本發(fā)明涉及合金材料，尤其涉及一種Ni-Cr-Mo-W-Nb-Al-Ti系高溫合金材料、其制備方法及其應用。
背景技術：
在航空技術領域，航空發(fā)動機的熱部件中，葉片材料的使用條件最為苛刻。
渦輪葉片是燃氣輪機的關鍵部件，為了提高發(fā)動機的效率，必須不斷提高渦輪燃氣進口溫度。一般葉身部分的溫度達650℃以上，甚至高達980℃，葉根部分的溫度也高達700℃以上。而且渦輪葉片承受氣動力和離心力的作用，產(chǎn)生拉應力和彎曲應力，同時燃氣流的高速脈沖，使葉片產(chǎn)生震動應力。葉身部分承受的拉應力平均為140Mpa，葉根部分承受的拉應力達280Mpa以上，因此葉片材料要有足夠的高溫拉伸強度、持久強度和蠕變強度，此外還要有良好的機械疲勞、熱疲勞性能、抗氧化性能、抗熱腐蝕性能、組織穩(wěn)定性能和一定的塑性。
傳統(tǒng)的高溫蒸汽渦輪等部件采用Rene41合金材料，但由于其較低組織穩(wěn)定性能和塑性，較大的降低了上述部件的使用壽命。
在新研發(fā)出的耐高溫發(fā)動機合金材料中，部分在1000℃下的抗拉強度可達到800MPa，然而其持久壽命有限且不具備良好的抗氧化性能，極大的限制了其實際的應用。
技術實現(xiàn)要素：
針對現(xiàn)有技術的缺點，本發(fā)明的目的之一在于提供一種在高溫條件下具有優(yōu)異機械強度、較長持久壽命和優(yōu)異抗氧化性的合金材料。按重量百分比計，所述高溫合金材料的化學組成為：
C≤0.08；Cr 14.0～16.0；Mo 2.75～3.25；W 2.75～3.25；Nb+Ta2.75～3.25；Al 0.3～0.6；Ti 0.4～0.7；Fe 5.0～9.0；Zr 0.01～0.05；B0.003～0.008；Mg0.01～0.05；Mn≤0.75；P≤0.01；Si≤0.04；S≤0.01，余量為Ni及不可避免的雜質(zhì)元素。
優(yōu)選的，按重量百分比計，所述高溫合金材料的化學組成為：
C≤0.08；Cr 14.5～15.5；Mo 2.75～3.25；W 2.75～3.25；Nb+Ta2.75～3.25；Al 0.3～0.6；Ti 0.5～0.6；Fe 5.0～9.0；Zr 0.01～0.05；B0.003～0.008；Mg0.01～0.05；Mn≤0.75；P≤0.01；Si≤0.04；S≤0.01，余量為Ni及不可避免的雜質(zhì)元素。
優(yōu)選的，按重量百分比計，所述高溫合金材料的化學組成為：
C≤0.08；Cr 14.0～16.0；Mo 2.75～3.25；W 3.00～3.15；Nb+Ta2.75～3.25；Al 0.3～0.6；Ti 0.4～0.7；Fe 6.0～8.0；Zr 0.01～0.05；B0.003～0.008；Mg0.01～0.05；Mn≤0.75；P≤0.01；Si≤0.04；S≤0.01，余量為Ni及不可避免的雜質(zhì)元素。
本發(fā)明的另一個目的在于提供制備上述合金材料的方法，該方法包括如下步驟：
(1)按組分比例稱量原料，然后進行熔煉，熔煉溫度1450～1470℃，溶液澆注成自耗電極；
(2)將步驟(1)所得的自耗電極進行重熔精煉，重熔成電渣錠；
(3)將步驟(2)所得的電渣錠加熱至1240～1260℃，保溫3～5小時，開鍛溫度≥1200℃，停鍛溫度≥1010℃；
(4)鍛后空冷至室溫，再進行表面處理；
(5)熱處理：980～1150℃固溶，空冷，即制得所需合金材料。
步驟(1)中，熔煉時在真空感應爐中進行。
步驟(2)在真空自耗爐中進行。
本發(fā)明的另外一個目的在于提供上述合金在動力裝置上的應用，特別是在高壓蒸汽渦輪上的應用。
本發(fā)明的有益效果：
如本發(fā)明的實驗例所示，本發(fā)明所得合金在1050℃下，抗拉強度可達到1080-1150MPa。值得一提的是，本發(fā)明相對于現(xiàn)有的耐高溫合金而言，除了具有更優(yōu)秀的機械性能，更重要的是具有更為優(yōu)異的持久壽命；同時，本發(fā)明所得合金的抗氧化性能也十分的優(yōu)異，750℃下的氧化增重速度僅為0.5～0.7mg/m2·hr。
具體實施方式
下面通過實施例對本發(fā)明進行具體描述，有必要在此指出的是以下實施例只是用于對本發(fā)明進行進一步的說明，不能理解為對本發(fā)明保護范圍的限制，該領域的技術熟練人員根據(jù)上述發(fā)明內(nèi)容所做出的一些非本質(zhì)的改進和調(diào)整，仍屬于本發(fā)明的保護范圍。
實施例1
合金的成分為：
C 0.08；Cr 14.0；Mo 2.75；W 2.75；Nb+Ta 2.75；Al 0.3；Ti 0.4；Fe 5.0；Zr 0.01；B0.003；Mg0.01；Mn 0.75；P 0.01；Si 0.04；S 0.01，余量為Ni及不可避免的雜質(zhì)元素。
(1)按上述合金成分進行配料，然后在真空感應爐中進行熔煉，熔煉溫度1450～1470℃，溶液澆注成自耗電極；
(2)將步驟(1)所得的自耗電極再真空自耗爐中進行重熔精煉，重熔成電渣錠；
(3)將步驟(2)所得的電渣錠加熱至1240～1260℃，保溫3～5小時，開鍛溫度≥1200℃，停鍛溫度≥1010℃；
(4)鍛后空冷至室溫，再進行表面處理；
(5)熱處理：980～1150℃固溶，空冷，即制得所需合金材料。
實施例2
合金的成分為：
C 0.07；Cr 16.0；Mo 3.25；W 3.25；Nb+Ta 3.25；Al 0.6；Ti 0.7；Fe 9.0；Zr 0.05；B 0.008；Mg 0.05；Mn 0.65；P 0.005；Si 0.03；S 0.005，余量為Ni及不可避免的雜質(zhì)元素。
(1)按上述合金成分進行配料，然后在真空感應爐中進行熔煉，熔煉溫度1450～1470℃，溶液澆注成自耗電極；
(2)將步驟(1)所得的自耗電極再真空自耗爐中進行重熔精煉，重熔成電渣錠；
(3)將步驟(2)所得的電渣錠加熱至1240～1260℃，保溫3～5小時，開鍛溫度≥1200℃，停鍛溫度≥1010℃；
(4)鍛后空冷至室溫，再進行表面處理；
(5)熱處理：980～1150℃固溶，空冷，即制得所需合金材料。
實施例3
合金的成分為：
C 0.08；Cr 14.5；Mo 3.00；W 3.00；Nb+Ta 3.00；Al 0.4；Ti 0.5；Fe 7.0；Zr 0.01；B 0.004；Mg 0.02；Mn 0.55；P 0.005；Si 0.02；S 0.005，余量為Ni及不可避免的雜質(zhì)元素。
(1)按上述合金成分進行配料，然后在真空感應爐中進行熔煉，熔煉溫度1450～1470℃，溶液澆注成自耗電極；
(2)將步驟(1)所得的自耗電極再真空自耗爐中進行重熔精煉，重熔成電渣錠；
(3)將步驟(2)所得的電渣錠加熱至1240～1260℃，保溫3～5小時，開鍛溫度≥1200℃，停鍛溫度≥1010℃；
(4)鍛后空冷至室溫，再進行表面處理；
(5)熱處理：980～1150℃固溶，空冷，即制得所需合金材料。
實施例4
合金的成分為：
C 0.08；Cr 15.5；Mo 3.00；W 3.00；Nb+Ta 3.00；Al 0.6；Ti 0.6；Fe 9.0；Zr 0.03；B0.003；Mg 0.05；Mn 0.75；P 0.01；Si 0.04；S 0.01，余量為Ni及不可避免的雜質(zhì)元素。
(1)按上述合金成分進行配料，然后在真空感應爐中進行熔煉，熔煉溫度1450～1470℃，溶液澆注成自耗電極；
(2)將步驟(1)所得的自耗電極再真空自耗爐中進行重熔精煉，重熔成電渣錠；
(3)將步驟(2)所得的電渣錠加熱至1240～1260℃，保溫3～5小時，開鍛溫度≥1200℃，停鍛溫度≥1010℃；
(4)鍛后空冷至室溫，再進行表面處理；
(5)熱處理：980～1150℃固溶，空冷，即制得所需合金材料。
實施例5
合金的成分為：
C 0.08；Cr 15.0；Mo 3.00；W 3.00；Nb+Ta 3.00；Al 0.6；Ti 0.55；Fe 9.0；Zr 0.03；B0.003；Mg 0.05；Mn 0.75；P 0.01；Si 0.04；S 0.01，余量為Ni及不可避免的雜質(zhì)元素。
(1)按上述合金成分進行配料，然后在真空感應爐中進行熔煉，熔煉溫度1450～1470℃，溶液澆注成自耗電極；
(2)將步驟(1)所得的自耗電極再真空自耗爐中進行重熔精煉，重熔成電渣錠；
(3)將步驟(2)所得的電渣錠加熱至1240～1260℃，保溫3～5小時，開鍛溫度≥1200℃，停鍛溫度≥1010℃；
(4)鍛后空冷至室溫，再進行表面處理；
(5)熱處理：980～1150℃固溶，空冷，即制得所需合金材料。
實施例6
合金的成分為：
C 0.08；Cr 14.0；Mo 2.75；W 3.00；Nb+Ta 2.75；Al 0.6；Ti 0.7；Fe 6.0；Zr 0.02；B0.007；Mg0.04；Mn 0.45；P 0.01；Si 0.04；S 0.01，余量為Ni及不可避免的雜質(zhì)元素。
(1)按上述合金成分進行配料，然后在真空感應爐中進行熔煉，熔煉溫度1450～1470℃，溶液澆注成自耗電極；
(2)將步驟(1)所得的自耗電極再真空自耗爐中進行重熔精煉，重熔成電渣錠；
(3)將步驟(2)所得的電渣錠加熱至1240～1260℃，保溫3～5小時，開鍛溫度≥1200℃，停鍛溫度≥1010℃；
(4)鍛后空冷至室溫，再進行表面處理；
(5)熱處理：980～1150℃固溶，空冷，即制得所需合金材料。
實施例7
合金的成分為：
C 0.08；Cr 16.0；Mo 3.25；W 3.15；Nb+Ta 2.75；Al 0.5；Ti 0.6；Fe 8.0；Zr 0.03；B 0.005；Mg 0.02；Mn 0.75；P 0.01；Si 0.04；S 0.01，余量為Ni及不可避免的雜質(zhì)元素。
(1)按上述合金成分進行配料，然后在真空感應爐中進行熔煉，熔煉溫度1450～1470℃，溶液澆注成自耗電極；
(2)將步驟(1)所得的自耗電極再真空自耗爐中進行重熔精煉，重熔成電渣錠；
(3)將步驟(2)所得的電渣錠加熱至1240～1260℃，保溫3～5小時，開鍛溫度≥1200℃，停鍛溫度≥1010℃；
(4)鍛后空冷至室溫，再進行表面處理；
(5)熱處理：980～1150℃固溶，空冷，即制得所需合金材料。
實驗例
(1)對實施例1-7所得合金進行1050℃下抗拉強度測試，結果如表1所示。
表1
(2)對實施例1-7所得合金進行750℃下抗氧化性能測試，測試是于高溫靜態(tài)空氣中進行，結果如表2所示。
表2
注：表2中氧化增重速度的單位為mg/m2·hr。
其中，對照組合金的成分為：C 0.265％，Mn 2.18％，Si 0.54％，Cr 18.7％，Mo 9.3％，W 3.68％，Al 0.28％，Cu 0.21％，F(xiàn)e 6.5％，B 1.05％，Ti 3.33％，Co 6.81％，Zr 0.16％，Nb 1.21％，余量為Ni及不可避免的雜質(zhì)；制備方法如本發(fā)明實施例1。
(3)對實施例1-7所得合金進行300℃和750℃下持久壽命的測試，結果如表3所示。
其中，對照組合金的成分為：C 0.265％，Mn 2.18％，Si 0.54％，Cr 18.7％，Mo 9.3％，W 3.68％，Al 0.28％，Cu 0.21％，F(xiàn)e 6.5％，B 1.05％，Ti 3.33％，Co 6.81％，Zr 0.16％，Nb 1.21％，余量為Ni及不可避免的雜質(zhì)；制備方法如本發(fā)明實施例1。