[发明专利]一种提高高温合金性能的方法

说明书

本发明属于从高温合金中去除材料以改性的方法的技术领域。

高温合金是制造飞机、舰船、工业交通上使用的燃气轮机高温部件的重要材料，近年来在宇航、核反应堆和化学工业等部门也得到了广泛应用。如何改善高温合金的抗氧化、耐腐蚀性能，提高其高温强度和使用温度是一个意义极为重要的研究课题，它一直受到各国冶金学家和设计工程师的重视。从四十年代末期开始高温合金发展很快，然而进入七十年以后在改进合金成分方面的进展就较为缓慢了，这主要是因为存在如下几个问题：

（1）目前的高温合金其成分已极为复杂，再添加合金元素，铸造时在铸件中会出现严重的偏析，如镍基高温合金，当考虑提高其高温强度要求加入更多的铝、钛等强化元素，为改善其抗热腐蚀性能要求加入更多的铬，则将引起有害的脆性相-σ相的出现，而无法使用;

（2）合金元素增多，则合金的初熔温度也会相应地有所降低。如铁镍铬基高温合金其开锻温度由于受合金初熔温度的限制，必须定在1140℃以下。在这样低的锻造温度下，由于合金变形抗力很大，当用上述合金制造燃气轮机涡轮盘时，必须相应地提高锻压设备能力和技术水平，生产成本必将会有所提高;

（3）调整合金成分，往往难于克服高温使用性能指标同加工焊接等工艺性能之间的矛盾。

总之，随着高温合金的发展，合金化程度不断提高，凝固偏析日趋严重，合金的组织结构稳定性降低，工艺性能变坏，阻碍了合金的进一步发展，因此，减少凝固偏析和抑制有害相的析出是一个重大课题。

本发明的发明人在研究高温合金相结构及相变规律的基础上，发现了磷对高温合金的固液间两相区大小、合金元素的偏析及有害相的析出等均有较明显的影响，并对锆、硼等元素在高温合金中的作用也有新的认识。具体地说：

（一）现有的国内外各种牌号的高温合金对于含磷量均未提出特殊的控制指标，即便有偶尔提到含磷量的资料，一般也仅标注其含磷量（以重量百分比计）在0.005～0.1之间。另一方面，纵观国内外学者所报导的关于微量元素（包括杂质）对高温合金性能的影响方面的研究工作，他们也仅讨论过有害的铅、砷、铋、锑、硫、硅和有益的镁、钇、硼、碳等元素，并未注意到磷在高温合金中的作用。

（二）锆过去被看成是晶界强化元素，有利于提高高温合金的性能;但我们发现锆也是使高温合金产生严重偏析的原因之一，而其晶界强化效应事实上却并不明显，在高温“合金”中加锆实属有害无益;故我们在过去以加入锆作强化元素的高温合金中去除锆，结果使合金性能有显著改善。

本发明的目的是要在上述物理冶金学研究的基础上，提出一种有效地提高高温合金的初熔温度、减少合金元素偏析、抑制有害相析出并改善合金工艺性能的方法。

本发明提供了一种用控制合金中的磷含量、硼含量和去除锆来有效地提高高温合金初熔温度、减少偏析、抑制有害相析出并改善合金工艺性能的方法，其特征在于：将现有的高温合金中的含磷量降低（以重量百分数计算，下同）到0.001以下;对于镍基高温合金来说其含磷量应降低到0.0005以下。本发明提供的方法，对于现有的以锆作为晶界强化机制的高温合金来说，除了将含磷量降低到0.0005以下外，其特征在于去除锆。按本发明的方法可以提供出一系列的低偏析高温合金，它们均具有很好的性能，如对于铁镍铬基变型高温合金GH901合金（类似于IN901合金）来说，采用本发明的方法，其初熔温度可从1140℃提高到1260℃，故开锻温度可提高到1190～1225℃，在这一温度下可以方便地采用精密模锻工艺，锻件的持久和拉伸性能不变，但合金料的有效利用率大为提高;对于铸造高温合金来说，在控制有害相析出的前提下，可将现有牌号的合金中的铝、钛的含量再提高1，而合金的抗热腐蚀性能不变，从比较100小时持久强度数据来看，高温力学性能有明显的提高。不仅如此，对于低磷铸造镍基合金来说，也可将其含铬量再提高4，而使合金的抗高温氧化、抗热腐蚀性能有明显的提高。