高裂紋擴(kuò)展抗力的鎳基高溫合金的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及鎳基粉末冶金高溫合金領(lǐng)域中一種具有高裂紋擴(kuò)展抗力的鎳基粉末冶金高溫合金，所述高溫合金按質(zhì)量百分比含量為：Co15.8%、Cr9.0%、W5.6%、Mo3.9%、Al5.1%、Ti1.8%、Nb2.6%、C0.04%、B0.012%、Zr0.015%、Hf0.15~0.9%、余量為Ni；所述高溫合金中第二相強(qiáng)化相γ′相組成為(Ni0.854~0.857Co0.143~0.146)3(Al0.767~0.781Ti0.129Nb0.088Hf0.002~0.016)，尺寸為284~511nm，二次γ′相占總γ′相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為81.9~85.3%；一次γ′相與三次γ′相之和占總γ′相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14.7~18.1%。加入微量元素Hf，從而使采用等離子旋轉(zhuǎn)電極制粉、直接熱等靜壓成形的鎳基粉末冶金高溫合金經(jīng)過相同熱處理后，合金中主要相的組成、尺寸和數(shù)量發(fā)生變化，裂紋擴(kuò)展速率低于不加Hf合金的裂紋擴(kuò)展速率，其中含0.3%Hf合金的裂紋擴(kuò)展速率最低。
【專利說明】高裂紋擴(kuò)展抗力的鎳基高溫合金
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于鎳基粉末冶金高溫合金制備領(lǐng)域，特別是涉及鎳基粉末冶金高溫合金中一種具有高裂紋擴(kuò)展抗力的鎳基粉末冶金高溫合金。
【背景技術(shù)】
[0002]采用粉末冶金技術(shù)生產(chǎn)的高溫合金具有晶粒細(xì)小、組織均勻、無宏觀偏析、熱加工性能和力學(xué)性能良好等優(yōu)異特性，在航空航天領(lǐng)域先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤等熱端部件中有著廣泛應(yīng)用。然而，直接熱等靜壓成形的粉末高溫合金中存在裂紋擴(kuò)展問題，嚴(yán)重影響了合金的應(yīng)用。目前，提高合金裂紋擴(kuò)展抗力的措施主要是改進(jìn)生產(chǎn)工藝和調(diào)整合金成分來實(shí)現(xiàn)。合金的化學(xué)成分決定合金的性能，因此成分對(duì)鎳基粉末冶金高溫合金的裂紋擴(kuò)展抗力有著尤為重要的影響。
[0003]本發(fā)明是在鎳基粉末冶金高溫合金中加入微量元素Hf，使合金中相的組成、尺寸和數(shù)量發(fā)生變化，提高鎳基粉末冶金高溫合金的裂紋擴(kuò)展抗力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明是通過在鎳基粉末冶金高溫合金中加入微量元素Hf得到具有高裂紋擴(kuò)展抗力的鎳基粉末冶金高溫合金，包括:
(I)一種具有高裂紋擴(kuò)展抗力的鎳基粉末冶金高溫合金，按質(zhì)量百分比含量為:Col9.8%、Cr 12.0%、W5.6%、Μο3.9%、Α15.1%、Til.8%、Nb2.6%、C0.04%、B0.012%、Zr0.015%、Hf0.15~0.9%、余量為Ni ;所述高溫合金中第二相強(qiáng)化相Y '相組成為(NiciH 857Cotl.143~0.146) 3767~0.78lTi(|.129他(|.088Hf0.0(|2~0.016)，尺寸為 284 51 ΙηΠΙ, _-次 Y 相占總 Y 相
的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為81.9~85.3% ;—次Y '相與三次、' 相之和占總Y'相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14.7~18.1%。
[0005](2)所述的具有高裂紋擴(kuò)展抗力的鎳基粉末冶金高溫合金中MC型碳化物組成為(Nb0.S7ra 654Tia25ra 323Hfatl23I173) C，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.266~0.338%。
[0006](3)所述的具有高裂紋擴(kuò)展抗力的鎳基粉末冶金高溫合金采用等離子旋轉(zhuǎn)電極制粉，粉末粒度范圍為50~150 μ m。
[0007](4)具有高裂紋擴(kuò)展抗力的鎳基粉末冶金高溫合金中Hf含量為0.3%。
[0008]經(jīng)過特定的熱處理使得合金微觀結(jié)構(gòu)具有非常不同的形式，從而微觀結(jié)構(gòu)的改變，大大改變了該合金的性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1為鎳基粉末冶金高溫合金Alloy的疲勞裂紋擴(kuò)展速率試樣圖。
【具體實(shí)施方式】
[0010]下面通過具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。[0011](I)鎳基粉末冶金高溫合金Alloy-ι按質(zhì)量百分比含量為:Col9.8%、Cr 12.0%、W5.6%、Μο3.9%、Α15.l%、Til.8%、Nb2.6%, C0.04%, B0.012%、Zr0.015%、Hf0.15 ~0.9%、余量
為Ni。
[0012]其經(jīng)過等離子旋轉(zhuǎn)電極制粉、粉末粒度范圍為50-150 μ m，經(jīng)過熱等靜壓之后，之后，進(jìn)行固溶熱處理，將冷軋后的合金板材在箱式電阻爐中進(jìn)行固溶熱處理，固溶溫度為870°C，保溫時(shí)間為2.9h，水淬；時(shí)效熱處理:分為如下五步:時(shí)效溫度為330°C，保溫時(shí)間為19min，水淬；再加熱到420°C進(jìn)行第二次時(shí)效處理，時(shí)效時(shí)間為1.9h，水淬；再加熱到485°C進(jìn)行第三次時(shí)效，時(shí)效時(shí)間為2h，水淬；再加熱到530°C進(jìn)行第四次時(shí)效，時(shí)效時(shí)間為5.8h，水淬；再加熱到590°C進(jìn)行第五次時(shí)效，時(shí)效時(shí)間為llh，水淬，得到成品。檢測得到其微觀組織為:合金中第二相相組成為(Nia 852Coai48) 3 (Al。.Jiai29Nbatl88)，尺寸為 276nm，二次Y '相占總Y '相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為87.6%和(一次+三次)Y '相占總Y '相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.4% ;合金中MC型碳化物組成為(Nba 664Tia 336) C，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.264%。
[0013](2)鎳基粉末冶金高溫合金Alloy-2按質(zhì)量百分比含量為:Col9.8%、Cr 12.0%、W5.6%、Μο3.9%、Α15.1%、Til.8%、Nb2.6%、C0.04%、B0.012%、Zr0.015%、Hf0.15%、余量為Ni。其經(jīng)過等離子旋轉(zhuǎn)電極制粉、粉末粒度范圍為50-?50μπι，經(jīng)過相同的熱等靜壓之后，之后，進(jìn)行固溶熱處理，將冷軋后的合金板材在箱式電阻爐中進(jìn)行固溶熱處理，固溶溫度為860-880°C，保溫時(shí)間為2.8^4.8h，水淬；時(shí)效熱處理:分為如下五步:時(shí)效溫度為315~330°C，保溫時(shí)間為12~28min，水淬；再加熱到41(T430°C進(jìn)行第二次時(shí)效處理，時(shí)效時(shí)間為1.9^2.lh，水淬；再加熱到48(T495°C進(jìn)行第三次時(shí)效，時(shí)效時(shí)間為2~2.5h，水淬；再加熱到52(T550°C進(jìn)行第四次時(shí)效，時(shí)效時(shí)間為5~8h，水淬；再加熱到58(T620°C進(jìn)行第五次時(shí)效，時(shí)效時(shí)間為l(Tl2h，水淬， 得到成品。檢測得到其微觀組織為:合金中第二相Y'相組成為(Nia 854Coai46)3(Ala781Tiai29Nbaci88Hfacici2),尺寸為 284nm，二次相占總相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)85.3%和(一次+三次)Y '相占總Y丨相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14.7% ;合金中MC型碳化物組成為(Nb。.M4Tia 323Hfatl23) C，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.266%。
[0014](3)鎳基粉末冶金高溫合金Alloy-3按質(zhì)量百分比含量為:Col9.8%、Cr 12.0%、W5.6%、Μο3.9%、Α15.1%, Til.8%、Nb2.6%, C0.04%, B0.012%、Zr0.015%, Hf0.3%、余量為 Ni。
[0015]其經(jīng)過等離子旋轉(zhuǎn)電極制粉、粉末粒度范圍為50-150 μ m，經(jīng)過相同的熱等靜壓之后，之后，進(jìn)行固溶熱處理，將冷軋后的合金板材在箱式電阻爐中進(jìn)行固溶熱處理，固溶溫度為880°C，保溫時(shí)間為4.8h，水淬；時(shí)效熱處理:分為如下五步:時(shí)效溫度為330°C，保溫時(shí)間為28min，水淬；再加熱到430°C進(jìn)行第二次時(shí)效處理，時(shí)效時(shí)間為2.lh，水淬；再加熱到495°C進(jìn)行第三次時(shí)效，時(shí)效時(shí)間為2.5h，水淬；再加熱到550°C進(jìn)行第四次時(shí)效，時(shí)效時(shí)間為8h，水淬；再加熱到620°C進(jìn)行第五次時(shí)效，時(shí)效時(shí)間為12h，水淬，得到成品。檢測得到其微觀組織為:合金中第二相Y'相組成為(Nia 855Coai45)3(Ala 778Tiai29Nbaci88Hfacitl5),尺寸為511nm，二次Y '相占總Y '相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)81.9%和(一次+三次)Y '相占總Y '相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18.1% ;合金中MC型碳化物組成為(Nba 642Tia3tl8Hfatl5tl) C，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.270%。
[0016](4)鎳基粉末冶金高溫合金Alloy-4按質(zhì)量百分比含量為:Col9.8%、Cr 12.0%、W5.6%、Μο3.9%、Α15.1%、Til.8%、Nb2.6%、C0.04%、B0.012%、Zr0.015%、Hf0.6%、余量為Ni。其經(jīng)過等離子旋轉(zhuǎn)電極制粉、粉末粒度范圍為50-?50μπι，經(jīng)過相同的熱等靜壓之后，之后，進(jìn)行固溶熱處理，將冷軋后的合金板材在箱式電阻爐中進(jìn)行固溶熱處理，固溶溫度為860-880°C，保溫時(shí)間為2.8^4.8h，水淬；時(shí)效熱處理:分為如下五步:時(shí)效溫度為315~330°C，保溫時(shí)間為12~28min，水淬；再加熱到41(T430°C進(jìn)行第二次時(shí)效處理，時(shí)效時(shí)間為1.9^2.lh，水淬；再加熱到48(T495°C進(jìn)行第三次時(shí)效，時(shí)效時(shí)間為2~2.5h，水淬；再加熱到52(T550°C進(jìn)行第四次時(shí)效，時(shí)效時(shí)間為5~8h，水淬；再加熱到58(T620°C進(jìn)行第五次時(shí)效，時(shí)效時(shí)間為l(Tl2h，水淬，得到成品。檢測得到其微觀組織為:合金中第二相Y'相組成為(Nia 856Coai44)3(Ala 773Tiai29Nbatl88Hfaciici),尺寸為 411nm，二次相占總 Y / 相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為82.7%和(一次+三次)Y '相占總Y '相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17.3% ;合金中MC型碳化物組成為(Nb。.^Tia28tlHfaitll) C，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.293%。
[0017](5)鎳基粉末冶金高溫合金Alloy-5按質(zhì)量百分比含量為:Col9.8%、Cr 12.0%、W5.6%、Μο3.9%、Α15.l%、Til.8%、Nb2.6%,C0.04%,B0.012%、Zr0.015%、Hf0.9%、余量為 Ni。其經(jīng)過等離子旋轉(zhuǎn)電極制粉、粉末粒度范圍為50-150 μ m，經(jīng)過相同的熱等靜壓之后，進(jìn)行固溶熱處理，將冷軋后的合金板材在箱式電阻爐中進(jìn)行固溶熱處理，固溶溫度為860-880°C，保溫時(shí)間為2.8^4.8h，水淬；時(shí)效熱處理:分為如下五步:時(shí)效溫度為315~330°C，保溫時(shí)間為12~28min，水淬；再加熱到41(T430°C進(jìn)行第二次時(shí)效處理，時(shí)效時(shí)間為1.9~2.lh，水淬；再加熱到48(T495°C進(jìn)行第三次時(shí)效，時(shí)效時(shí)間為2~2.5h，水淬；再加熱到52(T550°C進(jìn)行第四次時(shí)效，時(shí)效時(shí)間為5~8h，水淬；再加熱到58(T620°C進(jìn)行第五次時(shí)效，時(shí)效時(shí)間為l(Tl2h，水淬，得到成品。檢測得到其微觀組織為:合金中第二相Y丨相組成為(Nia857C0q.143) 3 (Al。.T67Tiai29Nbatl88Hfatll6),尺寸為 409nm，二次 Y '相占總相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為82.9%和(一次+三次)Y '相占總Y '相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17.1% ;合金中MC型碳化物組成為(Nba 574Tia 253Hfai73) C，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.338%。
[0018]以上五種合金采用按圖1取下裂紋擴(kuò)展速率試樣；分別在650°C、力值比R=0.05、加載頻率為10-30次/min(三角波，無保載)和650°C、力值比R=0.05、保載90s的試驗(yàn)條件下進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)，考核應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍AK=SOMPaU"2)時(shí)的裂紋擴(kuò)展速率。應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍AK=30MPa(m1/2)時(shí)的裂紋擴(kuò)展速率在表1中給出?？梢娂尤胛⒘吭豀f后，鎳基粉末冶金高溫合金具有較低的裂紋擴(kuò)展速率，其中在無保載條件下，裂紋擴(kuò)展速率與Alloy-1相比，降低了 41.2%~80.6%，含0.3%Hf合金的裂紋擴(kuò)展速率最低；在保載條件下，裂紋擴(kuò)展速率降低了 21.`9%~68.0%。表2給出了合金的室溫拉伸和650°C /1020MPa持久性能，加入Hf后，合金的拉伸性能變化不明顯，改善了合金的缺口敏感性。
[0019]表1合金在應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍為AK=30MPa (m1/2)時(shí)對(duì)應(yīng)的裂紋擴(kuò)展速率
【權(quán)利要求】
1.一種具有高裂紋擴(kuò)展抗力的鎳基粉末冶金高溫合金，其特征在于:所述高溫合金按質(zhì)量百分比含量為:Col9.8%、Cr 12.0%、W5.6%、Μο3.9%、Α15.1%、Til.8%、Nb2.6%、C0.04%、B0.012%、Zr0.015%、Hf0.15~0.9%、余量為Ni ;所述高溫合金中第二相強(qiáng)化相Y，相組成為(Ni0.854~0.857Co0.143~0.146)3(Α10.767~0.781Τ?0.129Nb0.088Hf0.002~0.016)，尺寸為284~511nm，二次、' 相占總、' 相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為81.9~85.3% ;—次、' 相與三次Y '相之和占總Y '相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為含量為14.7^18.1%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有高裂紋擴(kuò)展抗力的鎳基粉末冶金高溫合金，其特征在于:所述高溫合金中MC型碳化物組成為(Nb0.574~0.654Τ?0.253~0.323Hf0.023~0.173) C，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.266~0.338%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的具有高裂紋擴(kuò)展抗力的鎳基粉末冶金高溫合金，其特征在于:合金采用等離子旋轉(zhuǎn)電極制粉，粉末粒度范圍為50-?50μπι。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的具有高裂紋擴(kuò)展抗力的鎳基粉末冶金高溫合金，其特征在于:所述Hf含量為0.3%。`
【文檔編號(hào)】C22C1/04GK103820678SQ201410071313
【公開日】2014年5月28日 申請(qǐng)日期:2014年3月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月2日
【發(fā)明者】王文姣 申請(qǐng)人:王文姣