[发明专利]一种高含氧量的稀土杂化镍基高温合金、制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种高含氧量的稀土杂化镍基高温合金、制备方法及应用。该合金中氧(O)元素含量为30～1000ppm，稀土(RE)元素含量为30～2000ppm，且O/RE成分比例为1：(0.1～1)，在最终合金成品中O和RE以尺寸为0.5～50nm的富O富RE纳米颗粒形式存在。本发明重点是通过在稀土高温合金中引入高含量固溶氧和相应工艺处理，在高温合金中产生高数密度的富O富RE纳米团簇，钉扎高温合金中的位错和γ和γ’、γ”相界面以及晶界的迁移并降低元素扩散速率，在不增加合金化程度的前提下，显著提高高温合金的高温强度、蠕变寿命和抗氧化能力。该材料可应用于制备航空发动机及燃气轮机热端部件、核反应堆耐热管道等，以提高服役温度和热效率，提高服役寿命和安全性。

技术领域：

本发明属于高温合金制备技术领域，具体涉及一种高氧含量的稀土掺杂镍基高温合金、制备方法及其应用。

背景技术：

高温合金是一类在600℃以上高温及一定应力作用下长期工作的材料，具有优异的高温强度、良好的抗氧化和耐腐蚀性能，以及良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能，因此广泛应用于航空航天、核能、石油等关系国家安全和人民生命安全的重要领域。随着航空业和先进核能的快速发展，高温合金的使用温度不断提高，美国、俄罗斯、日本、中国、法国等都在加强新型高温合金的研发。高温合金按照基体元素种类分为铁基、镍基、钴基等高温合金，其中镍基高温合金在整个高温合金领域占有特殊重要的地位，服役温度可高达1100℃，广泛应用于航空喷气发动机、各种工业燃气轮机最热端部件。

镍基高温合金的特点之一是成分中含有一定量的活泼元素(Al、Ti等)，主要作用是形成Ni₃Al、Ni₃(Al,Ti)、Co₉(Al,W)等尺寸细小、数量多而且在高温下比较稳定的析出相，通过析出强化提高高温合金的高温性能。析出相的含量、尺寸和数量稳定性对镍基高温合金的高温性能有至关重要的影响。提高析出相的高温稳定性，镍基高温合金的高温性能相应提高。

现有研究表明，添加稀土(RE)元素是改善镍基高温合金高温性能的有效手段之一。在镍基高温合金中添加少量或微量RE元素，可以显著提高抗硫化性能以及高温强度和热塑性，同时还可以提高抗氧化性能以及持久寿命和疲劳寿命。如专利申请号：CN201710767155.1的文献，通过在镍基合金中添加适量的稀土La、Y元素，有效提高了镍基高温合金的抗氧化性与高温抗蠕变性等。专利申请号：CN201811465796.2的文献2添加了微量的稀土元素(Ce、Nd、Y、Sm中的一种)，获得了优异的力学性能。

稀土元素指化学元素周期表中镧系的15个元素-镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)，以及与镧系元素密切相关的元素钇(Y)和钪(Sc)，共17种元素。

稀土元素通常以加入稀土纯金属或稀土中间合金的方式加入至高温合金中。由于稀土元素的化学特性非常活泼，容易与氧、硫、氮等发生反应。因此在高温熔炼过程稀土元素的损失较大，主要包括：(1)稀土元素与大气反应而造成损失；(2)真空感应熔炼时，稀土元素与坩埚发生反应而造成损失；(3)电渣重熔时，稀土元素与氧化物渣料发生反应而造成损失，并由此导致高温合金中稀土含量波动较大，最终造成高温合金的性能不稳定。高温合金中稀土元素的含量控制具有相当的技术难度。