能够析出Pt2Mo型超点阵相的Ni-Cr-W-Mo高温合金技术领域
本发明涉及耐蚀镍基高温合金领域,具体为一种添加了0.7~1.7at.%范围Mo元素
的能够析出Pt2Mo型超点阵相的Ni-25Cr-6.5W-Mo(at.%)合金。
背景技术
Ni-Cr-W系高温合金是化工、能源工业领域耐高温耐高压热交换管的首选备用材
料,而由于热交换管的使用寿命要求达到60年,那么对耐热结构材料的蠕变等力学性
能就提出了苛刻的要求。以Ni-Cr-W合金为结构材料的熔盐堆的工作温度为
500~800℃,该温度范围恰是镍基合金中超点阵的析出温度范围。大量研究结果已表明,
Ni-Cr(Mo)-Mo(Cr)合金中超点阵的析出可显著提高合金的力学性能。因此,若采用特
殊方法在Ni-Cr-W合金中析出超点阵相,则将对提升Ni-Cr-W系合金的服役性能有着
重要的意义。
但目前为止,对Ni-Cr-W合金中超点阵的析出行为的研究,国内外鲜有报道。
Chatterjee(SudinChatterjee,AjitK.Roy.Mechanismofcreepdeformationofalloy230
basedonmicrostructuralanalyses[J].MaterialsScienceandEngineeringA,2010,527:
7893-7900.)报道了Haynes230合金中的Pt2Mo型Ni2(Cr,W)超点阵相显著提高了其蠕变
性能。但是从尺寸、形态以及衍射花样判断,专家们认为的这种所谓的Pt2Mo型超点阵
相是碳化物而并非超点阵相。陈杨(ChenY,HuR,KouHCH,etal.Precipitationof
nanosizedDO22superlatticewithhighthermalstabilityinanNi–Cr–Wsuperalloy[J].
ScriptaMaterialia,2014,76:49-52)在59.2Ni-20.8Cr-18.8W-1.2Mo(wt.%)合金中通过
700℃/5~40小时时效处理,在基体中析出了稳定的DO22型超点阵相,提高了合金的显
微硬度。虽然该论文所涉及的合金成分中也包含了Mo元素,但是该研究并没有提及基
体中有Pt2Mo型超点阵相析出,更没有发现Mo元素及其含量与Pt2Mo型超点阵相析出之
间存在着的相关性规律。西北工业大学的胡锐(HuR,ChengGM,ZhangJQ,etal.First
principlesinvestigationonthestabilityandelasticpropertiesofNi2Cr(1-x)Mx(M=Nb,Mo,
Ta,andW)superlattices[J].Intermetallics,2013,33(2):60–66.)等人利用第一性原理的方
法研究了三元体系Ni2Cr(1-x)Mx(M=Nb,Mo,Ta,W)系列超点阵相和四元体系Ni2Cr(1-2x)WxMx(M=
Fe,Nb,Mo,Hf,Ta)系列超点阵相,计算了它们的形成能、结合能、弹性常数等,并分析
了电子结构和态密度。认为,难熔合金元素均能在不同程度上提高Ni2Cr(1-x)Mx和
Ni2Cr(1-2x)WxMx超点阵基态下的稳定性,但是上述文章并没有开展具体的合金化元素及含
量对超点阵相析出影响的工作,没能够确定影响性元素及其含量范围。
发明内容
为能够从Ni-Cr-W高温合金中析出Pt2Mo型超点阵相,以提高合金的力学性能,
本发明提出了一种能够析出Pt2Mo型超点阵相的Ni-Cr-W-Mo高温合金。
在析出Pt2Mo型超点阵相时,采用常规的真空非自耗电弧熔炼方法制备原子百分
比为Ni-25Cr-6.5W-0.7~1.7Mo成分的合金,经过1200℃/24h均匀化、1260℃/0.5h
固溶淬火的常规热处理后,在490℃~570℃能够析出5~15nm的弥散Pt2Mo型超点阵
相。
本发明提出的Ni-Cr-W-Mo高温合金的体系为:25at.%的Cr、6.5at.%的W和0.7~
1.7at.%的Mo,余量为Ni。所述的百分比均为原子百分比。
本发明人研究发现,原子百分比为Ni-25Cr-6.5W合金经过不同温度和时间时效热
处理,均无法析出Pt2Mo型等超点阵相。添加微量合金化元素Mo,其含量范围为0.7~
1.7at.%,合金经过热处理即可控制析出5~15nm的弥散Pt2Mo型超点阵相。在500~
550℃的时效温度范围内,随着温度的升高及时效时间的延长,超点阵相的析出数量增
加、颗粒尺寸增大,时效50h后超点阵相逐渐达到平衡及稳定。Mo元素及其含量范围,
是控制析出Pt2Mo型超点阵相的关键。
本发明适用于以原子百分比为Ni-25Cr-6.5W的合金为代表的Ni-Cr-W合金,具体
过程是:采用真空非自耗电弧熔炼方法制备Ni-25Cr-6.5W-0.7~1.7Mo成分的合金,经
过1200℃/24h均匀化处理、1260℃/0.5h固溶淬火处理后,将合金在500~550℃温度范
围内时效处理,即可析出弥散的Pt2Mo型超点阵相。
其主要原理为:镍基合金中超点阵的析出与合金成分及热处理工艺有密切的关系。
热力学计算表明,Mo元素属于Pt2Mo型超点阵相稳定化元素,如在镍基合金中加入适
量的Mo元素,可以提高Pt2Mo型超点阵相的固溶温度、扩大其存在相区。故在Ni-Cr-W
合金中适量添加Pt2Mo型超点阵相稳定化元素Mo,并通过一定热处理工艺,即可控制
Pt2Mo型超点阵相的析出。Pt2Mo型超点阵相通过诱导孪生变形机制,使得合金在强度
提高的同时又保持了良好的塑性。时效后析出的Pt2Mo型超点阵相对原子百分比为
Ni-25Cr-6.5W-1.7Mo合金力学性能的影响,如表1和表2所示。
综上所述,本发明通过在原子百分比为Ni-25Cr-6.5W合金中添加微量合金化元素
Mo,确定含量范围为0.7~1.7at.%,通过常用时效热处理工艺500~550℃/0.5~40h,
能够在合金中控制析出纳米级弥散分布的Pt2Mo型超点阵相。本发明适用于在不显著
降低合金塑性及抗腐蚀性能的条件下,提高合金屈服强度和抗拉强度等力学性能。
表1为原子百分比为Ni-25Cr-6.5W-1.7Moat.%合金固溶淬火后,在550℃时效,
合金显微硬度随时效时间的变化。
表1
Ni-25Cr-6.5W-1.7Mo at.%
显微硬度HV
固溶淬火态
214
550℃/10h
244
550℃/20h
322
550℃/40h
334
表2为Ni-25Cr-6.5W-1.7Mo(at.%)合金,固溶淬火态及550℃时效20h后,合金
的拉伸性能数据。
表2
附图说明
图1a为原子百分比为Ni-25Cr-6.5W-1.7Mo合金550℃/40h时效处理后[100]轴的
选区电子衍射,b为对应的暗场像。
具体实施方式
实施例一
本实施例是一种能够析出Pt2Mo型超点阵相的Ni-Cr-W-Mo高温合金。该高温合
金中添加了0.7~1.7at.%的Mo元素。本实施例中,体系的原子百分比为:25at.%的Cr、
6.5at.%的W和1.7at.%的Mo,余量为Ni。
所述添加有Mo元素的高温合金能够析出Pt2Mo型超点阵相:当Mo含量为1.7at.%
时,采用常规的真空非自耗电弧熔炼方法制备原子百分比为Ni-25Cr-6.5W-1.7Mo成分
的合金,经过1200℃/24h均匀化、1260℃/0.5h固溶淬火的常规热处理后,在490℃
时效处理40h,能够析出5~8nm的弥散Pt2Mo型超点阵相;在550℃时效处理40h,能
够析出10~15nm的弥散Pt2Mo型超点阵相;在570℃时效处理40h,能够析出10~15nm
的弥散Pt2Mo型超点阵相;图1a为550℃/40h时效处理后<100>轴的选区电子衍射,
图1b为对应的暗场像;在490~570℃范围外时效,无法析出Pt2Mo型超点阵相。
实施例二
本实施例是一种能够析出Pt2Mo型超点阵相的Ni-Cr-W-Mo高温合金。该高温合
金中添加了0.7~1.7at.%的Mo元素。体系的原子百分比为:25at.%的Cr、6.5at.%的W
和1.2at.%的Mo,余量为Ni。
所述添加有Mo元素的高温合金能够析出Pt2Mo型超点阵相:当Mo含量为1.2at.%
时,采用常规的真空非自耗电弧熔炼方法制备原子百分比为Ni-25Cr-6.5W-1.2Mo的合
金,经过1200℃/24h均匀化、1260℃/0.5h固溶淬火的常规热处理后,在490℃时效处
理40h,能够析出6~8nm的弥散Pt2Mo型超点阵相;在520℃时效处理40h,能够析出6~
9nm的弥散Pt2Mo型超点阵相;在570℃时效处理40h,能够析出6~10nm的弥散Pt2Mo型超
点阵相;在490~570℃范围外时效,无法析出Pt2Mo型超点阵相。
实施例三
本实施例是一种能够析出Pt2Mo型超点阵相的Ni-Cr-W-Mo高温合金。该高温合
金中添加了0.7~1.7at.%的Mo元素。体系的原子百分比为:25at.%的Cr、6.5at.%的W
和0.7at.%的Mo,余量为Ni。
所述添加有Mo元素的高温合金能够析出Pt2Mo型超点阵相:当Mo含量为0.7at.%
时,采用常规的真空非自耗电弧熔炼方法制备原子百分比为Ni-25Cr-6.5W-0.7Mo的合
金,经过1200℃/24h均匀化、1260℃/0.5h固溶淬火的常规热处理后,在490℃时效处
理40h,能够析出5~7nm的弥散Pt2Mo型超点阵相;在530℃时效处理40h,能够析出5~
8nm的弥散Pt2Mo型超点阵相;在570℃时效处理40h,能够析出6~8nm的弥散Pt2Mo型超
点阵相;在490~570℃范围外时效,无法析出Pt2Mo型超点阵相。