[發明專利]一種低膨脹抗氧化Ni-Fe-Cr基高溫合金及其制備方法

有效

• 申請號: 201310397115.4
• 申請日: 2013-09-04
• 公開（公告）號: CN103498076A
• 公開（公告）日: 2014-01-08
• 發明（設計）人: 谷月峰;范長信;魯金濤;趙新寶;嚴靖博;尹宏飛
• 申請（專利權）人: 西安熱工研究院有限公司
• 主分類號: C22C19/05
• 分類號: C22C19/05;C22C30/02;C22C30/00;C22F1/10;C22F1/00
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 徐文權

技術領域

本發明屬于金屬結構材料領域，具體涉及一種低膨脹抗氧化Ni-Fe-Cr基高溫合金及其制備方法。

背景技術

金屬及合金的熱膨脹是晶格點陣的非協調振動所致。普通金屬材料的體積是隨溫度的上升而幾乎直線性地膨脹，在20℃至800℃間，就線膨脹系數α而言，鐵素體耐熱鋼通常約為10～14×10^-6/℃，Ni基高溫合金約為12～16×10^-6/℃，Fe-Ni基高溫合金約為14～17×10^-6/℃，奧氏體鋼約為16～19×10^-6/℃。但某些具有特殊成分配比的合金具有反常的低膨脹或常膨脹系數，而被稱為低膨脹合金。從最早的商用低膨脹Fe-Ni合金(Fe-36%Ni，Invar合金)，Fe-Ni-Co(國際合金牌號IN9XX，國內合金牌號GH9XX)系列低膨脹合金，到Ni-Co-Fe系列低膨脹合金及最近開發的Thermo-Span、In738、Haynes242和USC141低膨脹合金，人們一直通過調整合金成分來研發能滿足在不同溫度下所需的各種低膨脹合金。近來，隨著航空和能源領域的迅速發展，促生了高溫低膨脹合金及其快速發展。目前，高溫低膨脹合金被廣泛用于制作燃氣輪機和蒸氣渦輪的密封環、軸、機匣、葉片、緊固件和其它在一定的高溫環境中要求尺寸近似恒定的結構部件。

以往的研究表明，低膨脹合金的高溫抗氧化性能差會嚴重影響它的使用溫度范圍，低熱膨脹性和高抗氧化性是低膨脹高溫合金中的一對矛盾，相互影響并制約著高溫低膨脹合金的發展。

為了使合金保持較低的低膨脹系數，早期開發的低膨脹合金一般不含抗氧化的Cr、Al等元素，致使合金的抗氧化性能較差，如專利US4200459、US5192497、特許公開昭54-90013、特開平5-70894、合金IN907、IN909和HRA929等。為了提高此類合金的抗氧化性能，人們試圖加Cr、Al等元素，如專利US4006012、CN1053094A、US4200459、CN1053094A、CN102485930A、特原2007-225702、特原2010-95940等。改進型低膨脹合金HRA929C含有2.0%Cr，IN783含3%Cr，Thermal-Span含5.5%Cr，Haynes242含8.0%Cr，而USC141含20%Cr。合金中Cr量的增加雖然改善了合金的抗氧化性能，但也增加了使合金保持高溫低膨脹性的設計難度，因為Cr的加入將導致合金熱膨脹系數隨溫度提高而大幅增加。另外，研究結果也表明，在Fe-Ni-Co系列合金中，提高合金Co/Ni比例可以進一步降低合金的熱膨脹系數，如IN907和IN909合金中的Co/Ni比約為0.34，HRA929和HR929C增加到約0.7，而近期研發的IN783和Thero-Span更進一步增加到約1.2，Co在合金中的含量已超過Ni，大幅增加了合金的成本。80年代末，美國Haynes公司研發了一種含低Co(2%)高Mo(25%)高Cr(8%)的高溫低膨脹Ni-Mo-Cr合金，Hayness242合金，合金在20℃和750℃之間的熱膨脹系數約為14×10^-6/℃；日本日立金屬公司在2007年也研發出一種含高Mo(10%)高Cr(20%)不含Co的高溫低膨脹Ni-Mo-Cr合金，合金在20℃和750℃之間的熱膨脹系數和Haynes242相當，但過高的Mo含量對合金熱腐蝕性能產生不利影響。目前，為滿足現代航空和能源領域的需求，研發出具有較低高溫熱膨脹系數和較高綜合性能的合金仍是一項十分艱巨的工作。

發明內容

本發明的目的是針對現有的高溫低膨脹合金材料存在的熱成形性差、高溫強度低、抗氧化和熱腐蝕性能差和價格昂貴等缺點，提出了一種高溫強度和抗氧化性能優異，加工性能和性價比好的低膨脹抗氧化Ni-Fe-Cr基高溫合金及其制備方法。

為達到上述目的，本發明的低膨脹抗氧化Ni-Fe-Cr基高溫合金按重量百分比包括：20-25%的Fe，14-18%的Cr，1.5-2.0%的Al，1.5-2.5%的Ti，0.5-2.0%的Nb，0.3-2.0%的Mo，0.5-2.0%的W，≤1.0%的Si，≤1.0%的Mn，0.5%≤的Cu，≤0.1%的C，≤0.01%的B，≤0.05%的Zr，≤0.05%的P，≤0.20％的稀土元素RE，余量為Ni。

所述的稀土元素RE采用Y、Ce或La。

本發明的制備方法包括以下步驟：