[发明专利]一种超低碳、耐海水腐蚀的高强韧镍基耐蚀合金

说明书

技术领域

本发明属于镍基合金技术领域，特别涉及一种超低碳、耐海水腐蚀的高强韧镍基耐蚀合金，适合于海洋腐蚀环境下使用。

背景技术

以GH4169（Inconel 718）合金（化学成分重量%为：C 0.020～0.080, Cr 17.0～21.0, Mo 2.8～3.3, Ti 0.75～1.30, Al 0.30～0.70, Nb 4.75～5.50, Ni 50.0～55.0,余Fe）为代表的时效强化镍基高温合金，因具有较高的高温强度和持久及蠕变性能、良好的抗疲劳、抗辐射、抗氧化性能，以及良好的加工性能、长期组织稳定性，是航天工业的传统材料，广泛用于我国航空、航天工业的多种型号发动机。由于作为高温合金使用，GH4169合金主要要求在高温下具有良好的持久、蠕变等高温机械性能，因此传统GH4169合金的碳含量控制在0.02～0.08%，铌含量在4.75～5.5%。通过固溶+时效热处理方法，在材料组织中大量析出γ″相-Ni₃Nb及γ′相-Ni₃(Al、Ti)，从而保证合金的强度。作为改进，包括CN 102443721A、CN 101307402A、CN 1039067A等在内的一些专利和文献进行了许多工作，但其成分改进目的主要均在于提高合金在高温环境下的组织稳定性或者可加工性，均未涉及耐海水腐蚀领域。发明原理亦不相同，对于CN 102443721A，其主要借助加入大量可降低合金层错能的Co元素，来提高合金组织稳定性和蠕变机械性能，但一方面Co元素为我国稀缺合金，将导致合金成本上升，另一方面大量Co元素的加入，合金的变形抗力将大幅上升。对于CN 101307402A、CN 1039067A，虽然其避免加入Co元素，但其成分设计对提高合金的耐蚀性能作用不大。

通过对传统GH4169材料的腐蚀研究，尤其是耐局部腐蚀行为进行了显微组织观察及机理分析研究发现，在热处理过程中，合金组织中析出大量的碳化物和强化相，其中包括M₂₃C₆和Ni₃Ti等析出相。由于腐蚀源一般发生在液固相变过程中形成的析出物附近，这些析出相显著影响合金的耐蚀性能，见图1。另外，组织中大量出现的强化相虽然可以显著提高高温性能，但却降低材料的常温冲击韧性，大量的试验数据表明传统GH4169合金的AKv≤100J。

随着设备部件使用环境日益复杂化，对于大量的工况条件，如海洋平台等腐蚀环境中使用的紧固件部件等，不仅要求材料具有很高的强度和韧性，还对材料的耐腐蚀性能提出更高要求。对于传统的GH4169合金而言，其力学性能可以满足要求，但在腐蚀环境中，特别是耐海水腐蚀环境中使用，该类镍基合金材料的耐局部腐蚀能力相对较差，已经不适合在此类工况环境中长期使用。如何通过重新设计合金成分，分析各种相的析出行为及其耦合作用，从而在维持材料强度的基础上，进一步提高材料的韧塑性和耐蚀性能，并使其综合性能具有良好的匹配性，成为发挥这类镍基耐蚀合金性能潜力的发展方向。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超低碳、耐海水腐蚀的高强韧镍基耐蚀合金，命名为镍基耐蚀合金SZ12。该合金不仅需具有高的强度，还需保证高的韧塑性以及良好的耐腐蚀性能，尤其适合作为海水环境中的高强度紧固件及其它相关设备部件使用。主要设计思想是通过成分设计及高纯冶炼工艺，改变传统合金材料的化学成分，调整固溶强化作用与第二相强化作用的比例关系，在材料的强度不发生显著降低的同时，提高其常温韧性及耐腐蚀性能，拓展合金在腐蚀环境中的使用范围。

本发明的技术原理：

传统GH4169合金的强化机理包括固溶强化、第二相强化、晶界强化，而第二相强化为主要的强化机制，通过适当的热处理，在材料组织中析出大量强化相γ″相-Ni₃Nb及γ′相-Ni₃(Al、Ti)，这些强化相以及碳化物在腐蚀环境中成为优先腐蚀源，对材料的耐腐蚀性能和强度与塑性不利。主要特点有：

1、合金组织中的高温碳化物NbC、TiC析出明显降低材料的耐腐蚀性能。

2、高温碳化物析出数量和Ni₃Nb强化相析出数量之间具有耦合作用，且强烈受制于合金中Nb、C等元素含量及相含量匹配关系。

3、合金组织中γ″-Ni₃Nb强化相对材料腐蚀和强度、韧性有显著影响。