CN101294250A - 一种定向凝固抗热腐蚀镍基铸造高温合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种性能优异的低成本定向凝固抗热腐蚀镍基铸造高温合金，合金的化学成分范围(重量％)：C 0.04－0.09；Cr 14.5－15.3；Co 9.0－9.9；W4.7－5.9；Mo 1.6－2.3；Al 2.8－3.3；Ti 4.2－5.0；Hf 0.3－0.6；Ta 0.3－1.5；B 0.06－0.10；Y(加入量)0.015；Mn≤0.2；Si≤0.2；P≤0.008；S≤0.008；Fe≤0.5；Ni余。采用真空感应炉熔炼母合金，在液态金属冷却(LMC)炉中进行定向凝固，制备柱晶合金，定向炉真空度≤5×10－4mmHg，浇注温度1480－1570℃，抽拉速度3－15mm/min，温度梯度95－145℃/cm，液态锡温度250－350℃。本发明提供一种含Ta，而不含合金元素Re(低成本)、Nb、Zr和Ce，且组织稳定的抗热腐蚀高温合金，与ЧС88У－Ви比较，拉伸强度(σb，σ0.2)提高30％以上，塑性明显改善，在同一应力条件下，持久温度提高30℃，适于制作930℃使用的燃气轮机涡轮叶片。
Description
技术领域：
本发明涉及铸造高温合金的改进技术，具体为一种低成本定向凝固抗热腐蚀镍基铸造高温合金及其制备方法。
背景技术：
文献Паспорт ПоОплав ЧС88У-Ви(合金ЧС88У-Ви的说明书)指出，该合金技术条件(ТУ14-1-4828-90)规定的化学成分为：C 0.04-0.09％；Cr15.4-16.3％；Co 10.0-11.5％；Mo 1.6-2.3％；W 4.7-5.9％；Al 2.8-3.3％；Ti 4.2-5.0％；Nb 0.1-0.3％；Hf 0.2-0.4％；B 0.06-0.10％；Zr(加入量)0.03％；Y(加入量)0.03％；Ce(加入量)0.015％；Si≤0.3％；Mn≤0.3％；S≤0.008％；P≤0.008％；Fe≤0.5％；Ni余。
该合金采用普通精密铸造工艺制备燃气轮机涡轮叶片，组织为等轴晶，用于制作工作温度不高于900℃的涡轮动叶片。
合金的热处理工艺为：1170℃，4h，空冷+1050℃，4h，空冷+850℃，16h，空冷。
该合金主要力学性能为：
上述合金存在的不足之处在于：从力学性能来看，该合金不能适用于工作温度高于900℃的燃气轮机涡轮叶片，而且合金成本较高。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种性能优异的低成本定向凝固抗热腐蚀镍基铸造高温合金及其制备方法。
本发明的技术方案是：
一种定向凝固抗热腐蚀镍基铸造高温合金，按重量百分比计，合金成分如下：
C 0.04-0.09％；Cr 14.5-15.3％；Co 9.0-9.9％；W 4.7-5.9％；Mo 1.6-2.3％；Al2.8-3.3％；Ti 4.2-5.0％；Hf 0.3-0.6％；Ta 0.3-1.5％；B 0.06-0.10％；Y(按加入量计)≤0.015；Mn≤0.2％；Si≤0.2％；P≤0.008％；S≤0.008％；Fe≤0.5％；Ni余。
其中，合金元素Y按加入量计。高温合金中的微量有益元素(如稀土元素Y、Ce等)通常都按计算量加入，而不要求进行成分分析。这些微量元素的一部分用于脱氧和(或)脱硫，而另一部分溶入固溶体基体，并偏聚于晶界，起强化晶界作用。本发明合金中加入Y也是为了同一目的。
与ЧС88У-Ви比较，本发明合金不含Nb、Zr和Ce，含有0.3-1.5％的Ta，而ЧС88У-Ви则不含Ta。同时，本发明合金中Cr和Co的成分范围低，都在ЧС88У-Ви的成分范围的下限之外。本发明合金Cr的含量范围为14.5-15.3％，而ЧС88У-Ви为15.4-16.3％；本发明合金Co含量为9.0-9.9％，而ЧС88У-Ви为10.0-11.5％。此外，本发明合金Mn和Si的含量更低了。这样，本发明合金中TCP相的形成倾向性减小了。ЧС88У-Ви合金成分中限的Nv＝2.562，本合金为Nv＝2.431，低于出现σ相的临界电子空位数2.50。
本发明合金成分设计的思想为，加入Ta提高合金的高温强度和持久强度，因为大部分Ta溶入γ′相而强化γ′相，增加γ′相的沉淀强化效果；同时，小部分的Ta进入γ基体，起固溶强化作用，Ta代替Nb还可以改善抗热腐蚀性能，补偿由于Cr含量的适当降低而对抗热腐蚀性能带来的不利影响。而适当降低Cr和Co含量，是为了在保持良好抗热腐蚀性能的同时，降低合金的平均电子空位数，抑制σ相析出，提高合金高温长期使用的组织稳定性。不加Zr是为了消除定向凝固过程中的热裂倾向。
此外，通过工艺措施，由普通精密铸造改为定向凝固，特别是采用当前国外最先进的液态金属冷却的定向凝固工艺，不但消除了有害的横向晶界，而且使组织更加细化、均匀，平行性更好。加上采用优化的热处理制度进行热处理，使所发明的合金综合性能优异，使用温度较ЧС88У-Ви提高30℃，可以在930℃长期使用。
本发明还提供该合金的制备方法，采用真空感应炉熔炼母合金，在液态金属冷却(LMC)炉中进行定向凝固，制备定向柱晶合金，定向炉真空度≤5×10-4mmHg，浇注温度1480-1570℃，抽拉速度3-15mm/min，温度梯度95-145℃/cm，液态锡温度250-350℃。
本发明合金采用的热处理工艺为：
(1)1160-1220℃，保温2-4h，空冷至室温；
(2)1030-1120℃，保温2-4h，空冷至室温；
(3)830-880℃，保温16-24h，空冷至室温。
本发明的有益效果如下：
1、本发明提供一种含Ta，而不含合金元素Re(低成本)、Nb、Zr和Ce，且组织稳定的抗热腐蚀高温合金。与ЧС88У-Ви比较，拉伸强度(σb，σ0.2)提高30％以上，塑性明显改善，在同一应力条件下，持久温度提高30℃，适于制作930℃使用的燃气轮机涡轮叶片。
2、本发明合金是采用液态金属冷却(LMC)定向凝固工艺制备的定向柱晶合金，与ЧС88У-Ви的等轴晶截然不同。具体工艺为真空度≤5×10-4mmHg，浇注温度1480-1570℃；抽拉速度3-15mm/min；温度梯度95-145℃/cm；液态锡的温度250-350℃。
3、本发明合金的持久性能在同样情况下持久温度提高30℃。
附图说明：
图1为本发明的LMC定向凝固合金的横向和纵向组织；(a)横向，(b)纵向。
具体实施方式：
实施例1
按重量百分比计，合金成分为：C 0.07％；Cr 14.8；Co 9.5％；W 5.1％；Mo 1.8％；Al 3.1％；Ti 4.6％；Hf 0.46％；Ta 0.8％；B 0.08％；Y(加入量)0.015％；Mn 0.18％；Si 0.18％；P 0.006％；S 0.007％；Fe 0.3％；Ni余。
合金的熔炼与铸造：用25kg真空感应炉熔炼母合金，用液态金属冷却(LMC)工艺进行定向凝固，定向炉真空度≤5×10-4mmHg，浇注温度1540℃，抽拉速度10mm/min，温度梯度100℃/cm，液体锡的温度270℃。
合金的热处理制度：1170℃，保温4h，空冷+1050℃，保温4h，空冷+850℃，保温16h，空冷。
合金的主要力学性能：
室温拉伸性能：σb1320MPa；σ0.2 990MPa；δ8％；
4.0％。
持久性能：930℃，应力270MPa，持久时间τ150.5h，δ20.8％。
本发明的LMC定向凝固合金的横向和纵向组织如图1(a)和图1(b)所示，可以看出，枝晶细小且平行排列。
实施例2
按重量百分比计，合金成分为：C 0.045％；Cr 14.7；Co 9.2％；W 4.85％；Mo 1.72％；Al 2.85％；Hf 0.35％；Ti 4.35％；Ta 0.4％；B 0.07％；Y(加入量)0.015％；Mn 0.12％；Si 0.10％；P 0.006％；S 0.005％；Fe 0.2％；Ni余。
合金熔炼与铸造，用25kg真空感应炉熔炼母合金，用液态金属冷却(LMC)工艺进行定向凝固，定向炉真空度≤5×10-4mmHg，浇注温度1520℃，抽拉速度8mm/min，温度梯度95℃/cm，液态锡的温度300℃。
热处理制度为：1200℃，保温2h，空冷+1090℃，保温2h，空冷+850℃，保温24h，空冷。
合金的主要力学性能：
室温拉伸性能：σb1330MPa；σ0.2 1040MPa；δ8.0％；
9.5％。
持久性能：930℃，应力270MPa，τ117.3h。
实施例3
按重量百分比计，合金成分为：C 0.08％；Cr 15.3％；Co 9.9％；W 5.7％；Mo2.2％；Al 3.2％；Ti 4.9％；Hf 0.55％；Ta 1.3％；B 0.09％；Y(加入量)0.015％；Mn 0.19％；Si 0.18％；P 0.007％；S 0.008％；Fe 0.4％；Ni余。
合金的熔炼与铸造：用25kg真空感应炉熔炼母合金，用液态金属冷却(LMC)工艺进行定向凝固，定向炉真空度≤5×10-4mmHg，浇注温度1500℃，抽拉速度12mm/min，温度梯度110℃/cm，液态锡的温度270℃。
合金的热处理制度：1170℃，保温4h，空冷+1050℃，保温4h，空冷+850℃，保温16h，空冷。
室温拉伸性能：σb1340MPa；σ0.2 1110MPa；δ5.5％；
7.5％。
持久性能：930℃，应力270MPa，τ124.8h。
Claims (3)
1、一种定向凝固抗热腐蚀镍基铸造高温合金，其特征在于，按重量百分比计，合金成分如下：
C 0.04-0.09％；Cr 14.5-15.3％；Co 9.0-9.9％；W 4.7-5.9％；Mo 1.6-2.3％；Al2.8-3.3％；Ti 4.2-5.0％；Hf 0.3-0.6％；Ta 0.3-1.5％，B 0.06-0.10％；Y按加入量计≤0.015；Mn≤0.2％；Si≤0.2％；P≤0.008％；S≤0.008％；Fe≤0.5％；Ni余。
2、按照权利要求1所述的定向凝固抗热腐蚀镍基铸造高温合金的制备方法，其特征在于：
采用真空感应炉熔炼母合金，液态金属冷却定向凝固进行定向结晶，定向炉真空度≤5×10-4mmHg，浇注温度1480-1570℃，抽拉速度3-15mm/min，温度梯度95-145℃/cm，液态锡温度250-350℃。
3、按照权利要求2所述的定向凝固抗热腐蚀镍基铸造高温合金的制备方法，其特征在于，合金的热处理制度如下：
(1)1160-1220℃，保温2-4h，空冷至室温；
(2)1030-1120℃，保温2-4h，空冷至室温；
(3)830-880℃，保温16-24h，空冷至室温。
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