CN1079995A - 耐热腐蚀铸造镍基高温合金 - Google Patents
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Abstract
本发明系一种耐热腐蚀铸造镍基高温合金。其
化学成分(wt%)为:C 0.07~0.12%,N 0.005~
0.2%,MgO 0.0001~0.02%,Cr 15.0~16.0%,
Co 9.0~10.0%。W 4.7~5.2%,Mo 1.2~1.7%,
Nb 1.7~2.2%,Ti 3.2~3.7%,Al 2.7~3.2%,
B 0.01~0.02%,Zr 0.03~0.07%,余为Ni。该合金
具有优良的耐热腐蚀性能及足够的强度,可在铸态下
直接使用。适用于地面与舰用燃气轮机涡轮叶片、导
向叶片、整体涡轮及其它高温零部件。
Description
本发明属于镍基合金。主要适用于高温下抗热腐蚀的零部件。
诸如地面或舰用燃气轮机涡轮叶片及其它高温部件,长期工作在800~850℃下,且经受含硫燃油及海洋大气高温燃烧产物的腐蚀。对其所用的合金,不但要具有较高的高温强度,而且还需具有优异的抗高温热腐蚀的性能,要求合金的组织具有较好的稳定性。
美国国际镍公司的In738铸造镍基高温合金是现有技术中用于耐热腐蚀的典型材料。其化学成分(wt%)为:
CO.15~0.20%,Cr15.7~16.3%,Co8.0~9.0%,W2.4~2.8%,Mo1.5~2.0%,Nb0.6~1.0%,Ta1.5~2.0%,Al3.2~3.7%,Ti3.2~3.7%,Zr0.05~0.15%,B0.005~0.015%,余为Ni;Al+Ti 6.5~7.2%。
该合金具有较高的高温强度和较好的抗高温热腐蚀性能;在化学成分上,其特点是含有2%左右的钽。钽在合金中的主要作用是强化γ′相,提高合金的使用温度,钽对耐热腐蚀性能也有好的影响。但钽是稀有元素,特别是我国的钽资源十分贫乏,故成本高(《Internutional Metallurgieal Review》Vol19,51,June,1974)。
另一方面,也有人认为,镍基合金中对抗热腐蚀起主要作用的元素是铬和钛。加入钽也不一定就取得优异的抗热腐蚀性能,如B1900和TRW-NACAVIA虽然分别含钽4%和9%。由于这两个合金的含铬都低于8%,且Ti/Al比低于0.2,其抗热腐蚀性能较差(《Metallurgical Transactions》Vol4,Nol,1973,P261)。
本发明的目的在于提供一种高温强度高,抗热腐蚀性能和组织稳定性好,且工艺简单,成本低廉的耐热腐蚀铸造镍基高温合金。
根据上述目的及我国资源情况,本发明在合金化学成分上,避开了钽,而采用Cr、Ti、Al为提高耐热腐蚀性能的主要元素,以Nb、W、Mo为主要的固溶强化元素,提高合金的高温强度。并加入N、B、Zr、Mg等微量元素,强化和净化晶界等。其具体的化学成分(wt%)如下:
C 0.07~0.12%,N 0.005~0.2%,Mg 0.0001~0.02%,Cr15.0~16.0%,Co9.0~10.0%,W4.7~5.2%,Mo1.2~1.7%,Nb1.7~2.2%,Ti3.2~3.7%,Al2.7~3.2%,B0.01~0.02%,Zr0.03~0.07%,余为Ni。其中(Ti/Al)>1。
化学成分的设计基于如下理由:
通常认为,热腐蚀主要是Na2CO3在合金表面的凝聚。由于Na2CO3中氧化物离子的存在,使合金表面无法形成保护性的氧化膜。而Cr2O3能与熔盐中的氧化物离子反应,生成Na2CrO4的复合氧化物,降低熔盐中的氧化物离子浓度,从而使熔盐能与通常的氧化物保护膜共存,而提高耐热腐蚀能力。因此,为了在合金表面形成致密的、附着力强的防护性氧化膜,合金必须含有足够的铬含量(约15%)。但过高的铬含量会降低γ'相的固溶温度,即降低合金的高温强度;同时,铬又是σ相的主要形成元素,故铬含量不能太高。
Al、Mo、W、Ti等元素的氧化物类似于Cr2O3,也能与Na2CO3反应,降低熔盐中的氧化物离子浓度,有利于形成防护性氧化膜。W与Mo相比,WO3比MoO3具有较大的酸性。但MoO3在燃气温度下常以液态形式存在,其本身就有腐蚀富Al2O3防护性氧化膜的弊病。而WO3在燃气温度下则是固体,因此,在耐热腐蚀方面,W优于Mo,故合金中,W的含量远高于Mo。
同时,W、Mo又都是重要的固溶强化元素。当使用温度较高时,W的强化效果尤为显著。W除了固溶于γ基体外,还能大量溶于γ'强化相。当Ti/Al比较高时,W还能降低Ti原子的扩散速度,阻止γ'相向η相转变,进一步提高γ'相的组织稳定性。W又是我国资源丰富的元素,可以充分发挥其应用的作用。
TiO2与Na2CO3反应时,SO4的分压力最大,故TiO2在降低Na2CO3氧化物离子含量方面有更强的活性。Ti/Al比在0.5~5.0范围内,耐热盐的腐蚀能力随着Ti/Al比的提高而增强。
Al、Ti、Nb是γ'强化相的主要形成元素。Nb在合金中扩散速度缓慢,一般认为能提高γ'相的固溶温度。
合金中加入B、Zr、Mg与N,能强化和净化晶界,另外,Mg能改善碳化物形态和分布,改善晶界状态,这些都有利提高合金的高温塑性和持久性能。N或以间隙元素存在于固溶体中,或同Cr、W、Al、Ti等元素形成氮化物,是强烈稳定奥氏体的元素,有较强的提高屈服强度的作用,又能促进合金钝化,所以也益于合金的耐蚀性。
本发明采用真空感应炉熔炼,先浇注成化学成分和力学性能都合格的母合金,然后再重熔浇注成零部件。零件若经喷丸处理,可明显提高疲劳性能。零部件无需热处理,可以铸态下直接使用,不仅可降低成本,而且使用方便。
本发明具有较高的高温强度和良好的耐热腐蚀性能。800℃时瞬时性能:σb≥784MPa,δ≥3%;持久性能:850℃持久应力362.6MPa下,持久时间≥50小时;800℃持久应力225MPa下,持久时间>14000小时;
与现有技术相比,本发明在具有一定的高温强度下,具有优异的耐热腐蚀性能,可在800~850℃下长期使用,合金中且不含稀有元素钽,故成本低。
实施例
根据化学成分范围,在真空感应炉上冶炼了4炉本发明合金。合金的具体化学成分如表1所示。熔炼后浇注成锭及相应的各种试验的试样毛坯,试样经加工后,分别进行力学性能、抗氧化性能、抗熔盐热腐蚀性能试验,所得结果分别列入表2、表3、表4、表5。
为了对比,在同样条件下,同时还冶炼了一炉In738合金。并同时进行了上述各项试验,所得结果也分别列入了相应的表中。
表2 本发明实施例与In738合金的力学性能
注:* 为U型缺口冲击试样
** 为无缺口冲击试样
表3 本发明实施例与In738合金的氧化速度(g/M2·h)
表4 本发明实施例与In738合金熔盐坩埚抗热腐蚀性能
(熔盐成分:75%Na2SO4+25%NaCl)
表5 本发明实施例与In738合金抗燃气腐蚀性能
Claims (2)
1、一种耐热腐蚀铸造镍基高温合金。其特征在于化学成分(wt%)为:C0.07~0.12%,N0.005~0.2%,Mg0.0001~0.02%,Cr15.0~16.0%,Co9.0~10.0%,W4.7~5.2%,Mo1.2~1.7%,Nb1.7~2.2%,Ti3.2~3.7%,Al2.7~3.2%,B0.01~0.02%,Zr0.03~0.07%,余为Ni。
2、根据权利要求1所述的合金,其特征在于合金中(Ti/Al)>1。
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