CN104988357A - 超超临界汽轮机用镍基合金材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超超临界汽轮机用镍基合金材料,其具有如下化学成分及质量百分比C：0.03-0.09%，Cr：18-23%，Al：1.8-3.2%，Ti：1.5-2.7%，Co:12-15%，Mo:3.4-4.8%，B≤0.01%，Mg≤0.01%，Zr≤0.1%，P≤0.02%，S≤0.01%，其余为Ni和不可避免的杂质，且该合金材料的Al+Ti含量和Ti/Al比例满足：4.0%≤Al+Ti≤5.5%和0.5≤Ti/Al≤1.8。该镍基合金材料具有优良的高温长时组织稳定性，其高温长时时效后硬度下降缓慢，可应用于先进超超临界汽轮机等的叶片制造，以及其它需要耐高温氧化、抗蠕变和高强度等领域。

Description

超超临界汽轮机用镍基合金材料

技术领域

本发明涉及一种先进超超临界汽轮机用镍基合金材料，属高温合金新材料技术领域。

背景技术

为了节约能源，建设资源节约型和环境友好型社会，减少CO2排放量，满足环境保护的要求。因此，大容量、高参数的超超临界机组代表了未来电站锅炉发展的趋势，同时随着超超临界机组的发展也必将带动和迫切需要高温合金的发展。近几年来，为了提高热效率，国内外都在积极开发在更高温度和更高压力下运行的高温合金，而我国高温合金材料已成为发展超超临界机组的制约因素。

超超临界汽轮机功率的不断提高，是靠不断提高涡轮入口温度来实现的，需要采用承温能力更高的高温合金。镍基合金是高温合金中的一大类，主要以面心立方结构的γ相为基体，通过时效后析出与γ相共格的γ′-Ni3(Al, Ti)相，起到沉淀强化作用。镍基合金在高温下有优异的抗蠕变性能和持久强度，广泛的应用于航空、航天、石油化工和能源等领域。镍基合金中常见的合金元素有Ni、Cr、Al、Ti、Nb等。Ni在元素周期表中是28号元素，具有面心立方结构，具有较好的韧性和塑性；从室温到高温没有同素异构转变，始终保持面心立方晶体结构；并且由于Ni原子的第三电子层基本上被填满，可以溶解较多的合金元素进行合金化，而仍然保持奥氏体相得稳定性；此外Ni具有较低的扩散系数。Cr是镍基合金中不可缺少的合金元素，除了少量Cr进入γ′相，还有少量形成碳化物，其余大部分溶解于γ基体中，引起晶格畸变，产生弹性应力场，起到固溶强化的作用，提高高温持久强度；同时在晶界上析出的碳化物与γ基体相之间存在一定的位向关系，阻碍了位错的运动，起到了晶界强化的作用；此外，提高Cr的含量可以改善高温合金的抗高温氧化性能。镍基合金中的Co主要分配到基体中，部分分配到γ′相中，溶入基体中的Co会产生固溶强化效果，Co含量的增加还能导致合金的蠕变速率下降。Mo主要产生固溶强化效果及有效形成碳化物。Al是形成γ′相的基本组成元素，少部分进入到γ基体相中起到固溶强化作用，而大部分Al与Ni形成γ′相进行沉淀强化，且随着Al含量的增加，γ′相数量增加，从而使各种强化机制都增强；同时Al可以改变γ′相和γ基体相之间的错配度，引起γ′相周围共格应变场增强，从而增加了强化效果。Ti主要可以替换形成γ′相的Al原子，增加γ′相的数量，提高室温和高温强度；然而当Ti/Al比例过高时，会使γ′相和γ相的晶格常数差别太大，加速γ′相长大，导致η-Ni3Ti相的析出，对高温强度不利。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有较高高温强度的超超临界汽轮机用镍基合金材料。

超超临界汽轮机用镍基合金材料,其具有如下化学成分及质量百分比：C：0.03-0.09%，Cr：18-23%，Al：1.8-3.2%，Ti：1.5-2.7%，Co: 12-15%，Mo: 3.4-4.8%，B≤0.01%，Mg≤0.01%，Zr≤0.1%，P≤0.02%，S≤0.01%，其余为Ni和不可避免的杂质，且该合金材料的Al+Ti含量和Ti/Al比例满足：4.0%≤Al+Ti≤5.5%和0.5≤Ti/Al≤1.8。

其在冶炼过程中必须除气，同时Mo以NiMo中间合金加入，C以NiC中间合金加入，B和Mg分别以NiB和NiMg合金加入。

本发明经固溶处理和时效处理后，在780oC时效10,000h中室温洛氏硬度保持在31.5以上，如图1所示，组织稳定性良好，主要强化相γ′相保持稳定球形，有害相η-Ni3Ti相析出减少。

本发明具有优良的高温长时时效组织稳定性，可应用于先进超超临界汽轮机的叶片制造，以及其它需要耐高温氧化、抗蠕变和高强度等领域。

本发明的机理如下所述：

γ′相是镍基合金中的主要强化相，经过时效处理后γ基体中析出的γ′相与γ相基体存在共格关系。虽然γ′相和γ相都是面心立方结构，但是两者晶格常数不同，会产生共格应变，在γ′相周围存在一个弹性应力场，阻碍位错运动，从而提高镍基合金的高温强度。镍基合金中在晶界析出的碳化物与γ相基体之间存在一定的位向关系，高温下阻碍晶界移动，提高了晶界的强度。通过控制较低的Ti/Al比，保持γ′相与γ相之间较低的错配度，将保持高温时效中γ′相的球形形貌稳定性；本发明成分中的Ti/Al比同样明显减少有害相η-Ni3Ti相的析出。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

1、本发明经固溶处理和时效处理后，在780oC时效10,000h中室温洛氏硬度保持在31.5以上，组织稳定性良好，主要强化相γ′相保持稳定球形，有害相η-Ni3Ti相析出减少。

2、本发明具有较高的高温强度，高温长时时效组织稳定性优良，可应用于先进超超临界汽轮机的叶片制造，以及其它需要耐高温氧化、抗蠕变和高强度等领域。

附图说明

图1为本发明成分范围内两种不同Ti/Al比的合金试样在780oC时效10,000h内的室温洛氏硬度变化坐标图，两种试样其他成分含量相同且Ti+Al相同；

图2为本发明实施例一中合金在780oC时效3000h后强化相γ′相的形貌图；

图3为本发明实施例一中合金在780oC时效10,000h后强化相γ′相的形貌图；

图4为本发明实施例二中合金在780oC时效3000h后强化相γ′相的形貌图；

图5为本发明实施例二中合金在780oC时效10,000h后强化相γ′相的形貌图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

实施例一：

一种超超临界汽轮机用镍基合金材料,其具有如下化学成分及质量百分比（wt%）：

        C               0.07      Cr              19.5           Al              2.10       Ti              2.60

        Co              13.5     Mo             4.30           Zr              0.05

        B               0.008     Mg            0.005         Ni              余量

本发明采用真空感应的熔炼方法，经综合配料熔制后，浇注成型，最终制得镍基合金材料。经热锻和热轧，固溶和时效处理，其硬度在780oC时效10,000h中，洛氏硬度由35.2缓慢降低到31.8，高温时效中γ′相的形貌保持稳定球形，如图2和图3中合金分别时效3000h和10000h后的强化相形貌图所示，高温长时时效组织稳定性良好。

   实施例二：

一种超超临界汽轮机用镍基合金材料,其具有如下化学成分及质量百分比（wt%）：

        C               0.07       Cr              19.5       Al              2.70     Ti              2.00

        Co             13.5       Mo              4.20       Zr              0.06

        B               0.007     Mg              0.003     Ni              余量

本发明采用真空感应的熔炼方法，经综合配料熔制后，浇注成型，最终制得镍基合金材料。经热锻和热轧，固溶和时效处理，其硬度在780oC时效10,000h中，洛氏硬度由35.2缓慢降低到31.6，高温时效中γ′相的形貌保持稳定球形，如图4和图5中合金分别时效3000h和10000h后的强化相形貌图所示，同样在高温长时时效中有害析出相η-Ni3Ti相析出量较高Ti/Al比的合金明显减少，高温长时时效组织稳定性良好。

本发明超超临界汽轮机用镍基合金材料锻造性能良好，并具有优异的高温组织稳定性，可应用于先进超超临界汽轮机的叶片制造，以及其它需要耐高温氧化、抗蠕变和高强度等领域。

实施例只是为了便于理解本发明的技术方案，并不构成对本发明保护范围的限制，凡是未脱离本发明技术方案的内容或依据本发明的技术实质对以上方案所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明保护范围之内。

Claims (2)

1.超超临界汽轮机用镍基合金材料, 其特征在于：其具有如下化学成分及质量百分比：C：0.03-0.09%，Cr：18-23%，Al：1.8-3.2%，Ti：1.5-2.7%，Co: 12-15%，Mo: 3.4-4.8%，B≤0.01%，Mg≤0.01%，Zr≤0.1%，P≤0.02%，S≤0.01%，其余为Ni和不可避免的杂质，且该合金材料的Al+Ti含量和Ti/Al比例满足：4.0%≤Al+Ti≤5.5%和0.5≤Ti/Al≤1.8。

2.根据权利要求1所述的超超临界汽轮机用镍基合金材料，其特征在于：其在冶炼过程中必须除气，同时Mo以NiMo中间合金加入，C以NiC中间合金加入，B和Mg分别以NiB和NiMg合金加入。