[发明专利]一种低膨胀抗氧化Ni-Fe-Cr基高温合金及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于金属结构材料领域，具体涉及一种低膨胀抗氧化Ni-Fe-Cr基高温合金及其制备方法。

背景技术

金属及合金的热膨胀是晶格点阵的非协调振动所致。普通金属材料的体积是随温度的上升而几乎直线性地膨胀，在20℃至800℃间，就线膨胀系数α而言，铁素体耐热钢通常约为10～14×10^-6/℃，Ni基高温合金约为12～16×10^-6/℃，Fe-Ni基高温合金约为14～17×10^-6/℃，奥氏体钢约为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胀或常膨胀系数，而被称为低膨胀合金。从最早的商用低膨胀Fe-Ni合金(Fe-36%Ni，Invar合金)，Fe-Ni-Co(国际合金牌号IN9XX，国内合金牌号GH9XX)系列低膨胀合金，到Ni-Co-Fe系列低膨胀合金及最近开发的Thermo-Span、In738、Haynes242和USC141低膨胀合金，人们一直通过调整合金成分来研发能满足在不同温度下所需的各种低膨胀合金。近来，随着航空和能源领域的迅速发展，促生了高温低膨胀合金及其快速发展。目前，高温低膨胀合金被广泛用于制作燃气轮机和蒸气涡轮的密封环、轴、机匣、叶片、紧固件和其它在一定的高温环境中要求尺寸近似恒定的结构部件。

以往的研究表明，低膨胀合金的高温抗氧化性能差会严重影响它的使用温度范围，低热膨胀性和高抗氧化性是低膨胀高温合金中的一对矛盾，相互影响并制约着高温低膨胀合金的发展。

为了使合金保持较低的低膨胀系数，早期开发的低膨胀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较差，如专利US4200459、US5192497、特许公开昭54-90013、特开平5-70894、合金IN907、IN909和HRA929等。为了提高此类合金的抗氧化性能，人们试图加Cr、Al等元素，如专利US4006012、CN1053094A、US4200459、CN1053094A、CN102485930A、特原2007-225702、特原2010-95940等。改进型低膨胀合金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量的增加虽然改善了合金的抗氧化性能，但也增加了使合金保持高温低膨胀性的设计难度，因为Cr的加入将导致合金热膨胀系数随温度提高而大幅增加。另外，研究结果也表明，在Fe-Ni-Co系列合金中，提高合金Co/Ni比例可以进一步降低合金的热膨胀系数，如IN907和IN909合金中的Co/Ni比约为0.34，HRA929和HR929C增加到约0.7，而近期研发的IN783和Thero-Span更进一步增加到约1.2，Co在合金中的含量已超过Ni，大幅增加了合金的成本。80年代末，美国Haynes公司研发了一种含低Co(2%)高Mo(25%)高Cr(8%)的高温低膨胀Ni-Mo-Cr合金，Hayness242合金，合金在20℃和750℃之间的热膨胀系数约为14×10^-6/℃；日本日立金属公司在2007年也研发出一种含高Mo(10%)高Cr(20%)不含Co的高温低膨胀Ni-Mo-Cr合金，合金在20℃和750℃之间的热膨胀系数和Haynes242相当，但过高的Mo含量对合金热腐蚀性能产生不利影响。目前，为满足现代航空和能源领域的需求，研发出具有较低高温热膨胀系数和较高综合性能的合金仍是一项十分艰巨的工作。

发明内容

本发明的目的是针对现有的高温低膨胀合金材料存在的热成形性差、高温强度低、抗氧化和热腐蚀性能差和价格昂贵等缺点，提出了一种高温强度和抗氧化性能优异，加工性能和性价比好的低膨胀抗氧化Ni-Fe-Cr基高温合金及其制备方法。

为达到上述目的，本发明的低膨胀抗氧化Ni-Fe-Cr基高温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，余量为Ni。

所述的稀土元素RE采用Y、Ce或La。

本发明的制备方法包括以下步骤：