.0％；
Mo：4.0％；
Ta：1.0％；
Nb：1.2％；
Hf：0.2％；
C：0.05％；
B：0.009％；
Zr：0.05％；
余量为Ni。
优选的，所述物品用于燃气涡轮发动机的热端部件。
本发明还提供了一种物品，其特征在于，所述物品用于燃气涡轮发动机，且按质量百分比组成，包含由以下元素形成的高温合金：
Co：18.8％；
Cr：14.1％；
Al：3.05％；
Ti：3.75％；
W：3.9％；
Mo：4.1％；
Ta：0.95％；
Nb：1.15％；
Hf：0.19％；
C：0.05％；
B：0.009％；
Zr：0.05％；
余量为Ni。
优选的，所述物品用于燃气涡轮发动机的热端部件。
本发明一种镍基高温合金及其制备方法，尤其是一种粉末高稳定性冶金镍合金，以及由此得到的制造物品，按质量百分比组成包括：Co：18.5～19.5％，Cr：12.75～13.25％，Al：2.8～3.2％，Ti：3.5～3.9％，W：3.75～4.25％，Mo：3.75～4.25％，Ta：0.9～1.1％，Nb：1.1～1.3％，Hf：0.17～0.23％，C：0.04～0.06％，B：0.003～0.015％，Zr：0.03～0.07％，余量为Ni。与现有技术相比，本发明通过添加元素Nb，降低代替元素Ta的添加量，来提高TCP相形成的门槛值，从而降低高温合金材料在高温长时间服役过程中的析出能力，提高材料的组织稳定性和抗裂纹扩展能力；又通过维持W和Mo相近的含量，保持其合金的固溶强化效果；再通过添加合金元素Hf提高γ’相的稳定性，而且，元素Hf不仅可进入γ′、MC和γ相中提高其稳定性，还可与氧结合，净化晶界，元素Hf还是强碳化物形成元素，在粉末颗粒内能形成更稳定的碳化物，有效的改善原始颗粒边界(PPB)的析出，减少原始颗粒边界的形成。从而在根本上，解决高温长期服役的镍基高温合金，产生的TCP相(拓扑密排相，如sigma相、μ相等)严重影响合金材料的疲劳性能的问题，以及高温服役过程中γ’相的粗化也会降低合金材料的屈服强度和极限抗拉强度的现象。实验结果表明，其各项指标能够优于现有的高温合金，尤其是现有的粉末冶金高温合金，其合金承温能力比第二代粉末冶金高温合金提高约40℃。
附图说明
图1为本发明实施例1中的高温合金CSU-A3与第二代、第三代典型的粉末冶金高温合金的γ’相完全溶解温度对比图；
图2为本发明实施例1中的高温合金CSU-A3与第二代、第三代典型的粉末冶金高温合金的γ’摩尔体积分数对比图；
图3为本发明实施例1中的高温合金CSU-A3与第二代、第三代典型的粉末冶金高温合金的sigma相最大摩尔体积分数对比图；
图4为本发明实施例1中的高温合金CSU-A3与第二代、第三代典型的粉末冶金高温合金的sigma相完全溶解温度对比图。
具体实施方式
为了进一步了解本发明，下面结合实施例对本发明的优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点而不是对本发明专利要求的限制。
本发明所用原料，对其来源没有特别限制，在市场上购买的或是按照本领域技术人员熟知的制备方法制备得到即可。
本发明所述高温合金及其制备的物品，对其制备方法和其它原料的来源没有特别限制，按照本领域技术人员熟知的制备方法制备得到或是在市场上购买的即可。
本发明公开了一种高温合金，其特征在于，按质量百分比组成包括：
Co：18.5～19.5％；
Cr：12.75～13.25％；
Al：2.8～3.2％；
Ti：3.5～3.9％；
W：3.75～4.25％；
Mo：3.75～4.25％；
Ta：0.9～1.1％；
Nb：1.1～1.3％；
Hf：0.17～0.23％；
C：0.04～0.06％；
B：0.003～0.015％；
Zr：0.03～0.07％；
余量为Ni。
本发明提供的高温合金，即一种粉末冶金镍合金，本发明添加了一定量的元素Ta，按质量百分比组成，所述元素Ta的质量百分比含量优选为0.9～1.1％，更优选为0.93～1.07％，更优选为0.95～1.05％，更优选为0.97～1.03％，最优选为1.0％；本发明对元素Ta的来源没有特别限定，以本领域技术人员熟知的元素Ta的来源或市售的元素Ta即可；本发明对元素Ta的纯度没有特别限制，以本领域技术人员熟知的用于制备高温合金的元素Ta的纯度即可。
本发明采用了一定量的元素Nb代替部分元素Ta，按质量百分比组成，所述元素Nb的质量百分比含量优选为1.1～1.3％，更优选为1.13～1.27％，更优选为1.15～1.25％，更优选为1.17～1.23％，最优选为1.2％；本发明对元素Nb的来源没有特别限定，以本领域技术人员熟知的元素Nb的来源或市售的元素Nb即可；本发明对元素Nb的纯度没有特别限制，以本领域技术人员熟知的用于制备高温合金的元素Nb的纯度即可。
本发明通过添加重量百分比为1.2％左右的Nb，降低Ta的重量百分比到1％，将元素Nb和元素Ta的比例拉近至1:1左右，从而提高TCP相形成的门槛值，降低高温合金材料及构件在高温长时间服役过程中的析出能力，提高材料的组织稳定性。
按质量百分比组成，所述元素Ti的质量百分比含量优选为3.5～3.9％，更优选为3.55～3.85％，更优选为3.6～3.8％，更优选为3.65～3.75％，最优选为3.7％；本发明对元素Ti的来源没有特别限定，以本领域技术人员熟知的元素Ti的来源或市售的元素Ti即可；本发明对元素Ti的纯度没有特别限制，以本领域技术人员熟知的用于制备高温合金的元素Ti的纯度即可。
本发明为进一步平衡合金中的各元素比例，加入了特定含量的元素Ti。
按质量百分比组成，所述元素W的质量百分比含量优选为3.75～4.25％，更优选为3.85～4.15％，更优选为3.88～4.13％，更优选为3.95～4.05％，最优选为4.0％；本发明对元素W的来源没有特别限定，以本领域技术人员熟知的元素W的来源或市售的元素W即可；本发明对元素W的纯度没有特别限制，以本领域技术人员熟知的用于制备高温合金的元素W的纯度即可。
按质量百分比组成，所述元素Mo的质量百分比含量优选为3.75～4.25％，更优选为3.85～4.15％，更优选为3.88～4.13％，更优选为3.95～4.05％，最优选为4.0％；本发明对元素Mo的来源没有特别限定，以本领域技术人员熟知的元素Mo的来源或市售的元素Mo即可；本发明对元素Mo的纯度没有特别限制，以本领域技术人员熟知的用于制备高温合金的元素Mo的纯度即可。
本发明通过维持元素W和元素Mo的质量含量在4％左右，保持高温合金的固溶强化效果。
按质量百分比组成，所述元素Hf的质量百分比含量优选为0.17～0.23％，更优选为0.18～0.22％，更优选为0.19～0.21％，最优选为0.20％；本发明对元素Hf的来源没有特别限定，以本领域技术人员熟知的元素Hf的来源或市售的元素Hf即可；本发明对元素Hf的纯度没有特别限制，以本领域技术人员熟知的用于制备高温合金的元素Hf的纯度即可。
本发明在所述高温合金中，添加了0.2％左右的合金元素Hf，提高γ’相的稳定性，元素Hf不仅可进入γ′、MC和γ相中提高其稳定性，还可与氧结合，净化晶界，而且Hf是强碳化物形成元素，在粉末颗粒内能形成更稳定的碳化物，是改善原始颗粒边界(PPB)析出的有效途径，从而减少了原始颗粒边界的缺陷，有效的提高合金的高温强度和抗裂纹扩展能力。
按质量百分比组成，所述元素B的质量百分比含量优选为0.003～0.015％，更优选为0.005～0.012％，更优选为0.007～0.011％，更优选为0.008～0.01％，最优选为0.009％；本发明对元素B的来源没有特别限定，以本领域技术人员熟知的元素B的来源或市售的元素B即可；本发明对元素B的纯度没有特别限制，以本领域技术人员熟知的用于制备高温合金的元素B的纯度即可。
本发明为进一步平衡合金中的各元素比例，降低了高温合金中元素B的含量。
按质量百分比组成，所述元素Co的质量百分比含量优选为18.5～19.5％，更优选为18.6～19.4％，更优选为18.7～19.3％，更优选为18.8～19.2％，最优选为19％；本发明对元素Co的来源没有特别限定，以本领域技术人员熟知的元素Co的来源或市售的元素Co即可；本发明对元素Co的纯度没有特别限制，以本领域技术人员熟知的用于制备高温合金的元素Co的纯度即可。
按质量百分比组成，所述元素Cr的质量百分比含量优选为12.75～13.25％，更优选为12.85～13.15％，更优选为12.9～13.1％，更优选为12.95～13.05％，最优选为13.0％；本发明对元素Cr的来源没有特别限定，以本领域技术人员熟知的元素Cr的来源或市售的元素Cr即可；本发明对元素Cr的纯度没有特别限制，以本领域技术人员熟知的用于制备高温合金的元素Cr的纯度即可。
按质量百分比组成，所述元素Al的质量百分比含量优选为2.8～3.2％，更优选为2.85～3.15％，更优选为2.9～3.1％，更优选为2.95～3.05％，最优选为3.0％；本发明对元素Al的来源没有特别限定，以本领域技术人员熟知的元素Al的来源或市售的元素Al即可；本发明对元素Al的纯度没有特别限制，以本领域技术人员熟知的用于制备高温合金的元素Al的纯度即可。
按质量百分比组成，所述元素C的质量百分比含量优选为0.04～0.06％，更优选为0.042～0.057％，更优选为0.045～0.055％，更优选为0.047～0.053％，最优选为0.05％；本发明对元素C的来源没有特别限定，以本领域技术人员熟知的元素C的来源或市售的元素C即可；本发明对元素C的纯度没有特别限制，以本领域技术人员熟知的用于制备高温合金的元素C的纯度即可。
按质量百分比组成，所述元素Zr的质量百分比含量优选为0.03～0.07％，更优选为0.035～0.065％，更优选为0.04～0.06％，更优选为0.045～0.055％，最优选为0.05％；本发明对元素Zr的来源没有特别限定，以本领域技术人员熟知的元素Zr的来源或市售的元素Zr即可；本发明对元素Zr的纯度没有特别限制，以本领域技术人员熟知的用于制备高温合金的元素Zr的纯度即可。
本发明对元素Ni的来源没有特别限定，以本领域技术人员熟知的元素Ni的来源或市售的元素Ni即可；本发明对元素Ni的纯度没有特别限制，以本领域技术人员熟知的用于制备高温合金的元素Ni的纯度即可。
本发明提供一种高温合金，其特征在于，按质量百分比组成包括：
Co：19％；
Cr：13％；
Al：3.0％；
Ti：3.7％；
W：4.0％；
Mo：4.0％；
Ta：1.0％；
Nb：1.2％；
Hf：0.2％；
C：0.05％；
B：0.009％；
Zr：0.05％；
余量为Ni。
本发明提供的上述高稳定的粉末冶金高温合金，相比第二代粉末冶金高温合金，提高了元素Ta和元素Nb的含量至1.0％和1.2％左右，通过调和元素Ta和元素Nb的比例来提高合金的疲劳性能及抗裂纹扩展能力，同时添加了0.2％的元素Hf，由此可提高合金的高温强度和抗裂纹扩展能力，减少有害相的生成，减少原始颗粒边界等缺陷的形成，并且保持了W和Mo的比例均为4.0％左右，保持了高温合金的固溶强化效果，还降低了B的含量到0.009％左右，平衡各元素之间的含量。经检测，相比第二代粉末冶金高温合金Rene88、U720Li、FGH96，其主要强化相γ’相的完全溶解温度和体积百分比高，同时，有害相sigma相的析出温度提高和重量百分比含量降低，由此增加了合金的高温组织稳定性和强度。本发明设计的高温合金的有害相影响可降到最低，甚至可以忽略不计。
本发明还提供一种高温合金，其特征在于，按质量百分比组成包括：
Co：18.8％；
Cr：14.1％；
Al：3.05％；
Ti：3.75％；
W：3.9％；
Mo：4.1％；
Ta：0.95％；
Nb：1.15％；
Hf：0.19％；
C：0.05％；
B：0.009％；
Zr：0.05％；
余量为Ni。
本发明提供的所述粉末冶金高温镍合金，相对第二代粉末冶金高温合金具有更好的组织稳定性和高温强度，合金承温能力比第二代粉末冶金高温合金进一步提高。
本发明提供一种物品，其特征在于，所述物品用于燃气涡轮发动机，且按质量百分比组成，包含由以下元素形成的高温合金：
Co：18.5～19.5％；
Cr：12.75～13.25％；
Al：2.8～3.2％；
Ti：3.5～3.9％；
W：3.75～4.25％；
Mo：3.75～4.25％；
Ta：0.9～1.1％；
Nb：1.1～1.3％；
Hf：0.17～0.23％；
C：0.04～0.06％；
B：0.003～0.015％；
Zr：0.03～0.07％；
余量为Ni。
本发明所述物品中，包含的高温合金中的元素优选方案与前述高温合金中的元素优选方案相同，在此不再一一赘述；本发明所述物品优选用于燃气涡轮发动机，更优选用于燃气涡轮发动机的热端部件，最优选用于燃气涡轮发动机的高压涡轮盘。本发明对所述燃气涡轮发动机的型号没有特别限制，以本领域技术人员熟知的采用高温合金的型号即可；本发明对所述燃气涡轮发动机的其他条件没有特别限制，以本领域技术人员熟知的燃气涡轮发动机的常规条件即可。
本发明所述高稳定性的高温合金，作为用于燃气涡轮发动机的高温材料，特别适用于关键热端部件的镍基粉末冶金高温合金，以及由此制造的相关材料及其构件，本发明所述高温合金相对第二代粉末冶金高温合金具有更好的组织稳定性和高温强度，合金承温能力比第二代粉末冶金高温合金进一步提高，比第二代粉末冶金高温合金提高约40℃，采用本发明所设计的高温合金，制备的燃气涡轮发动机，特别是制备其关键热端部件，均具有较好的力学性能和高温长期服役的组织稳定性，以及较好的抗裂纹扩展能力。
本发明为进一步提高高温合金的高温力学强度和稳定性，还提供了另外用于制造燃气涡轮发动机，特别是制造关键热端部件的具体技术方案，包括，
本发明提供一种物品，其特征在于，所述物品用于燃气涡轮发动机，且按质量百分比组成，包含由以下元素形成的高温合金：Co：19％，Cr：13％，Al：3.0％，Ti：3.7％，W：4.0％，Mo：4.0％，Ta：1.0％，Nb：1.2％，Hf：0.2％，C：0.05％，B：0.009％，Zr：0.05％，余量为Ni。
以及本发明还提供一种物品，其特征在于，所述物品用于燃气涡轮发动机，且按质量百分比组成，包含由以下元素形成的高温合金：Co：1,8.8％，Cr：14.1％，Al：3.05％，Ti：3.75％，W：3.9％，Mo：4.1％，Ta：0.95％，Nb：1.15％，Hf：0.19％，C：0.05％，B：0.009％，Zr：0.05％，余量为Ni。
本发明提供的镍基高温合金及其制备方法，尤其是一种粉末冶金镍基高温合金，以及由此制备的燃气涡轮发动机，特别是燃气涡轮发动机的关键热端部件，针对原始颗粒边界是粉末冶金高温合金的三大缺陷之一，相应的缺陷控制和组织稳定性直接决定合金的高温性能和构件的寿命的问题，以及粉末冶金高温合金中的典型有害相(如sigma相、μ相等)是材料及构件在长期服役过程中易产生疲劳裂纹导致失效的主要因素之一，基于粉末冶金高温合金的强化方式主要为固溶强化方式。
本发明同时采用了元素Ta和元素Nb，并降低了元素Ta的含量，来提高TCP相形成的门槛值，从而降低高温合金材料在高温长时间服役过程中的析出能力；添加元素Hf可提高沉淀强化主要因素γ’相的稳定性，减少原始颗粒边界的形成，从而提高合金的高温性能。应用先进的合金设计方法，充分发挥沉淀强化的作用，降低有害相的形成倾向、存在范围及含量，降低了元素B的含量，保持了元素W和元素Mo的相近比例，平衡了各强化元素Co、Cr、Al、Ti在合金中的含量，经过筛选，设计了含元素Ta和元素Nb、加元素Hf的高稳定性的粉末冶金高温镍合金，实验结果表明，本发明提供的镍基高温合金，各项指标优于典型的第二代粉末冶金高温合金，合金承温能力比第二代粉末冶金高温合金提高约40℃，采用本发明所设计的高温合金，制备的物品，尤其制备燃气涡轮发动机，特别是制备其关键热端部件，均具有较好的力学性能和高温长期服役的组织稳定性，以及较好的抗裂纹扩展能力。
为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的高稳定性粉末冶金高温镍合金进行详细描述。
实施例1
本发明对实施例中所用原料，对其来源没有特别限制，在市场上购买的或是按照本领域技术人员熟知的制备方法制备得到即可。
本发明对实施例中所述高稳定性粉末冶金高温镍合金的制备方法和其它原料的来源没有特别限制，按照本领域技术人员熟知的制备方法制备得到或是在市场上购买的即可。
本发明按照一定的合金成分配比制备得到粉末冶金高温镍合金CSU-A3，并与现有的典型的第二代、第三代粉末冶金高温合金进行成分对比，对比结果，参见表1，表1为本发明实施例1得到的高温合金与第二代、第三代典型粉末冶金高温合金的成分对比。
表1 实施例1得到的高温合金与第二代、第三代典型粉末冶金高温合金的成分对比
| CSU-A3 | FGH96 | Rene88(DT) | U720Li | RR1000 | ME3 | |
| Ni | 余量 | 余量 | 余量 | 余量 | 余量 | 余量 |
| Co | 19 | 13 | 13 | 15 | 18.5 | 18.2 |
| Cr | 13 | 16 | 16 | 16 | 15 | 13.1 |
| Al | 3.0 | 2.2 | 2.1 | 2.5 | 3.0 | 3.5 |
| Ti | 3.7 | 3.7 | 3.7 | 5.0 | 3.6 | 3.5 |
| W | 4.0 | 4.0 | 4.0 | 1.25 | 0 | 1.9 |
| Mo | 4.0 | 4.0 | 4.0 | 3.0 | 5.0 | 3.8 |
| Ta | 1.0 | 0.02 | 0 | 0 | 2.0 | 2.7 |
| Nb | 1.2 | 0.8 | 0.75(0.7) | 0 | 1.1 | 1.4 |
| Hf | 0.2 | 0 | 0 | 0 | 0.5 | 0 |
| C | 0.05 | 0.03 | 0.04(0.03) | 0.025 | 0.027 | 0.03 |
| B | 0.009 | 0.01 | 0.02(0.015) | 0.018 | 0.015 | 0.03 |
| Zr | 0.05 | 0.04 | 0.04(0.03) | 0.05 | 0.06 | 0.05 |
从表1可以看出，本发明设计的合金CSU-A3与第二代和第三代粉末冶金高温合金比较具有以下特征：同时加入了元素Ta和元素Nb，降低了元素Ta的含量，增加了元素Hf，降低了元素B的含量。
对本发明实施例1设计的高温合金CSU-A3与第二代、第三代典型的粉末冶金高温合金进行性能检测。
参见图1，图1为本发明实施例1中的高温合金CSU-A3与第二代、第三代典型的粉末冶金高温合金的γ’相完全溶解温度对比图。
由图1可知，实施例1设计的高温合金，其γ’相完全溶解温度明显高于第二代粉末冶金高温合金，与第三粉末冶金高温合金相当。这表明本发明设计的高温合金的高温强化相--γ’相的稳定性明显优于第二代粉末冶金高温合金，合金高温强度得到了明显提高。
参见图2，图2为本发明实施例1中的高温合金CSU-A3与第二代、第三代典型的粉末冶金高温合金的γ’摩尔体积分数对比图。
由图2可知，实施例1设计的高温合金，其γ’相体积分数比第二代粉末冶金高温合金FGH96、Rene88、U720Li明显提高，与第三代粉末冶金高温合金RR1000相当，这表明，本发明设计的高温合金沉淀强化能力得到提升。
参见图3，图3为本发明实施例1中的高温合金CSU-A3与第二代、第三代典型的粉末冶金高温合金的sigma相最大摩尔体积分数对比图。
由图3可知，实施例1设计的高温合金，sigma相最大摩尔体积分数仅为第三代粉末冶金高温合金的sigma相最大摩尔体积分数的1/3，为第二代粉末冶金高温合金的1/2，这表明，本发明设计的合金的有害相体积分数明显降低，提高了合金材料及其构件的长期服役过程中的组织稳定性。
参见图4，图4为本发明实施例1中的高温合金CSU-A3与第二代、第三代典型的粉末冶金高温合金的sigma相完全溶解温度对比图。
由图4可知，实施例1设计的高温合金，sigma相完全溶解温度为763℃，明显低于第三代粉末冶金高温合金ME3的938℃和RR1000的976℃，这表明，针对第三代粉末冶金高温合金的设计服役温度750℃～850℃，本发明设计的合金的有害相影响可降到最低，甚至可忽略不计。
从上述检测结果以及说明可以看出，本发明实施例1设计的高稳定性粉末冶金高温镍合金，相比原有的二代粉末冶金高温合金，降低了在高温长时间服役过程中的析出能力，提高材料的组织稳定性，提高了抗裂纹的扩展能力，提高了高温强度，提高了γ’相的稳定性，减少了原始颗粒边界的形成，从而提高了合金的高温性能，其各项指标优于典型的第二代粉末冶金高温合金。
如本文使用，以单数并用单词“一个”或“一种”进行描述的元素或步骤应理解为不排除复数形式的元素或步骤，除非明确叙述这样的排除。另外，提及本发明的“单一实施例”不应解释为排除存在也包括所述特征的另外的实施方案。
以上对本发明提供的一种镍基高温合金及其制备方法进行了详细的介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，包括最佳方式，并且也使得本领域的任何技术人员都能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，和实施任何结合的方法。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。本发明专利保护的范围通过权利要求来限定，并可包括本领域技术人员能够想到的其他实施例。如果这些其他实施例具有不是不同于权利要求文字表述的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的文字表述无实质差异的等同结构要素，那么这些其他实施例也应包含在权利要求的范围内。
Claims (27)
1.一种高温合金，其特征在于，按质量百分比组成包括：
Co：18.5～19.5％；
Cr：12.75～13.25％；
Al：2.8～3.2％；
Ti：3.5～3.9％；
W：3.75～4.25％；
Mo：3.75～4.25％；
Ta：0.9～1.1％；
Nb：1.1～1.3％；
Hf：0.17～0.23％；
C：0.04～0.06％；
B：0.003～0.015％；
Zr：0.03～0.07％；
余量为Ni。
2.根据权利要求1所述的高温合金，其特征在于，包括18.7～19.3％的Co。
3.根据权利要求1所述的高温合金，其特征在于，包括12.85～13.15％的Cr。
4.根据权利要求1所述的高温合金，其特征在于，包括3.6～3.8％的Ti。
5.根据权利要求1所述的高温合金，其特征在于，包括3.85～4.15％的W。
6.根据权利要求1所述的高温合金，其特征在于，包括3.85～4.15％的Mo。
7.根据权利要求1所述的高温合金，其特征在于，包括0.93～1.07％的Ta。
8.根据权利要求1所述的高温合金，其特征在于，包括1.13～1.27％的Nb。
9.根据权利要求1所述的高温合金，其特征在于，包括0.18～0.22％的Hf。
10.根据权利要求1所述的高温合金，其特征在于，包括0.005～0.013％的B。
11.一种高温合金，其特征在于，按质量百分比组成包括：
Co：19％；
Cr：13％；
Al：3.0％；
Ti：3.7％；
W：4.0％；
Mo：4.0％；
Ta：1.0％；
Nb：1.2％；
Hf：0.2％；
C：0.05％；
B：0.009％；
Zr：0.05％；
余量为Ni。
12.一种高温合金，其特征在于，按质量百分比组成包括：
Co：18.8％；
Cr：14.1％；
Al：3.05％；
Ti：3.75％；
W：3.9％；
Mo：4.1％；
Ta：0.95％；
Nb：1.15％；
Hf：0.19％；
C：0.05％；
B：0.009％；
Zr：0.05％；
余量为Ni。
13.一种金属制品，其特征在于，所述金属制品用于燃气涡轮发动机，且按质量百分比组成，包含由以下元素形成的高温合金：
Co：18.5～19.5％；
Cr：12.75～13.25％；
Al：2.8～3.2％；
Ti：3.5～3.9％；
W：3.75～4.25％；
Mo：3.75～4.25％；
Ta：0.9～1.1％；
Nb：1.1～1.3％；
Hf：0.17～0.23％；
C：0.04～0.06％；
B：0.003～0.015％；
Zr：0.03～0.07％；
余量为Ni。
14.根据权利要求13所述的金属制品，其特征在于，包括18.7～19.3％的Co。
15.根据权利要求13所述的金属制品，其特征在于，包括12.85～13.15％的Cr。
16.根据权利要求13所述的金属制品，其特征在于，包括3.6～3.8％的Ti。
17.根据权利要求13所述的金属制品，其特征在于，包括3.85～4.15％的W。
18.根据权利要求13所述的金属制品，其特征在于，包括3.85～4.15％的Mo。
19.根据权利要求13所述的金属制品，其特征在于，包括0.93～1.07％的Ta。
20.根据权利要求13所述的金属制品，其特征在于，包括1.13～1.27％的Nb。
21.根据权利要求13所述的金属制品，其特征在于，包括0.18～0.22％的Hf。
22.根据权利要求13所述的金属制品，其特征在于，包括0.005～0.013％的B。
23.根据权利要求13所述的金属制品，其特征在于，所述金属制品用于燃气涡轮发动机的热端部件。
24.一种金属制品，其特征在于，所述金属制品用于燃气涡轮发动机，且按质量百分比组成，包含由以下元素形成的高温合金：
Co：19％；
Cr：13％；
Al：3.0％；
Ti：3.7％；
W：4.0％；
Mo：4.0％；
Ta：1.0％；
Nb：1.2％；
Hf：0.2％；
C：0.05％；
B：0.009％；
Zr：0.05％；
余量为Ni。
25.根据权利要求24所述的金属制品，其特征在于，所述金属制品用于燃气涡轮发动机的热端部件。
26.一种金属制品，其特征在于，所述金属制品用于燃气涡轮发动机，且按质量百分比组成，包含由以下元素形成的高温合金：
Co：18.8％；
Cr：14.1％；
Al：3.05％；
Ti：3.75％；
W：3.9％；
Mo：4.1％；
Ta：0.95％；
Nb：1.15％；
Hf：0.19％；
C：0.05％；
B：0.009％；
Zr：0.05％；
余量为Ni。
27.根据权利要求26所述的金属制品，其特征在于，所述金属制品用于燃气涡轮发动机的热端部件。
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