一种镍基高温合金及其制备方法和应用与流程

1.本发明属于火电机组用高温合金技术领域，具体涉及一种镍基高温合金及其制备方法和应用。

背景技术：

2.火电机组在我国电力消费中一直占主导地位，提高效率和减少污染始终是火电技术领域追求的目标，而提高主蒸汽的使用温度和压力一直被认为是提高热效率最有效的方法。目前，国内外在研的先进高效燃煤发电技术主要有650℃级、700℃级和超700℃级几类，其中650℃级二次再热超超临界机组(a-usc)的热效率可突破50％，供电煤耗低于260g/kwh，是2025年前兼顾材料技术、建站成本、机组效率和节能减排等最具竞争力的机组方案；但是，650℃级二次再热超超临界机组(a-usc)蒸汽参数的提升对其热通道关键部件(末级过热器和再热器、集箱、主/再热蒸汽管道、阀门、汽门/调门、汽缸、转子、叶片和紧固件)用材料提出了更高的要求。
3.对于650℃超超临界机组的热通道关键部件而言，其材料的共性要求是具有优异的高温强度、足够的长时高温持久强度、韧性、组织结构稳定性等。另外，不同的高温部件服役环境存在差异，如末级过/再热器还要求优良的抗蒸汽氧化性能和抗烟气腐蚀性能，主蒸汽管道和集箱要求有优异的抗蒸汽氧化性能，高温段转子要求低的热膨胀系数、良好的锻造性和疲劳性能。目前，650℃超超临界机组的关键高温部件材料体系还不成熟，国内外的候选材料主要以镍基变形高温合金和铁镍基变形高温合金为主，其中镍基变形高温合金主要以cca617、haynes282、nimonic263等合金为代表，这些材料具备优异的高温持久强度及抗氧化性能，但价格昂贵、焊接性能差、冶炼和热加工等技术要求高，限制了其迅速推广应用。铁镍基变形高温合金主要以国外的sanicro25、hr6w等合金为代表。上述几种铁镍基高温合金虽然具有原料成本优势，但高温强度较低。

技术实现要素：

4.因此，针对650℃及以上超超临界火电机组关键高温部件的服役需求，本发明提供一种镍基高温合金及其制备方法和应用，高温强度高的同时具有优异的高温韧性。
5.为此，本发明提供了以下技术方案。
6.第一方面，本发明提供了一种镍基高温合金，按质量百分比计，包括：fe：28～32％，cr：14～18％，mn：10-14％，co：2.8～3.2％，ti：1.9～2.3％，al：1.2～1.6％，si：0.1～0.5％，w：0.1～0.4％，mo：0.3～0.7％，c：0.05～0.09％，b：0.001～0.005％，余量为ni；fe+mn的质量百分比为40～44％。
7.进一步的，所述mn的质量百分比含量为11～13％；所述co的质量百分比含量为2.9～3.1％。
8.进一步的，满足以下条件中的至少一项：
9.(1)fe的质量百分比含量为29～31％；
10.(2)cr的质量百分比含量为15～17％；
11.(3)ti的质量百分比含量为2.1～2.3％；
12.(4)al的质量百分比含量为1.3～1.5％；
13.(5)si的质量百分比含量为0.2～0.4％；
14.(6)w的质量百分比含量为0.2～0.3％；
15.(7)mo的质量百分比含量为0.4～0.6％；
16.(8)c的质量百分比含量为0.06～0.08％。
17.第二方面，本发明提供了一种镍基高温合金的制备方法，包括以下步骤：
18.步骤1：将原料在真空下熔炼并浇注成合金锭，将合金锭在1150-1250℃均匀化20-30小时后空冷至室温；
19.步骤2：将均匀化后的合金锭在1050～1150℃进行热变形，每道次变形量不低于14％，最终总变形量为40-60％；
20.步骤3：将热变形后的合金在980-1120℃进行90-180分钟固溶处理，然后在600-850℃时效8-16小时，得到镍基高温合金。
21.进一步的，步骤2中，在每道次热变形完成后进行回炉保温，然后进行下一道次热变形。
22.进一步的，步骤2中，每次回炉保温的温度为1050-1150℃，时间为5-15min。
23.进一步的，步骤3中，固溶处理具体过程为：先在1060-1120℃保温60-120分钟后水冷，然后在980-1040℃保温30-60分钟后水冷。
24.进一步的，步骤3中，时效处理具体过程为：先在600-700℃保温6-10小时后空冷，然后在750-850℃保温2-6小时后空冷。
25.进一步的，制得的镍基高温合金的平均晶粒尺寸为60-130μm；维氏硬度值大于300。
26.第三方面，本发明提供了镍基高温合金或根据所述方法制得的镍基高温合金在火电机组中的应用。
27.本发明技术方案，具有如下优点：
28.1.本发明提供的镍基高温合金，按质量百分比计，包括：fe：28～32％，cr：14～18％，mn：10-14％，co：2.8～3.2％，ti：1.9～2.3％，al：1.2～1.6％，si：0.1～0.5％，w：0.1～0.4％，mo：0.3～0.7％，c：0.05～0.09％，b：0.001～0.005％，余量为ni；fe+mn的质量百分比为40～44％。
29.本发明提供的镍基高温合金，基于析出强化的合金设计理念，适量的ti+al总量和ti/a1比值在保证晶内γ
′
强化相体积分数的同时也确保了γ
′
强化相在服役温度区间具有良好的热稳定性；适量的mo和w起到固溶强化作用；适量的cr在保证足够的抗氧化/腐蚀能力的同时又避免有害相的形成；适量的c和b可在以强化晶界，改善合金韧性；高含量的fe确保了优异的加工性能及高的性价比；适量的co可以降低稳态蠕变速率和增加γ
′
强化相的数量从而提高强度。mn在大部分高温合金中都是起到有害的作用，然而，本发明通过与其他元素相搭配，高含量的mn可以扩大γ相区，稳定奥氏体，从而起到强化合金的作用。
30.本发明镍基高温合金为无序面心立方结构的奥氏体，主要强化相为γ
′
相，晶界处有mc(碳化物)。本发明合金同时具有高强度和高韧性。在650℃和700℃的屈服强度均大于
600mpa，在650℃和700℃的断裂延伸率分别大于20％和14％。
31.2.本发明提供的镍基高温合金的制备方法，简易合适的加工方式确保了可以对晶粒度等进行有效调控。另外，采用分级固溶处理控制晶粒尺寸及碳化物分布，采用分级时效处理控制γ
′
相颗粒直径及体积分数。合金成分及制备工艺的优化使得合金在600-700℃具有高强度的同时又具备优异的韧性，能够适用于制造650℃及以上超超临界火电机组锅炉的末级过热器和再热器、集箱、主/再热蒸汽管道、阀门、汽门/调门、汽缸、转子、叶片和紧固件等。
附图说明
32.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
33.图1实施例1制备的镍基高温合金的晶粒特征；
34.图2是实施例1制备的镍基高温合金的晶内γ
′
强化相形貌。
具体实施方式
35.提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。
36.实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。
37.镍基高温合金的制备方法，包括以下步骤：
38.步骤1：将原料在真空下熔炼并浇注成合金锭，随后将合金锭在1150-1250℃均匀化20-30小时后空冷至室温。
39.表1化学成分组成(重量％)
[0040][0041][0042]
表2均匀化条件
[0043] 温度(℃)时间(h)
实施例1120025实施例2115030实施例3125020实施例4118025实施例5115030实施例6119025实施例7122020
[0044]
步骤2.将均匀化后的合金锭在1050-1150℃进行热变形，每道次变形量不低于14％，在每道次热变形完成后进行回炉保温5-15min，最终总变形量为40-60％。
[0045]
表3热变形及保温条件
[0046][0047]
实施例1-7合金的热加工性能良好，热加工过程中没有出现裂纹等缺陷。
[0048]
步骤3.将热变形后的合金先进行固溶处理，在1060-1120℃保温60-120分钟后水冷，然后在980-1040℃保温30-60分钟后水冷。随后进行时效处理：先在600-700℃保温6-10小时后空冷，然后在750-850℃保温2-6小时后空冷，得到高强高韧的镍基高温合金。
[0049]
表4固溶处理条件
[0050][0051]
表5时效处理条件
[0052][0053]
本发明制得的镍基高温合金平均晶粒尺寸为60-130μm，晶界处有mc碳化物颗粒，其典型晶粒组织特征如图1所示。基体为无序面心立方结构的奥氏体，主要强化相为γ
′
相，尺寸位于10-35nm，晶内γ
′
强化相形貌如图2所示。
[0054]
表6平均晶粒尺寸
[0055] 平均晶粒尺寸(μm)实施例195实施例283实施例3105实施例4108实施例5120实施例6113实施例7100
[0056]
对比例1
[0057]
本对比例与实施例1基本相同，不同之处在于，本对比例中未添加mn元素，用fe代替mn，成分如表7所示。
[0058]
对比例2
[0059]
本对比例的合金为目前承温能力最高的奥氏体耐热钢sanicro25，成分如表7所示。
[0060]
表7对比例的化学成分(质量％)
[0061][0062]
试验例
[0063]
拉伸性能测试：分别在650℃和700℃测试合金的抗拉强度及屈服强度，测试结果如表9、表9所示。
[0064]
表8合金在650℃的性能
[0065][0066]
表9合金在700℃的性能
[0067][0068][0069]
由实施例1、对比例1-4对比可知，本发明合金在650℃和700℃的强度显著高于对比sanicro25(650℃的强度相较于sanicro25在600℃的强度还要高)，同时具有较高的断后延伸率。表明实施例合金具有优异的高温强度的同时具有优异的韧性。
[0070]
表10硬度值
[0071] 硬度值实施例1325实施例2328实施例3339实施例4321实施例5311实施例6320实施例7330对比例1259对比例2175
[0072]
综上所述，本发明的镍基高温合金热加工性能良好，易于成型，成本更低，具有高
强度的同时又具备优异的韧性，能够适用于制造650℃及以上的超超临界火电机组锅炉的末级过热器和再热器、集箱、主/再热蒸汽管道、阀门、汽门/调门、汽缸、转子、叶片和紧固件等。
[0073]
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

技术特征：

1.一种镍基高温合金，其特征在于，按质量百分比计，包括：fe：28～32％，cr：14～18％，mn：10-14％，co：2.8～3.2％，ti：1.9～2.3％，al：1.2～1.6％，si：0.1～0.5％，w：0.1～0.4％，mo：0.3～0.7％，c：0.05～0.09％，b：0.001～0.005％，余量为ni；fe+mn的质量百分比为40～44％。2.根据权利要求1所述的镍基高温合金，其特征在于，所述mn的质量百分比含量为11～13％；所述co的质量百分比含量为2.9～3.1％。3.根据权利要求1所述的镍基高温合金，其特征在于，满足以下条件中的至少一项：(1)fe的质量百分比含量为29～31％；(2)cr的质量百分比含量为15～17％；(3)ti的质量百分比含量为2.1～2.3％；(4)al的质量百分比含量为1.3～1.5％；(5)si的质量百分比含量为0.2～0.4％；(6)w的质量百分比含量为0.2～0.3％；(7)mo的质量百分比含量为0.4～0.6％；(8)c的质量百分比含量为0.06～0.08％。4.一种权利要求1-3任一项所述的镍基高温合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：将原料在真空下熔炼并浇注成合金锭，将合金锭在1150-1250℃均匀化20-30小时后空冷至室温；步骤2：将均匀化后的合金锭在1050～1150℃进行热变形，每道次变形量不低于14％，最终总变形量为40-60％；步骤3：将热变形后的合金在980-1120℃进行90-180分钟固溶处理，然后在600-850℃时效8-16小时，得到镍基高温合金。5.根据权利要求4所述的镍基高温合金的制备方法，其特征在于，步骤2中，在每道次热变形完成后进行回炉保温，然后进行下一道次热变形。6.根据权利要求5所述的镍基高温合金的制备方法，其特征在于，步骤2中，每次回炉保温的温度为1050-1150℃，时间为5-15min。7.根据权利要求4所述的镍基高温合金的制备方法，其特征在于，步骤3中，固溶处理具体过程为：先在1060-1120℃保温60-120分钟后水冷，然后在980-1040℃保温30-60分钟后水冷。8.根据权利要求4所述的镍基高温合金的制备方法，其特征在于，步骤3中，时效处理具体过程为：先在600-700℃保温6-10小时后空冷，然后在750-850℃保温2-6小时后空冷。9.根据权利要求4-8任一项所述的镍基高温合金的制备方法，其特征在于，制得的镍基高温合金的平均晶粒尺寸为60-130μm；维氏硬度值大于300。10.权利要求1-3任一项所述的镍基高温合金或根据权利要求4-9任一项所述的方法制得的镍基高温合金在火电机组中的应用。

技术总结

一种镍基高温合金及其制备方法和应用，属于火电机组用高温合金技术领域。本发明镍基高温合金按质量百分比计，包括：Fe：28～32％，Cr：14～18％，Mn：10-14％，Co：2.8～3.2％，Ti：1.9～2.3％，Al：1.2～1.6％，Si：0.1～0.5％，W：0.1～0.4％，Mo：0.3～0.7％，C：0.05～0.09％，B：0.001～0.005％，余量为Ni；Fe+Mn的质量百分比为40～44％。镍基高温合金在高温强度高的同时具有优异的高温韧性。具有优异的高温韧性。具有优异的高温韧性。