高強(qiáng)高耐蝕鎳基高溫合金及其固溶時(shí)效熱處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于鎳基高溫合金技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種高強(qiáng)高耐蝕鎳基高溫合金及其 固溶時(shí)效熱處理方法，適用于艦船領(lǐng)域和深海油氣開采等嚴(yán)苛腐蝕環(huán)境中。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著我國東海、南海海域高安全穩(wěn)定性艦船裝備的發(fā)展對(duì)大功率柴油機(jī)整體性能 進(jìn)一步提高的迫切需求，對(duì)服役于嚴(yán)苛的海水腐蝕環(huán)境中的海水冷卻泵泵軸用材的使用性 能也提出了新的更高要求，不僅要求其具有優(yōu)良的力學(xué)性能（高抗拉強(qiáng)度和抗沖擊性能）， 還需具有良好的抗海水腐蝕性能，以承受大的交變載荷并有效避免應(yīng)力腐蝕斷裂。而傳統(tǒng) 不銹鋼和鎳基合金已難以滿足艦船大功率關(guān)鍵構(gòu)件服役穩(wěn)定性和可靠性的要求。為適應(yīng)南 海海域嚴(yán)苛的海水環(huán)境，選用高強(qiáng)性兼具優(yōu)良耐海水腐蝕性能的高強(qiáng)高耐蝕鎳基高溫合金 用作艦船大功率柴油機(jī)關(guān)鍵構(gòu)件，已成為我國艦船關(guān)鍵構(gòu)件選材發(fā)展的必然趨勢。
[0003] 針對(duì)嚴(yán)苛的海洋環(huán)境對(duì)合金使役性能的更高要求，美國已研發(fā)出系列高強(qiáng)高耐 蝕鎳基高溫合金，如Incoloy925、Inc〇l〇y945等，在艦船等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。以 Incoloy925合金為例說明，該合金含有改善抗氧化性和還原性介質(zhì)腐蝕能力的Cr、Mo、 Cu，同時(shí)添加了Ti、A1和少量的Nb，通過固溶時(shí)效處理，在Y基體中大量析出Ni3(Al，Ti) 型Y'相，實(shí)現(xiàn)顯著的時(shí)效強(qiáng)化效果，使得合金除具有高強(qiáng)度、優(yōu)異的抗腐蝕性和耐熱性 夕卜，兼具耐氧化、耐氫氣泡腐蝕、縫隙腐蝕、晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕的特點(diǎn)，在艦船和海底油氣 開采等海洋環(huán)境下獲得了廣泛應(yīng)用。
[0004] 同時(shí)，作為典型的時(shí)效強(qiáng)化型鎳基高溫合金，合金在熱處理過程中主要發(fā)生兩方 面的變化，其一為晶粒尺寸的改變，其二為Y'強(qiáng)化相、碳化物和其它金屬間化合物的種 類、數(shù)量、大小、形貌及分布的變化。鎳基高溫合金的性能水平與上述顯微組織特征密切相 關(guān)，因此，為使合金獲得良好的綜合力學(xué)性能和優(yōu)異的耐腐蝕性能，需要對(duì)熱加工后的合金 進(jìn)行熱處理。大部分時(shí)效強(qiáng)化型鎳基高溫合金的熱處理均需要經(jīng)過固溶加時(shí)效兩個(gè)步驟， 缺一不可。
[0005] 然而，國內(nèi)在高強(qiáng)高耐蝕鎳基高溫合金的研制和生產(chǎn)方面尚處于初步發(fā)展階段， 對(duì)此類合金的成分控制及性能優(yōu)化技術(shù)方面存在極大欠缺，更不具備穩(wěn)定工業(yè)化生產(chǎn)能 力。此外，國內(nèi)對(duì)于此類合金持有的相關(guān)專利甚少，其中具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和行業(yè)影響力的 牌號(hào)更是屈指可數(shù)。因此，研發(fā)兼具高強(qiáng)高耐蝕鎳基高溫合金及其性能熱處理技術(shù)對(duì)我國 艦船、能源等戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種高強(qiáng)高耐蝕鎳基高溫合金及其固溶時(shí)效熱處理方法， 命名為鎳基耐蝕高溫合金GH925。所述合金不僅具有高強(qiáng)度，還具有高塑韌性以及良好的耐 腐蝕性能，尤其適合用作艦船等嚴(yán)苛海水腐蝕環(huán)境中的高承力構(gòu)件及其它相關(guān)設(shè)備部件使 用。所述合金與現(xiàn)有國外同類鎳基合金相比，F(xiàn)e含量高，熱加工性好，材料成本更低。
[0007] 本發(fā)明所述新型高強(qiáng)高耐蝕鎳基高溫合金的化學(xué)成分重量百分比為：
[0008] Ni:40. 0 ?44. 0%、Cr:19. 5 ?22. 5%、Mo:2. 5 ?3. 5%、Cu:1. 5 ?3. 0%、A1 : 0? 10 ?0? 50%、Ti:1. 9 ?2. 4%、C彡 0? 03%、Si彡 0? 2%、Mn彡 1. 0%、S彡 0? 02%、 P彡0? 015%、Mg:0? 001?0? 005%、余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
[0009] 本發(fā)明所述新型高強(qiáng)高耐蝕鎳基高溫合金的固溶時(shí)效熱處理方法，包括以下步 驟：
[0010] 步驟1):按重量百分比將40. 0?44. 0%的Ni、19. 5?22. 5%的Cr、2. 5?3. 5% 的Mo、1.5 ?3.0% 的Cu、0. 10 ?0.50% 的A1:、Ti:1.9 ?2.4%、C彡 0.03%、Si彡 0.2%、 Mn彡1. 0%、S彡0? 02%、P彡0? 015%、Mg:0? 001?0? 005%、余量為Fe，加入到真空感應(yīng) 爐中熔煉，經(jīng)真空感應(yīng)熔煉和電渣重熔，得到合金錠，合金錠經(jīng)均勻化處理、熱鍛及熱軋，制 成棒材；
[0011] 步驟2):將步驟1)所得的棒材進(jìn)行固溶處理，采用熱處理爐在980?1020°C保 溫1?4小時(shí)后水冷或空冷，時(shí)效處理采用熱處理爐在730?750°C保溫8?9小時(shí)后，以 50?70°C/h的速率爐冷至610?630°C，再保溫15?20小時(shí)，時(shí)效處理兩個(gè)保溫段的時(shí) 間之和大于25小時(shí)，小于35小時(shí)；
[0012] 步驟1)中合金錠在熱處理爐中進(jìn)行均勻化，處理溫度為1150?1200°C，均勻化時(shí) 間為24?48小時(shí)；
[0013] 步驟1)中將均勻化處理后合金錠在熱處理爐內(nèi)保溫1?2小時(shí)后進(jìn)行開坯鍛 造，熱鍛溫度范圍為950?1160°C，通過多火次分級(jí)鍛造后得到方坯，每火次變形量范圍為 30 ?50% ;
[0014] 步驟1)中將熱鍛后方坯在熱處理爐內(nèi)保溫1?2小時(shí)后開乳，熱軋溫度范圍為 900?1180°C，通過一火次軋制后得到棒材，熱軋變形量范圍為60?80%。
[0015] 按本發(fā)明方法熱處理后的新型高強(qiáng)高耐蝕鎳基耐蝕高溫合金以無序面心結(jié)構(gòu)的 Y相為基體，Y基體中彌散分布著有序結(jié)構(gòu)的Ni3(Al，Ti)型Y'相，Y'相的體積分?jǐn)?shù) 為5?15%，尺寸為5?40nm，在室溫時(shí)抗拉強(qiáng)度大于llOOMPa，屈服強(qiáng)度大于750MPa，斷 后伸長率大于20%，面縮率大于30%，沖擊吸收功大于50J。
[0016] 本發(fā)明中各元素的主要作用如下：
[0017] (l)Ni:較高含量的Ni是獲得以Ni為基的奧氏體的關(guān)鍵，具有良好的相穩(wěn)定性，相 比Fe基和Co基合金能固溶更多元素而不生成有害相，也是Ni3(Al，Ti)型強(qiáng)韌化相Y'相 的重要組成元素，同時(shí)也使合金獲得優(yōu)異耐腐蝕性能，無論在氧化性介質(zhì)或者還原性介質(zhì) 中，添加Ni元素都對(duì)提高耐蝕性有效；
[0018] ⑵Cr:相對(duì)高的Cr含量是決定合金耐蝕性的關(guān)鍵，特別是提高合金在氧化性介質(zhì) 中耐蝕能力的關(guān)鍵。當(dāng)Cr含量大于18%以后，耐蝕性處于穩(wěn)定狀態(tài)，Cr顯著提高了合金點(diǎn) 蝕點(diǎn)位和鈍化膜的修復(fù)能力，從而提高了合金耐點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕的能力。但過高的Cr含量 會(huì)促進(jìn)〇相的析出，進(jìn)而損害合金的熱穩(wěn)定性、熱塑性和韌性；
[0019] ⑶Mo:可固溶強(qiáng)化，較高的Mo含量主要是為了提高合金耐局部腐蝕和耐氯化物晶 間腐蝕（SCC)性能，特別是改進(jìn)合金在還原性介質(zhì)中的耐腐蝕性。但過高的Mo含量同樣會(huì) 促進(jìn)〇相的析出，從而損害合金的熱穩(wěn)定性、熱塑性和韌性；
[0020] ⑷Cu:可提高合金耐海水和耐硫酸性能，同時(shí)還能改進(jìn)合金耐硫酸和含HF的酸性 環(huán)境腐蝕性能；
[0021] (5)Al、Ti:少量的Al、Ti有脫氧作用，適量Al、Ti的加入促進(jìn)強(qiáng)韌化相Ni3(Al，Ti) 型Y'相的有效析出，對(duì)合金的沉淀硬化效果有積極作用，有助于合金獲得高強(qiáng)度。Ti還 起到了穩(wěn)定C的作用，同時(shí)還可改善合金耐晶間腐蝕性能。但過高的Al、Ti含量會(huì)消耗Ni， 不利于基體的穩(wěn)定。此外，Ti/Al比過高還會(huì)促進(jìn)n相的形成。因此，Al、Ti兩種元素要 優(yōu)化匹配才最有利于Y'強(qiáng)化相的析出；
[0022] (6)C:有固溶強(qiáng)化作用，也能穩(wěn)定Y基體。C在晶界偏聚并產(chǎn)生細(xì)小顆粒狀的二 次TiC可以有效阻止晶界滑動(dòng)和裂紋形成，有利于持久性能的提高，但過高的C含量會(huì)形成 TiC薄膜，不但損害合金的耐腐蝕性能，而且會(huì)使晶界變脆，導(dǎo)致裂紋易于擴(kuò)展，持久性能下 降；
[0023] (7)Si、Mn:少量Si、Mn有脫氧作用，但會(huì)促進(jìn)高合金中有害中間相的析出，通常需 嚴(yán)格控制；
[0024] ⑶Mg:有益微量元素Mg的微合金化及其精確配比可提高合金的純凈度、降低夾雜 物含量，同時(shí)可顯著改善合金的熱加工性能；
[0025] ⑶Fe:改善合金元素與基體的兼容性，通過置換部分鎳，降低成本和提高廢料利 用率。
[0026] 本發(fā)明通過對(duì)合金化學(xué)成分的優(yōu)化設(shè)計(jì)、創(chuàng)造性地添加有益微量元素、固溶時(shí)效 熱處理工藝的優(yōu)化，達(dá)到了穩(wěn)定提高合金強(qiáng)度、良好塑韌性匹配和耐腐蝕性能的目的，并使 其熱加工性能得到明顯改善。
[0027] 本發(fā)明所屬合金兼具高強(qiáng)度和高耐蝕性能，適用于對(duì)強(qiáng)度、塑韌性和耐腐蝕性能 均有較高要求的嚴(yán)苛工況環(huán)境，可用于各種嚴(yán)苛腐蝕環(huán)境，如高氯離子海洋業(yè)、及同時(shí)含有 co2、h2s、ci_和單質(zhì)s的深海油氣開采、石油化工和化學(xué)工程等領(lǐng)域。
[0028] 本發(fā)明所述合金與現(xiàn)有技術(shù)相比，材料成本低，兼具高強(qiáng)、高耐蝕的綜合使用性 能，尤其適合用于艦船領(lǐng)域關(guān)鍵承力構(gòu)件和深海油氣開采裝備中。
【附圖說明】
[0029] 圖1為實(shí)施例1、實(shí)施例2的新型高強(qiáng)耐蝕鎳基高溫合金熱處理后試樣取樣縱向位 置示意圖。
[0030] 圖2為實(shí)施例1、實(shí)施例2的新型高強(qiáng)耐蝕鎳基高溫