CN105420554A - 一种抗热蚀定向凝固镍基高温合金及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种抗热蚀定向凝固镍基高温合金及制备方法，所述合金包括：以重量百分比计，Cr：12-14％，Co：7.5-8.5％，Mo：1.0-1.8％，W：3.5-4.3％，Al：3.4-4.2％，Ti：3.5-4.3％，Ta：4.0-5.0％，B：0.005-0.015％，Zr：0.015-0.025％，C：0.09-0.15％，Hf:0.3-0.8％，余量为Ni；所述制备方法：熔炼母合金、定向凝固及柱状晶合金热处理制备，其中所述定向凝固在高真空定型凝固炉中进行，同时控制真空度、浇注抽拉速度和温度梯度形成柱状晶合金，然后对柱状晶合金进行热处理。该合金制备工艺简单具有优异的高温持久性能和抗热腐蚀性能，同时由于不含有稀贵金属，成本降低。

Description

一种抗热蚀定向凝固镍基高温合金及制备方法

技术领域

本发明涉及铸造高温合金技术领域，尤其涉及一种抗热蚀定向凝固镍基高温合金及制备方法，特别是能够应用于高温(1100℃)使用的燃气轮机涡轮叶片等热端部件。

背景技术

燃气轮机是世界上主要动力设备之一，直接影响到能源、交通、环保等高技术产品的发展。涡轮叶片是燃气轮机所有部件中最重要的关键部件，承受着最严酷的温度、应力、环境的综合作用。11万千瓦以上高功率高效率重型燃机的涡轮叶片工作温度将接近1000℃，使用柴油、原油、重油、天然气或液体等重污染燃料，对叶片有很强的腐蚀性和冲刷磨损作用，因此燃气轮机涡轮叶片需要具有良好的耐热腐蚀性；同时工业燃机涡轮的稳态运行时间和峰值温度运行时间约为100000小时，因此燃气轮机涡轮叶片需要具有良好的长时组织稳定性。另外，在保证合金性能的前提下，应考虑到降低叶片的材料成本。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种抗热蚀定向凝固镍基高温合金及制备方法，不仅具有优异的高温持久性能和抗热腐蚀性能，同时不含有稀贵金属，降低成本。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本发明一种抗热蚀定向凝固镍基高温合金，包括以下成分：以重量百分比计，Cr：12-14％，Co：7.5-8.5％，Mo：1.0-1.8％，W：3.5-4.3％，Al：3.4-4.2％，Ti：3.5-4.3％，Ta：4.0-5.0％，B：0.005-0.015％，Zr：0.015-0.025％，C：0.09-0.15％，Hf:0.3-0.8％，余量为Ni。

对本发明所述的抗热蚀定向凝固镍基高温合金中各元素及重量百分比选择理由陈述如下：

Cr元素的主要作用在于保护合金表面不受O、S盐的作用而产生氧化和热腐蚀。镍基合金中Cr元素的含量高于12wt.％，才有较好的抗热蚀效果，但过高的Cr含量容易导致有害的TCP相(拓扑密排相)在合金中的析出，损害合金的高温持久性能。因此，本发明中Cr含量控制在12-14％，在保证合金具有良好的抗热蚀性能的同时，也使合金获得优异的组织稳定性。

W、Mo、Co元素的作用在于强化合金基体，它们主要固溶于γ基体中，同时由于它们的加入，能够降低Al、Ti等元素在基体中的溶解度，从而提高了γ'强化相的数量。W、Mo元素与Ni的原子半径相差较大，因此，对合金有很强的固溶强化作用，可有效的提高合金热强性。但是，过高的W、Mo含量不利于合金的抗高温热蚀性能，且容易导致有害的TCP相的和大块的碳化物析出，降低合金高温力学性能。因此，适当的提高Co元素的含量，能够增加W、Mo元素在合金中的溶解度以降低TCP相和碳化物析出并改善碳化物的析出形态；并且，维持W、Mo元素的含量在一个适当的水平，使其对基体起到强化作用的同时，兼顾合金的抗热蚀性能。综合Co、Mo和W对基体的强化作用以及对抗高温热蚀性能的影响，本发明控制Co含量为7.5-8.5％，Mo含量为1.0-1.8％，W含量为3.5-4.3％。

Al、Ti、Ta元素为主要的γ'强化相的形成和强化元素，Al元素有利于提高合金的抗氧化性能，Ti元素有利于提高合金的抗热蚀性能，由于本发明的合金主要为重型燃机轮机涡轮叶片使用，对抗热蚀性能和抗氧化性能均有较高的要求，因而，Ti元素的含量与Al元素相当。Ta元素的加入进一步强化了γ'强化相，可有效的提高合金的高温力学性能且还可进一步提高合金的抗热蚀性能。

微量的C、B、Zr、Hf元素的作用在于对晶界起到强化和净化的作用。C、B元素主要作为间隙原子富集于晶界并且与其它元素在晶界处形成碳化物和硼化物，对晶界处位错运动起到钉扎作用，从而达到强化晶界的作用；Zr、Hf元素可以与偏聚于晶界的有害的微量S元素相结合以达到净化晶界的目的。

本发明还提供一种抗热蚀定向凝固镍基高温合金的制备方法，包括熔炼母合金、定向凝固及热处理，所述定向凝固及热处理具体如下：

(1)定向凝固：将熔炼的所述母合金在高真空定型凝固炉中定向凝固形成柱状晶合金，控制所述凝固炉中真空度小于9.0×10^-2Pa，浇注温度为1500-1580℃，模壳温度为1480-1540℃，水冷结晶器温度20-30℃，抽拉速度为3-9mm/min，温度梯度为50-100℃；

(2)热处理：将步骤(1)所述柱状晶合金在加热炉中随炉升温至1175-1185℃后，以5-10℃/小时的速率升温至1220-1240℃，保温3-5小时后，空冷至室温；升温至1060-1100℃，保温3-5小时后，空冷至室温；升温至840-880℃，保温16-32小时后，空冷至室温。

进一步地，所述母合金熔炼采用真空感应炉。

本发明有益效果如下：

本发明提供的一种抗热蚀定向凝固镍基高温合金采用水冷结晶盘快速凝固法控制合金定向凝固，制备优质组织的柱状晶合金，并配合热处理将柱状晶再结晶，制备具有优异的高温持久性能和抗热腐蚀性能，不仅制备工艺简单、无污染，同时由于不含有稀贵金属，使成本降低。与DZ22合金相比，在保证高的抗热腐蚀性能的情况下，使合金的室温拉伸性能提高了400MPa，高温持久性能在930℃/270Mpa下提高了80小时，持久性更好；本发明定向凝固镍基高温合金中限电子空位数为2.387，将低了TCP相的形成倾向；可满足在高温度、强腐蚀环境下使用的重型燃气轮机涡轮工作叶片的要求。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为实施例1柱状晶合金的横向组织；

图2为实施例1柱状晶合金的纵向组织；

图3为实施例2经900℃/3000h长期时效处理后的微观组织。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

实施例1

本实施例提供一种抗热蚀定向凝固镍基高温合金，其成分如表1：

表1实施例1合金成分

C	Cr	Mo	W	Al	Ti
						0.13	12.85	1.47	3.8	3.75	3.95
Ta	Co	B	Zr	Hf	Ni
						4.65	8.04	0.011	0.022	0.5	余量

制备方法如下步骤：

(1)在真空感应炉中采用常规冶炼方法熔炼如表1成分的母合金；

(2)将熔炼的母合金在高真空定型凝固炉中进行定向凝固，控制模壳温度1500℃，真空度5.5×10^-2Pa，浇注温度1520℃，水冷结晶器温度25℃，抽拉速度为6mm/min，温度梯度为50℃，得到柱状晶合金；

(3)热处理，将柱状晶合金放入加热炉中，并随炉升温至1175℃后，以10℃/小时的速率升温至1230℃，保温3小时后，空冷至室温；升温至1060℃，保温5小时后，空冷至室温；升温至840℃，保温16小时后，空冷至室温。

得到的抗热蚀定向凝固镍基高温合金做力学性能测试，结果如下：

(1)室温拉伸性能：

σ_0.2＝1050MPaσ_b＝1310MPaδ₅/％＝8.5％ψ/％＝10.5

(2)930℃/270MPa下高温持久性能：

t/h＝137.37δ₅/％＝22.0ψ/％＝35.0

在100倍的金相显微镜下对实施例1柱状晶合金的微观组织进行观察，柱状晶合金横向组织和纵向组织分别如图1和图2所示。

实施例2

本实施例提供一种抗热蚀定向凝固镍基高温合金，其成分如表2：

表2实施例2合金成分，(wt.％)

C	Cr	Mo	W	Al	Ti
						0.12	13.03	1.52	4.10	3.96	3.85
Ta	Co	B	Zr	Hf	Ni
						4.63	7.85	0.011	0.018	0.45	余量

制备方法如下步骤：

(1)在真空感应炉中熔炼如表2成分的母合金；

(2)将熔炼的母合金在高真空定型凝固炉中进行定向凝固，控制模壳温度1470℃，真空度6.0×10^-2Pa，浇注温度1550℃，水冷结晶器温度27℃，抽拉速度为3mm/min，温度梯度为90℃，得到柱状晶合金；

(3)热处理：将柱状晶合金放入加热炉中，并随炉升温至1180℃后，以5℃/小时的速率升温至1240℃，保温4小时后，空冷至室温；升温至1080℃，保温4小时后，空冷至室温；升温至850℃，保温24小时后，空冷至室温。

得到的抗热蚀定向凝固镍基高温合金做力学性能测试，结果如下：

(1)室温拉伸性能：

σ_0.2＝1080MPaσ_b＝1350MPaδ₅/％＝8.5％ψ/％＝10.0

(2)930℃/270MPa下高温持久性能：

t/h＝164.30δ₅/％＝10.0ψ/％＝32.0

(3)900℃/3000h长期时效

将热处理后的合金放入900℃的马弗炉中保温3000小时后取出并制成金相试样，在500×金相显微镜下对其微观组织进行观察，如图3所示。在组织中可观察到晶界、残余共晶、碳化物以及细小的γ'相，未发现有TCP相析出，说明合金具有优异的长期组织稳定性。

实施例3

本实施例提供一种抗热蚀定向凝固镍基高温合金，其成分如表3：

表3实施例3合金成分

C	Cr	Mo	W	Al	Ti
						0.13	13.13	1.48	4.00	3.96	3.90
Ta	Co	B	Zr	Hf	Ni
						4.58	7.80	0.009	0.018	0.55	余

制备方法如下步骤：

(1)在真空感应炉中熔炼如表3成分的母合金；

(2)将熔炼的母合金在高真空定型凝固炉中进行定向凝固，控制模壳温度1530℃，真空度8.0×10^-2Pa，浇注温度1580℃，水冷结晶器温度30℃，抽拉速度为9mm/min，温度梯度为70℃，得到柱状晶合金；

(3)热处理：将柱状晶合金放入加热炉中，并随炉升温至1185℃后，以8℃/小时的速率升温至1220℃，保温5小时后，空冷至室温；升温至1100℃，保温3小时后，空冷至室温；升温至870℃，保温32小时后，空冷至室温。

得到的抗热蚀定向凝固镍基高温合金做力学性能测试，结果如下：

(1)室温拉伸性能：

σ_0.2＝1100MPaσ_b＝1340MPaδ₅/％＝8.5％ψ/％＝11.0

(2)930℃/270MPa下高温持久性能：

t/h＝156.60δ₅/％＝12.0ψ/％＝34.0

综上所述，本发明实施例提供了一种抗热蚀定向凝固镍基高温合金采用水冷结晶盘快速凝固法控制合金凝固定向凝固，制备优质组织的柱状晶合金，并配合热处理将柱状晶再结晶，制备具有优异的高温持久性能和抗热腐蚀性能，不仅制备工艺简单、无污染，同时由于不含有稀贵金属，使成本降低。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种抗热蚀定向凝固镍基高温合金，其特征在于，包括以下成分：以重量百分比计，Cr：12-14％，Co：7.5-8.5％，Mo：1.0-1.8％，W：3.5-4.3％，Al：3.4-4.2％，Ti：3.5-4.3％，Ta：4.0-5.0％，B：0.005-0.015％，Zr：0.015-0.025％，C：0.09-0.15％，Hf:0.3-0.8％，余量为Ni。

2.一种如权利要求1所述抗热蚀定向凝固镍基高温合金的制备方法，包括熔炼母合金、定向凝固及热处理，其特征在于，所述定向凝固及热处理具体如下：

(1)定向凝固：将熔炼的所述母合金在高真空定型凝固炉中定向凝固形成柱状晶合金，控制所述凝固炉中真空度小于9.0×10^-2Pa，浇注温度为1500-1580℃，模壳温度为1480-1540℃，水冷结晶器温度20-30℃，抽拉速度为3-9mm/min，温度梯度为50-100℃；

(2)热处理：将步骤(1)所述柱状晶合金在加热炉中随炉升温至1175-1185℃后，以5-10℃/小时的速率升温至1220-1240℃，保温3-5小时后，空冷至室温；升温至1060-1100℃，保温3-5小时后，空冷至室温；升温至840-880℃，保温16-32小时后，空冷至室温。

3.根据权利要求2所述抗热蚀定向凝固镍基高温合金的制备方法，其特征在于，所述母合金熔炼采用真空感应炉。