[发明专利]一种铁镍铬基高温合金及其制造方法

说明书

技术领域

本发明属于变形高温合金制造的相关技术领域，具体涉及一种铁镍铬基高温合金及其制造方法。

背景技术

高温合金又称热强合金、耐热合金或超合金，它可以在600℃以上的氧化和燃气腐蚀条件下承受一定的复杂应力，能长期可靠工作。按其生产工艺可以分为变形合金、铸造合金和粉末合金，其中变形高温合金以其优异的抗氧化腐蚀性能，及优异的高温强度而广泛应用于航空航天、电力、油气、车辆等领域。高温合金按其成分则又可分为铁基、镍基和钴基合金，其中，铁基合金以变形为主，是在铁镍铬基体上添加合金化元素发展起来的，其在成本经济性方面相对于镍基和钴基合金具有显著的优势。铁镍铬基变形合金的性能取决于合金成分、制造工艺及热处理制度，其中强度及强度与塑性的匹配是合金最重要的实物质量指标之一，它最终取决于合金成分及成品钢材的显微组织状态。因此，可以通过合金成分的设计、制造工艺的改进及热处理工艺的优化来提高合金的综合力学性能。

Incoloy 901合金(美国标准牌号为UNS N09901，中国牌号为GH901合金)是发展较早且使用较为广泛的铁镍铬基变形高温合金，其标准成分如表1所示。该合金是奥氏体型的时效硬化合金，在650℃以下具有较高的屈服强度和持久强度，760℃以下抗氧化良好，广泛用于制造在650℃以下工作的航空及地面燃气涡轮发动机的转动盘件、涡轮外环及紧固件等热端部件。在650℃及以上温度，该合金强度裕度表现不足，且组织稳定性明显弱于同类镍基合金，这就影响了零件的使用寿命以及制约了该合金的应用。

中国自主研制的铁镍铬基GH761合金(成分见表1)具有较高的强度，能够满足650～700℃的使用要求。但该合金的塑性成为其薄弱环节，从该合金生产实践看，其热加工性较差，工艺窗口较窄，容易产生锻造表面裂纹，降低材料的收得率；另一方面，该合金的塑性较低，与标准要求相比，其塑性裕度很小，且受制造工艺影响较大，往往造成塑性达不到标准要求。

中国专利CN901102849公开了一种用于航空发动机环件的铁镍铬基变形高温合金(成分见表1)，因其Al、Ti等强化元素含量有限，在适当的热加工和热处理后，合金强度较低、塑性较高。因此，提高合金强度，就必须提高Al、Ti和W、Mo等强化元素的含量。

中国专利CN911062645公开了一种管材用铁镍铬基高温合金(成分见表1)，其在少量Al、Ti的基础上，添加了一定量的Mo和少量的Nb，经合适的固溶和两次时效处理，室温强度也只能达到1100MPa左右。

美国专利US5370838A公开了一种铁镍铬基高温合金(成分见表1)，加入了适量的Al、Ti、W、Mo、Nb强化元素，但由于其基体元素镍含量偏低，高温稳定性欠佳，不适合在较高温度使用。

因此，亟需设计一种合金成分，同时优化制造工艺，使合金有较高强度，且塑性匹配良好，并有较好的热加工性能。

表1

发明内容

本发明的目的在于提供一种铁镍铬基高温合金及其制造方法，该合金的室温抗拉强度R_m≥1300MPa，屈服强度R_p0.2≥900MPa，伸长率A₅≥18％，断面收缩率Z≥24％，具有高强度和良好塑性匹配，以及热加工性能较好、锻造工艺窗口较大等特点，且其在650℃/620MPa下持久性能非常优异，具体是其断裂时间τ≥195小时，伸长率A₅≥10％，断面收缩率Z≥15％，可以使用在700℃以下的热端部件，如发动机压气机盘、汽轮机转轴、增压涡轮部件等。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种铁镍铬基高温合金，其化学成分重量百分比为：C：0.02～0.08％；Ni：40.0～45.0％；Cr：11.0～14.0％；Al：0.8～1.5％；Ti：2.5～3.1％；Nb：0.5～1.2％；W：1.0～1.5％；Mo：4.0～5.0％；B：0.010～0.025％；Mg：0.001～0.008％；Ce：0.01～0.03％，其余为Fe和不可避免的杂质；且上述元素同时需满足如下关系：3.8％≤Al+Ti+Nb≤5.8％，5.5％≤W+Mo+Nb≤7.7％。