CN1079840C - 大型燃气轮机的铁-镍超合金转子 - Google Patents

大型燃气轮机的铁-镍超合金转子 Download PDF

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Abstract

IN706类型的铁-镍合金中加有0.02-0.3wt%的硼和0.05-1.5wt%的铪。与不加入这些元素的IN706类型的铁-镍合金相比，尽管热稳定性仅有微小降低，但其延展性却可基本上翻倍。本发明合金适宜于作为大型燃气轮机转子的材料，其热稳定性足够高。在出现局部温度梯度时，由于该合金的延展性高，所以仅有微小程度的不希望出现的应力产生。

Description

大型燃气轮机的铁-镍超合金转子
本发明源于IN 706类型的铁-镍超合金。本发明还涉及用该合金制成的初始合金体制成高温下稳定的材料的方法。这种IN 706类型的铁-镍超合金的特点是约700℃温度下强度高，因此可有效地用作受热机械，尤其是用于燃气轮机。IN 706合金的组成可在下列范围内变化：
最多0.02                    碳
最多0.10                    硅
最多0.20                    锰
最多0.002                   硫
最多0.015                   磷
15-18                       铬
40-43                       镍
0.1-0.3                     铝
最多0.30                    钴
1.5-1.8                     钛
最多0.30                    铜
2.8-3.2                     铌
其余                        铁
本发明可追溯到现有技术中IN 706类型的铁-镍超合金如J.H.Moll et al.在Met.Trans.1971，Vol.2，pp.2143-2151上的“TheMicrostructure of 706，a New Fe-Ni-Base Superalloy”和Met.Trans.1971，Vol.2，pp.2153-2160上的“Heat treatment of 706 Alloyfor Optimum 1200°F Stress-Rupture Properties”中作了说明。
在现有技术中，已注意到了在约650℃下IN 706合金的延展性很低并且经过某些热处理工艺可提高用IN 706合金制成的锻件的延展性。根据用IN 706合金锻造而成的初始合金体的显微组织，典型的热处理工艺包括下列步骤：
在980℃温度下将初始合金体固溶处理1小时，
用空气冷却固溶处理的初始合金体，
在840℃温度下沉淀硬化3小时，
用空气冷却，
在720℃温度下沉淀硬化8小时，
以约55℃/小时的冷却速度冷却到620℃，
在620℃温度下沉淀硬化8小时，以及
用空气冷却，或
在约900℃温度下将初始合金体固溶处理1小时，
用空气冷却，
在720℃温度下沉淀硬化8小时，
以约55℃/小时的冷却速度冷却到620℃，
在620℃温度下沉淀硬化8小时，以及
用空气冷却。
从D.A.Woodford在Met.Trans.A，Feb.1981，Vol.12A，pp.299-307中发表的“Environmental Damage of a Cast Nickel BaseSuperalloy”中还已知将硼和铪加入IN 738类型的镍基超合金可降低与氧接触带来的易损坏性。加入这些元素可降低不希望出现的材料易脆性。
因此，正如权利要求1和4所述的本发明目的之一是提供IN 706类型的铁-镍超合金，该合金不仅具有高热稳定性，而且具有很高的延展性，此外本发明还提供进一步提高用该合金制成的材料的延展性的方法。
本发明合金的特点是与没有加入其他元素的IN 706类型的铁-镍超合金相比其长期延展性高基本上两倍，而其热稳定性仅略为降低。加入适当量的硼和/铪可减少应力造成的合金显微组织中晶粒界面的氧化程度。因此，不希望出现的材料疲劳现象如缺口脆性和应力裂缝增长可大幅度降低。该合金因而特别适用于作为大型燃气轮机的转子材料。该合金具有足够高的热稳定性。在出现局部温度梯度时，不希望出现的应力在显微组织中仅具有微小的作用或影响，因为合金的延展性高。适当的热处理步骤可进一步提高本发明合金的延展性，这些步骤包括固溶处理，冷却和沉淀硬化。
从以下详细说明中可清楚地看出本发明的其他目的和优点。
在真空炉中将3种IN 706类型的铁-镍超合金A，B和C熔融。这3种合金的组成见下表：
合金      A      B      C
碳     0.01     0.01     0.01
硅     0.04     0.04     0.04
锰     0.12     0.12     0.12
硫   ＜0.001   ＜0.001   ＜0.001
磷     0.005     0.005     0.005
铬     16.03     16.03     16.03
镍     41.9     41.9     41.9
铝     0.19     0.19     0.19
钴     0.01     0.01     0.01
钛     1.67     1.67     1.67
铜   ＜0.01   ＜0.01   ＜0.01
铌     2.95     2.95     2.95
硼      -     0.2      -
铪      -      -     1.0
铁     其余     其余     其余
这些合金在980℃温度下固溶处理1小时后用空气冷却到室温，然后730℃温度下热处理10小时而进行沉淀硬化，之后在炉中冷却到620℃并在620℃温度下进行16小时后续热处理。该工艺制成的材料A’，B’和C’用空气冷却到室温。用该材料制成进行抗拉试验的旋转对称试件。这些试件每一端系上可塞入试验机的绳并且这些试件的两个测量点之间均具有直径为5mm，而长为约24.48mm的圆棒状段。在705℃温度下，试件以7.09×10-5(s-1)和7.09×10-7(s-1)的应变率进行抗拉试验，直至破裂。该工艺中测得的抗拉强度和破裂伸长率值列在下表中：
材料          应变率(s-1)  抗拉强度(MPa)  破裂伸长率(％)
7.09×10-5 7.09×10-7     705℃     705℃
 A’     x     705     16.4
 A’     x     597     6.7
 B’     x     765     13.6
 B’     x     752     11.1
 B’     x     541     12.0
 C’     x     708     14.4
 C’     x     570     10.6
从上述测得的值可以清楚地看出：在705℃温度和低应变率下，用本发明合金制成的材料B’和C’的破裂伸长率值比现有技术合金制成的材料A’的破裂伸长率高约50-80％。
同样，用本发明合金制成的材料B’和C’在705℃温度和高应变率下的抗拉强度值至少与现有技术合金制成的材料A’的抗拉强度一样好。
在低应变率下，材料有足够的时间松弛。在该应变率下测得的强度值因此就不如高应变率下测得的强度值有说服力。相比之下，在低应变率下，环境中含有的氧有足够的时间达到使晶粒界面脆化的效果。在低应变率下测得的破裂伸长率值因此比高应变率下测得的值具有说服力。因此，在705℃温度下，用本发明合金制成的材料B’和C’的延展性远远超过用现有技术合金制成的材料A’的延展性且其热稳定性至少是等于A’的热稳定性。本发明合金制成的材料用作大型燃气轮机的转子具有很大的优越性，因为其热稳定性足够高并且由于其延展性也高，所以不可避免的局部温差仅仅会局部建立起低或微不足道的应力。
若硼含量为0.02-0.3wt％(重量百分比)和铪含量为0.05-1.5wt％，就可用本发明合金获得上述性能。若硼或铪含量太低，则合金的晶粒界面不会受到影响并且会出现脆性。若硼或铪含量太高，又会使合金不适宜于进行高温操作。
若在900℃和1000℃之间的温度下进行固溶处理后在700℃和760℃之间的温度下进行第一阶段的沉淀硬化并且在600℃和650℃之间的温度下进行第二阶段的沉淀硬化，就可获得足以适合许多用途的材料。
通过适当冷却即可将本发明合金的延展性进一步明显提高。将材料从进行固溶处理的温度降到进行沉淀硬化的温度的优选冷却速度在0.5-20(℃/分钟)之间。
建议从沉淀硬化第一阶段向第二阶段的过渡也应通过在炉中冷却来完成。
根据初始合金体的尺寸，固溶处理应在900℃和1000℃之间的温度下进行最多15小时。
在某些温度下保持而进行的沉淀硬化优选应进行至少10小时，最多70小时。在沉淀硬化工过程中，经过固溶处理的初始合金体在第一阶段的温度下保持至少10小时，最多50小时，而在第二阶段的温度下保持至少5小时，最多20小时。
很显然，在上述公开范围内，还可对本发明作出各种改进和变化。因此，在本发明权利要求书定义的范围内，本发明可按照不同于上述的方式实施。

Claims (10)

1.大型燃气轮机的铁-镍超合金转子，其中按重量计超合金基本上由≤0.02％ C，≤0.10％ Si，≤0.20％ Mn，≤0.002％ S，≤0.015％P，15-18％ Cr，40-43％ Ni，0.1-0.3％ Al，≤0.30％ Co，1.5-1.8％Ti，≤0.30％ Cu，2.8-3.2％ Nb，0.02-0.3％B和/或0.05-1.5％ Hf，其余为Fe。
2.权利要求1的超合金转子，其中B含量为0.02-0.3％。
3.权利要求1的超合金转子，其中Hf含量为0.05-1.5％。
4.权利要求1的超合金转子，其中B含量为约0.2％。
5.权利要求1的超合金转子，其中Hf含量为约1％。
6.权利要求1的超合金转子，其中超合金包括铸造和热处理体，在705℃和7.09×10-7s-1的应变率下其伸长率比不含B和Hf的同样热处理体高至少50％。
7.权利要求1的超合金转子，其中B以可有效地降低超合金体中晶粒界面上应力导致的氧化的量存在。
8.权利要求1的超合金转子，其中Hf以可有效地降低超合金体中晶粒界面上应力导致的氧化的量存在。
9.权利要求1的超合金转子，其中超合金包括固溶处理和沉淀硬化体。
10.权利要求1的超合金转子，其中起合金包括0.02-0.3％ B和0.05-1.5％ Hf。
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