一种镍基耐蚀合金及其加工方法

技术领域

本发明涉及镍基合金生产技术领域，具体涉及一种镍基耐蚀合金及其加工方法。

背景技术

镍基合金由于具有优异的高温力学性能、耐腐蚀性能，在石油化工、关键装备等领域广泛应用，是经济建设和国防军工不可或缺的一类极其重要的材料。但是，由于镍基合金中含有大量的Ni、Mo、Co、Nb、Cu等贵金属合金元素，因此镍基合金造价高、全工序成材率低，在一定程度上也限制其大量使用与推广。

如何降低镍基合金的造价，同时提高镍基合金的耐蚀性能，成为目前亟需解决的问题。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的镍基耐蚀合金及其加工方法。

具体来说，本发明是通过如下技术方案实现的：

一种镍基耐蚀合金，按照重量百分比计，包括：C≤0.03％；Si≤0.5％；Mn≤0.5％；P≤0.02％；S≤0.01％；Cr 22.0％～28.0％；Mo 9.0％～12.0％；Al≤0.2％；Ti≤0.2％；N0.07％～0.25％；Fe≤6％；余量为Ni和不可避免的杂质。

可选地，Al和Ti的含量满足Al+Ti≤0.25％。

可选地，Mo、C和N的含量满足Mo/(8×(C+N))≥5。

可选地，Mo和Cr的含量满足Mo+Cr≥33％。

可选地，按照重量百分比计，包括：C≤0.01％；Si≤0.2％；Mn≤0.11％；P≤0.007％；S≤0.001％；Cr 25.8％～26.1％；Mo 9.8％～10.2％；Al≤0.11％；Ti≤0.05％；N0.081％～0.21％；Fe≤4.4％；余量为Ni和不可避免的杂质。

一种镍基耐蚀合金的制造方法，包括：

(1)冶炼坯料；

(2)锻造与轧制：坯料的加热温度是1170～1220℃，终锻或终轧的温度≥850℃；

(3)热处理：成品热处理的温度是980～1200℃。

可选地，在步骤(1)中，冶炼方式是VIM+ESR、VIM+VAR、电炉+AOD、中频炉+AOD、电炉+VOD、中频炉+VOD中任意一种。

可选地，在步骤(3)中，成品热处理的温度是980～1020℃。

可选地，在步骤(3)中，成品热处理的温度是1150～1200℃。

相比于现有技术，本发明的镍基耐蚀合金及其加工方法，至少具有如下有益效果：

本发明的镍基耐蚀合金具有优异的抗腐蚀性能，另外，由于减少了贵金属的使用，从而降低了生产成本。

具体实施方式

为了充分了解本发明的目的、特征及功效，通过下述具体实施方式，对本发明作详细说明。本发明的工艺方法除下述内容外，其余均采用本领域的常规方法或装置。下述名词术语除非另有说明，否则均具有本领域技术人员通常理解的含义。

针对目前镍基合金存在的成本与性能方面的缺陷，本发明的发明人对镍基合金的成分设计与生产工艺进行了深入的研究，从而提出了一种镍基耐蚀合金及其加工方法。

第一方面，本发明提供了一种镍基耐蚀合金，按照重量百分比计，包括：C≤0.03％；Si≤0.5％；Mn≤0.5％；P≤0.02％；S≤0.01％；Cr 22.0％～28.0％；Mo9.0％～12.0％；Al≤0.2％；Ti≤0.2％；N 0.07％～0.25％；Fe≤6％；余量为Ni和不可避免的杂质。

作为一种优选的实施方案，本发明的镍基耐蚀合金，按照重量百分比计，包括：C≤0.01％；Si≤0.2％；Mn≤0.11％；P≤0.007％；S≤0.001％；Cr 25.8％～26.1％；Mo 9.8％～10.2％；Al≤0.11％；Ti≤0.05％；N 0.081％～0.21％；Fe≤4.4％；余量为Ni和不可避免的杂质。

本发明的发明人通过对镍基合金的元素组成进行优化设计，从而使各元素之间产生协同作用，具体如下：

C在此镍基合金中属于残余元素。加入的C含量过高(即超过0.03％)，C会与合金中的Mo、Ti元素结合形成析出物，从而使性能降低。因此，C含量控制在≤0.03％。

Si在此镍基合金中属于有害元素，会促进有害相析出。当Si含量大于0.5％时，晶界会析出含Si有害析出相，从而弱化晶界强度，导致开裂。因此，Si含量控制在≤0.5％。

Mn在此镍基合金中属于有害元素，会降低腐蚀性能，因此，Mn含量控制在≤0.5％。此外，Mn的适当添加，起到固溶强化作用，同时改善夹杂物形貌。当Mn含量过低时(即低于0.2％)，强化作用不显著。但是，加入的Mn含量过高(即超过0.5％)，会使合金的热塑性降低，从而引起锻造裂纹。因此，Mn含量优选控制在0.2％～0.5％。

Fe在此镍基合金中为合金化元素，主要起到降低成本的目的。但是当其含量过高时，会降低合金的腐蚀性能。因此，Fe的含量控制在≤6.0％。

Cr在此镍基合金中是不可缺少的合金化元素，起到固溶强化、提升综合腐蚀性能的作用。Cr在γ基体中十分重要的作用是形成Cr

Mo在此镍基合金中是固溶强化元素，具有抗点蚀特性。当Mo含量高于12％时，会与N和C元素形成碳化物，降低腐蚀性能。当Mo含量低于9％时，其抗点蚀作用不能完全发挥。因此，Mo含量控制在9％～12％。

N在此镍基合金中是主要的合金化元素，起到提升强度、降低成本、提升腐蚀性能作用。当N小于0.07％时，其对腐蚀性能的贡献不明显。当N大于0.25％时，会与Cr元素作用，形成CrN析出物，降低合金腐蚀性能，并且其热加工塑性急剧降低，难以成型。因此，N含量控制在0.07％～0.25％。

Al和Ti会与N元素形成有害析出物，因此在此合金中作为残余元素控制。

进一步优选地，Al和Ti的含量满足Al+Ti≤0.25％。由于合金设计体系中含有较高的N元素，因此需限制强氮化物形成元素的含量，以免形成大量的氮化物，影响加工及使用性能。发明人通过研究发现，当元素Al和Ti的含量之和满足Al+Ti≤0.25％时，能够有效地避免形成大量的氮化物。

进一步优选地，Mo、C和N的含量满足Mo/(8×(C+N))≥5。发明人通过研究发现，Mo元素会与C和N元素相结合形成析出物，从而消耗部分Mo元素，为了确保合金中以固溶状态存在的Mo元素能够达到足够的抗点蚀作用，需要使Mo、C和N的含量满足Mo/(8×(C+N))≥5。

进一步优选地，Mo和Cr的含量满足Mo+Cr≥33％。发明人通过研究发现，通过使Mo和Cr的含量满足Mo+Cr≥33％，并结合上述的其他元素设计，能够使本发明的镍基合金发挥优异的综合腐蚀性能。

第二方面，本发明提供了一种镍基耐蚀合金的制备方法，包括：冶炼坯料、锻造与轧制以及热处理的步骤。

作为一种优选的实施方案，冶炼坯料的步骤可以采用VIM+ESR、VIM+VAR、电炉+AOD、中频炉+AOD、电炉+VOD、中频炉+VOD中任意一种方式进行。

其中，VIM是指真空感应熔炼，即在真空条件下，利用电磁感应，在金属导体内产生涡流加热炉料来进行熔炼的方法。ESR是指电渣重熔，即利用电流通过熔渣时产生的电阻热作为热源进行熔炼的方法，是电流通过液态渣池渣阻热，将金属电极熔化，熔化的金属汇集成熔滴，滴落时穿过渣层进入金属熔池，然后于水冷结晶器中结晶凝固成钢锭。VAR是指真空自耗电弧熔炼，即在真空状态下，利用直流电源在电极与放置于水套中的铜坩埚底板之间产生电弧，电弧加热产生高热，熔化电极，电极不断下降溶化，在水冷铜坩埚内形成熔池，熔化的金属完成速凝、结晶、凝固成锭。AOD，即AOD炉法，具体指的是氩氧脱碳法。VOD，即VOD炉法，也就是在真空条件下吹氧脱碳并吹氩搅拌进行生产的炉外精炼技术。前述这些冶炼方法属于常规冶炼方式，本领域技术人员可根据自身工艺装备情况选择。

作为一种优选的实施方案，在锻造与轧制的步骤中，坯料的加热温度是1170～1220℃，例如，1170℃、1175℃、1180℃、1185℃、1190℃、1195℃、1200℃、1205℃、1210℃、1215℃、1220℃等，发明人通过研究发现，在此温度加热可以使镍基合金中的析出物完全回溶，组织充分调整，抗力降低，塑性增加，利于变形。终锻或终轧的温度≥850℃，例如，850℃、900℃、950℃或更高。发明人通过研究发现，如果低于此温度，则合金变形抗力急剧上升，并且易产生裂纹。

作为一种优选的实施方案，在热处理步骤中，成品热处理的温度是980～1200℃。作为一种更优选的实施方案，在热处理步骤中，成品热处理的温度是980～1020℃(即制度1)，例如，980℃、990℃、1000℃、1010℃、1020℃等。借助于该温度范围，并结合其他步骤的参数以及合金的元素设计，能够使镍基合金获得较高的力学性能及腐蚀性能。作为一种更优选的实施方案，在热处理步骤中，成品热处理的温度是1150～1200℃(即制度2)，例如，1150℃、1160℃、1170℃、1180℃、1190℃、1200℃等。借助于该温度范围，并结合其他步骤的参数以及合金的元素设计，能够使镍基合金获得良好的耐蠕变断裂及腐蚀性能。

除上述工艺步骤与参数之外，镍基耐蚀合金制备过程中涉及的其他步骤参数可以采用常规的方式进行，在实际生产过程中，本领域技术人员可以根据需要进行合理的选择，此处不做赘述。

通过对镍基合金的元素组成进行优化设计，并配合合理的制备方法，从而在降低镍基合金成本的同时还提高了镍基合金的力学性能和耐腐蚀性能。

实施例

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。

下述实施例中各参数的检测方法如下：

力学性能(屈服强度、抗拉强度和伸长率)：根据ASTM A370进行检测。

耐腐蚀性能：分别采用ASTM A262-C法，ASTM A262-B法，ASTM G48A法(50℃)的方式进行检测。

其中，ASTM A262-C法和ASTM A262-B法主要用于检测耐晶间腐蚀性能，ASTM G48A法(50℃)主要用于检测耐点蚀性能。

点蚀指数PREN：按照％Cr+3.3×％Mo+16×％N计算，其中，％Cr、％Mo、％N分别表示元素Cr、Mo、N的重量百分含量。点蚀指数PREN是一个基本评判标准，耐蚀性还与组织性能有关，但是点蚀指数是基本条件。通常PREN值越高，抗点蚀性能越好。具有较高的PREN值的合金表现出比PREN值低的合金更耐局部腐蚀。

实施例1

本实施例的镍基耐蚀合金的组成(重量％)如下：

C 0.01％；Si 0.2％；Mn 0.1％；P 0.007％；S 0.001％；Cr 25.8％；Mo 9.8％；Al0.1％；Ti 0.04％；N 0.081％；Fe 4.4％；余量为Ni和不可避免的杂质。其中，Al+Ti＝0.14％；Mo/(8×(C+N))＝13.46；Mo+Cr＝35.6％。

本实施例的制备方法如下：

(1)采用VIM+ESR冶炼得到坯料。

(2)对坯料进行轧制，坯料加热温度1180℃，终轧温度900℃。

(3)轧制板材厚度10mm，热处理温度是1000℃，时间是25min，随后水冷。

对板材的性能进行测试，结果如表1所示。

实施例2

本实施例的镍基耐蚀合金的组成(重量％)如下：

C 0.01％；Si 0.05％；Mn 0.08％；P 0.007％；S 0.001％；Cr 26.1％；Mo 10.2％；Al 0.11％；Ti 0.03％；N 0.15％；Fe 4.2％；余量为Ni和不可避免的杂质。其中，Al+Ti＝0.14％；Mo/(8×(C+N))＝7.97；Mo+Cr＝36.3％。

本实施例的制备方法如下：

(1)采用VIM+VAR冶炼得到坯料。

(2)对坯料进行轧制，坯料加热温度1200℃，终轧温度910℃。

(3)轧制板材厚度12mm，热处理温度是1000℃，时间是30min，随后水冷。

对板材的性能进行测试，结果如表1所示。

实施例3

本实施例的镍基耐蚀合金的组成(重量％)如下：

C 0.01％；Si 0.1％；Mn 0.11％；P 0.006％；S 0.001％；Cr 26.0％；Mo 10.1％；Al 0.08％；Ti 0.05％；N 0.21％；Fe 3.5％；余量为Ni和不可避免的杂质。其中，Al+Ti＝0.13％；Mo/(8×(C+N))＝5.74；Mo+Cr＝36.1％。

本实施例的制备方法如下：

(1)采用VIM+ESR冶炼得到坯料。

(2)对坯料进行轧制，坯料加热温度1200℃，终轧温度900℃。

(3)轧制板材厚度16mm，热处理温度是1180℃，时间是35min，随后水冷。

对板材的性能进行测试，结果如表1所示。

表1

注：上述“625合金”是指牌号是inconel 625的镍基合金。关于625合金的性能，括弧内代表采用制度2时的性能。

从表1的数据可以看出，本发明的各实施例的镍基合金除了具有优异的力学性能之外，还实现了优异的耐腐蚀性能。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的替代、修饰、组合、改变、简化等，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。