CN102653832A - 一种新型定向镍基高温合金 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属材料领域，涉及一种用于燃气轮机热端零部件的新型定向镍基高温合金。该合金的化学成分及其质量百分比为：Al 3.0～5.5％；Ti 0.5～4.0％；Cr 9.0～12.0％；Ta 5.0～7.0％；Co 7.0～10.0％；W 4.0～7.0％；Mo 1.0～3.0％；Hf0～2.0％；Re 0～4；C 0.02～0.15％；B 0.002～0.02％，余量为镍。本发明具有良好的高温强度、组织稳定性、铸造性能以及高温耐热腐蚀性能，合金900℃/5000h时效后没有TCP相析出，专利合金的900℃涂盐热腐蚀性能与DS GTD111合金接近，专利合金承温能力比DS GTD111合金高10～20℃，适于铸造定向薄壁空心铸件。
Description
技术领域
本发明属于金属材料领域，涉及一种用于燃气轮机热端零部件的一种新型定向镍基高温合金。
背景技术
要提高涡轮前进口温度和燃机性能，关键在于提高叶片的承温能力，叶片承温能力的提高取决于材料承温能力的提高和冷却技术的应用。燃气轮机涡轮叶片与航空发动机相比，燃气轮机热端零部件的工作环境要恶劣的多，地面燃机大多采用柴油或劣质燃油，含硫、钠等杂质，造成热腐蚀，对高温合金部件破坏作用大；寿命要求长，通常达几万乃至几十万小时；承受基本载荷的时间长、温度高；重型燃机热端部件尺寸大、重量大。这就要求重型燃机用合金具有良好的综合性能，包括抗高温蠕变性能、抗热腐蚀性能、铸造性能、长时组织稳定性等，而叶片尺寸大也给其铸造工艺带来了难题。
国外工业燃气轮机材料发展始于20世纪50年代，其发展经历了变形合金、无余量精密铸造合金、定向合金以及单晶合金四个阶段。从早期的变形等轴晶合金到目前最高水平的单晶合金，材料的承温能力提高了300℃。高温部件材料早期有S816、GJP450、U500、Rene80、X-40、In738、In792、In939、GTD 111、ЧС88、ЧС88y等系列等轴晶合金，随后发展的定向合金有DS GTD111、DS GTD222、DS GTD444、DS GTD141、CM186、DS In792、EX A17、MGA1400DS等，近些年还发展了PWA1483、TMS82+、CMSX-4、CMSX11B、CMSX11C、AF56等单晶合金，其中In738、DS GTD111合金分别是国外目前应用最为广泛的、最具代表性的地面燃机用等轴晶合金和定向合金。国内在70年代开始了地面燃气轮机用高温合金的研究，以仿制为主，其中最具有代表性的有等轴晶合金K438(IN738合金的仿制合金)；等轴晶K444合金(乌克兰ЧС88y合金的仿制合金)以及定向合金DZ411合金(DS GTD111合金的仿制合金)。定向凝固技术的应用使高温合金的性能进一步提高，根据美国GE公司的数据，与同材料的等轴晶叶片相比，定向叶片的蠕变使用温度提高22℃，拉伸强度提高25％，拉伸塑性改进100％，疲劳性能提高9倍，冲击强度提高33％。从制造成本角度考虑，定向制件的工艺流程相对简单、成品率高并且检测费用低，铸造成本低于单晶制件，因此定向材料在航空发动机中应用很广；尤其是地面燃气轮机，发动机尺寸大，采用单晶制件，相应制造难度和制造成本都大幅度增加。
发明内容
本发明的目的是提供一种应用于地面燃气轮机、舰船燃气轮机热端部件，在含腐蚀介质环境中使用并具有长寿命要求的一种新型定向镍基高温合金。本发明的技术解决方案是，该合金的化学成分及其质量百分比为：Al 3.0～5.5％；Ti 0.5～4.0％；Cr 9.0～12.0％；Ta 5.0～7.0％；Co 7.0～10.0％；W 4.0～7.0％；Mo 1.0～3.0％；Hf0～2.0％；Re 0～4；C 0.02～0.15％；B 0.002～0.02％，余量为镍。
本发明具有显著的优点和有益效果，本发明的主要技术方案是通过添加W、Mo、Ta、Al、Ti、Hf、B、C含量来保证合金的强度，控制Cr、Ti等对耐热腐蚀性能有益的元素含量，保证合金的耐热腐蚀性能，控制Al、Ti以及Hf的含量使合金获得良好的铸造性能，最终获得具有良好的综合性能的成分范围。本发明合金的显微组织主要由γ、γ′、MC相及少量的M23C6相组成。合金组分中加入的Ta、Mo、W等高熔点元素固溶强化了基体γ相和γ′相；Al、Ti、Hf形成的γ′相及少量的碳化物对合金进行第二相强化；C、B等元素进行晶界强化。
本发明具有良好的高温强度、良好的组织稳定性、铸造性能以及高温耐热腐蚀性能，900℃/5000h时效后合金中没有TCP相析出，合金能够铸造出最小厚度达到0.5mm的复杂空心薄壁结构制件，力学性能优于IN738(国内牌号K438)合金以及DS GTD111合金(国内牌号DZ411合金)，900℃涂盐热腐蚀条件下(Na2SO4∶NaCl＝9∶1，涂盐量0.6mg/cm2)，100h试验后合金的平均腐蚀速率小于0.5mg/cm2·h，与DSGTD111合金相近，明显优于普通航空发动机用定向镍基高温合金，如DZ125合金，平均腐蚀速率为20mg/cm2·h。本发明合金耐腐蚀性能优良，同时具有良好的高温力学性能，特别适用于先进地面燃气轮机的热端部件材料。
附图说明
图1是本发明合金与DS GTD111合金应力-Lason-Miller参数曲线。
具体实施方式
本发明是通过以下措施来实现的：
该新型定向镍基高温合金，其化学成分及其质量百分比为：Al 3.0～5.5％；Ti0.5～4.0％；Cr 9.0～12.0％；Ta 5.0～7.0％；Co 7.0～10.0％；W 4.0～7.0％；Mo 1.0～3.0％；Hf 0～2.0％；Re 0～4；C 0.02～0.15％；B 0.002～0.02％，余量为镍。
本发明采用双真空感应法冶炼，首先采用真空感应熔炼炉冶炼成分合格的母合金。母合金成分合格后，可采用熔模精密铸造法在真空感应熔炼炉内铸成燃气轮机涡轮热端部件或其它所应用的部件。
实施例一
合金的化学成分及其质量百分比为：Al：5.5％；Ti：3.0％；Cr：11.0％；Ta：7.0％；Co：9.0％；W：7.0％；Mo：3.0％；Hf：2.0％；C：0.15％；B：0.02％，余量为镍。
首先采用真空感应熔炼炉冶炼成分合格的母合金。母合金成分合格后，可采用熔模精密铸造法在真空感应熔炼炉内铸成燃气轮机涡轮热端部件。
实施例二
合金的化学成分及其质量百分比为：Al：3.0％；Ti：0.5％；Cr：9.0％；Ta：5.0％；Co：7.0％；W：4.0％；Mo：1.0％；C：0.05％；B：0.005％，余量为镍。
首先采用真空感应熔炼炉冶炼成分合格的母合金。母合金成分合格后，可采用熔模精密铸造法在真空感应熔炼炉内铸成燃气轮机涡轮热端部件。
实施例三
合金的化学成分及其质量百分比为：Al：4.0％；Ti：2.0％；Cr：10％；Ta：6％；Co：8.0％；W：6.0％；Mo：2.0％；Hf：1.0％；C：0.1％；B：0.015％，余量为镍。
首先采用真空感应熔炼炉冶炼成分合格的母合金。母合金成分合格后，可采用熔模精密铸造法在真空感应熔炼炉内铸成燃气轮机涡轮热端部件。
实施例四
合金的化学成分及其质量百分比为：Al：4.0％；Ti：2.0％；Cr：10％；Ta：6％；Co：8.0％；W：6.0％；Mo：2.0％；Hf：1.0％；Re：2.0％；C：0.1％；B：0.015％，余量为镍。
首先采用真空感应熔炼炉冶炼成分合格的母合金。母合金成分合格后，可采用熔模精密铸造法在真空感应熔炼炉内铸成燃气轮机涡轮热端部件
本发明合金为一种定向高温合金，与目前地面燃机上应用比较广泛的IN738(国内牌号K438合金)、DS GTD111合金(国内牌号DZ411合金)进行性能比较，结果显示综合性能良好。表1为上述三种合金的950℃抗氧化性能比较，表2为本专利合金与其它合金的900℃涂盐热腐蚀性能比较，表3为上述三种合金的室温拉伸性能比较，表4为上述三种合金的高温持久性能比较，图1为本发明合金与DS GTD111合金的应力-拉森-米勒参数曲线。
由图表可以看出，本发明合金具有良好的抗氧化性能和耐热腐蚀性能，合金950℃抗氧化性能优于IN738(国内牌号K438)合金以及DS GTD111合金(国内牌号DZ411合金)，合金的900℃涂盐热腐蚀性能与DS GTD111合金接近，平均腐蚀速率均在0.5mg/cm2·h以下。本发明合金的室温拉伸以及持久等力学性能明显优于IN738合金以及DS GTD111合金，其中本发明合金在相近的寿命和载荷条件下，工作温度比K438合金高出约50℃；本发明合金与DS GTD111合金应力-Lason-Miller参数曲线的对比则表明，本发明合金比DS GTD111合金的承温能力高出约10～20℃，本发明合金相比IN738(国内牌号K438)合金以及DS GTD111合金(国内牌号DZ411合金)在力学性能方面具有明显的优越性。
表1本发明合金、K438合金以及DS GTD111合金抗氧化性能
表2本发明合金与其它合金涂盐热腐蚀性能
表3本发明合金、K438合金以及DS GTD111合金室温拉伸性能
| 合金 | σb，MPa | σ0.2，MPa | δ，％ |
| 本发明合金 | 1210 | 952 | 10.2 |
| DS GTD111(DZ411) | 1115 | 977 | 7 |
| K438(IN738) | 1030 | 880 | 7.3 |
表4本发明合金、K438合金高温持久性能对比
| 合金 | 试验条件 | 持久寿命比率，％ |
| 本发明合金 | 950℃/250MPa | 100 |
| K438(IN738) | 900℃/265MPa | 84 |
Claims (3)
1.一种新型定向镍基高温合金，其特征在于：该合金的化学成分及其质量百分比为：Al 3.0～5.5％；Ti 0.5～4.0％；Cr 9.0～12.0％；Ta 5.0～7.0％；Co 7.0～10.0％；W 4.0～7.0％；Mo 1.0～3.0％；Hf 0～2.0％；Re 0～4；C 0.02～0.15％；B 0.002～0.02％，余量为镍。
2.根据权利要求1所述的一种新型定向镍基高温合金，其特征在于：该合金的化学成分及其质量百分比为：4％≤(Al+Ti)≤9％。
3.根据权利要求1所述的一种新型定向镍基高温合金，其特征在于：该合金的化学成分及其质量百分比为：10.5％≤(W+Mo+Ta)≤16％。
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| GR01 | Patent grant |