CN108866389B - 一种低成本高强抗热腐蚀镍基高温合金及其制备工艺和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低成本高强抗热腐蚀镍基高温合金及其制备工艺和应用，属于镍基高温合金技术领域。按重量百分含量计，该合金化学成分为：Cr 18.0～19.9％，Co 10.0～12.0％，Al 2.2～3.5％，Ti 3.1～4.2％，W 5.1～6.5％，Mo 0.3～0.9％，Nb 0.4～1.2％，C 0.005～0.15％，B 0.001～0.03％，Zr 0.005～0.08％，Ni余量。该合金具有优异的抗热腐蚀性能和高温强度，具有良好的组织稳定性，适用于制作燃气轮机热端部件，可在燃气腐蚀环境下长期使用。
Description
技术领域
本发明涉及镍基高温合金技术领域，具体涉及一种低成本高强抗热腐蚀镍基高温合金及其制备工艺和应用，该合金适用于制备长寿命抗热腐蚀燃气轮机热端部件。
背景技术
燃气轮机的工作环境和特点与航空发动机截然不同，这对燃机热端部件材料提出了不同的要求。首先，燃气轮机使用的燃料多含V、S等元素，极容易造成材料的热腐蚀损伤。其次，燃气轮机叶片的运行时间长，大修周期长达2-4万EOH(等效运行小时)，总寿命长达6-8万EOH。因此要求燃机热端部件材料在保证高温强度的同时，需具备优异的抗热腐蚀性能和长寿命组织稳定性。
抗热腐蚀高温合金一般都有较高的Cr含量，以保证良好的抗热腐蚀性能。在保证抗热腐蚀性能的前提下，通过不断增加γ′相的体积分数和难熔元素含量，提高合金的高温强度。但是随着合金化的提高，合金的长寿命组织稳定性差，容易析出TCP相，限制性能的进一步提升。因此，在保证抗热腐蚀和组织稳定性的前提下，如何不断提高合金的强度一直是其研制的难点。
上世纪七十年代，国际镍公司发明了抗热腐蚀高温合金IN939(4039330)。八十年代中期，GE公司研制了低Al+Ti的抗热腐蚀合金GTD222(4810467)，组织稳定性提高，但高温强度下降。九十年代，日本Hitachi公司通过提高难熔元素含量，发展出高强的MGA2400合金(5480283)。我国的重型燃气轮机发展起步较晚，适用于F、G/H级重型燃气轮机涡轮导向叶片的高温合金材料还相对缺乏。K452合金是我国应用相对成熟的抗热腐蚀高温合金，但其承温能力难以满足G/H级重型燃气轮机设计要求。目前，国内急需组织稳定的高强抗热腐蚀高温合金，以满足重型燃气轮机发展的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低成本高强抗热腐蚀镍基高温合金及其制备工艺和应用，该合金具有优异的高温强度和抗热腐蚀性能，同时具有良好的组织稳定性，可以满足燃气轮机涡轮叶片的使用要求。
本发明的技术方案如下：
一种低成本高强抗热腐蚀镍基高温合金，按重量百分含量计，该合金化学成分为：Cr 18.0～19.9％，Co 10.0～12.0％，Al 2.2～3.5％，Ti 3.1～4.2％，W 5.1～6.5％，Mo0.3～0.9％，Nb 0.4～1.2％，C 0.005～0.15％，B 0.001～0.03％，Zr 0.005～0.08％，Ni余量。
合金优选的化学成分为(wt.％)：Cr 18.3～19.3％，Co 10.3～11.5％，Al2.3～3.0％，Ti 3.1～3.7％，W 5.5～6.2％，Mo 0.3～0.7％，Nb 0.5～1.0％，C0.008～0.14％，B0.003～0.025％，Zr 0.004～0.06％，Ni余量，且Nv<2.45。该合金化学成分中，Al+Ti≤7.2％。
所述燃气轮机用高强抗热腐蚀镍基高温合金的制备工艺，过程如下：
按所述合金成分配料，采用真空感应炉熔炼，1560～1600℃精炼5～10min，然后在1410～1450℃浇注，壳温800～900℃，浇注后获得铸态镍基高温合金。对铸态镍基高温合金进行热处理的过程如下：
(1)固溶处理温度1150～1180℃，处理时间3～5h；
(2)时效处理温度1030～1060℃，处理时间3～5h；
(3)时效处理温度830～870℃，处理时间16～20h。
本发明上述高强抗热腐蚀镍基高温合金，具有优异的高温强度和良好的组织稳定性，特别适宜制作热腐蚀环境下长期使用的高温部件，如燃气轮机涡轮导向叶片等部件。
本发明合金成分(合金牌号取名K415)设计原理如下：
Cr是合金抗热腐蚀性能的决定性元素。为保证合金的抗热腐蚀性能，要求合金具有高的Cr含量(>18％)。Cr含量越高，抗热腐蚀性能越好，但Cr含量过高容易析出有害相(<20％)。
Al、Ti等是γ′强化相形成元素。为保证合金的高温强度，要求合金中有一定Al、Ti含量。但为了确保合金的长寿命组织稳定性和合金的可焊性，Al+Ti之和不能过高。
W、Mo等难熔元素是固溶强化元素，提高基体强度。为弥补低Al、Ti所带来的性能不足问题，合金中加入一定量的W、Mo等难熔元素。但W、Mo在热腐蚀环境下，容易形成易挥发的氧化物，恶化热腐蚀性能。因此W+1/2Mo<7.5％。
Ta、Nb等元素固溶到γ′相，提高合金的高温强度。但Ta是贵重元素，为降低合金的成本，合金通过添加Nb元素保证合金的承温能力。但高含量的Nb容易促进η相析出，Nb含量小于1.2％。
Co一方面降低γ′相溶解温度，另一方面Co超过一定量后高温短时持久性能反而下降。因此，合金Co含量10.0～12.0％。
此外，合金中通过加入C、B、Zr等微量元素来强化晶界，提高合金持久性能。但过高的Zr，凝固范围变宽，合金中的共晶体积分数增加，造成元素偏析以及加剧热裂的形成。
电子空位数(Nv值)是评价镍基高温合金长寿命组织稳定性的重要方法。对本发明合金的研究表明，当Nv值大于2.50时，合金在长期时效过程中会析出σ相。因此，为了确保合金的组织稳定性，限制本发明合金的Nv值要小于2.45。
综上所述，协调合金的抗热腐蚀性能、高温强度以及组织稳定性，确定各合金元素的成分范围为：Cr 18.0～19.9％，Co 10.0～12.0％，Al 2.2～3.5％，Ti 3.1～4.2％，W5.1～6.5％，Mo 0.3～0.9％，Nb 0.4～1.2％，C 0.005～0.15％，B0.001～0.03％，Zr0.005～0.08％，Ni余量，且Nv<2.45。
本发明的有益技术效果为：
本发明合金经成分设计优化，在保证合金抗热腐蚀和组织稳定性的同时，提高了合金的高温强度。本发明合金适于制作燃气轮机热端部件，可在燃气腐蚀环境下上万小时长期使用。
附图说明
图1为本发明实施例合金的微观组织；其中：(a)为No.2合金；(b)No.4合金；(c)No.5合金。
图2为本发明实施例合金850℃长期时效后的组织；其中：(a)为No.6合金时效1000h后的组织；(b)为No.2合金时效1000h后的组织。
图3为本发明实施例合金的热强参数综合曲线(LMP)。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明进一步描述。
各实施例合金成分见表1。实施例试棒制备工艺：1580℃±10℃精炼5分钟，1410±20℃浇注，壳温850±50℃。所示合金的热处理制度为：1170±10℃/4h炉冷，1050±10℃/4h空冷，850±20℃/16h空冷。
实施例合金的微观组织形貌如图1所示。No.2合金的铸态组织如图1(a)所示，合金少量γ/γ′相共晶组织。No.4合金热处理后的组织如图1(b)所示，合金中有少量η相析出。No.5合金的铸态组织如图1(c)所示，合金中含有大量γ/γ′相共晶组织。
表1合金成分(wt％)
实施例合金的持久性能如表2所示。IN939、MGA2400、GTD222和K452合金的持久性能见表3。通过对比可以发现，本发明合金的900℃持久寿命高于MGA2400和K452等合金。K415合金的热强参数综合曲线见图3，持久强度优于MGA2400和K452合金。
表2实施例合金的900℃/201MPa持久性能
表3IN939、MGA2400、GTD222和K452合金的持久性能
实施例合金的900℃拉伸性能如表4所示。IN939、MGA2400、GTD222和K452合金的持久性能见表5。通过对比可以发现，本发明合金的900℃拉伸强度高于MGA2400合金，与K452合金相当。
表4实施例合金的900℃拉伸性能
表5IN939、MGA2400、GTD222和K452合金的900℃拉伸性能
实施例合金(No.6和No.2)的850℃长期组织稳定性，如图2所示。No.6合金(Nv＝2.53)在时效1000h后，析出少量的σ相(见图2(a))；No.2合金(Nv＝2.45)在时效1000h后，无TCP相析出(见图2(b))。可见，为保证合金的组织稳定性，需限制本发明合金的Nv值小于2.45。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种低成本高强抗热腐蚀镍基高温合金，其特征在于：按重量百分含量计，该合金化学成分为：Cr 18.0～19.9％，Co 10.0～12.0％，Al 2.2～3.5％，Ti 3.1～4.2％，W 5.1～6.5％，Mo 0.3～0.9％，Nb 0.4～1.2％，C 0.005～0.15％，B0.001～0.03％，Zr 0.005～0.08％，Ni余量；
该合金化学成分中，Al+Ti≤7.2％；该合金Nv值小于2.45；
所述低成本高强抗热腐蚀镍基高温合金的制备工艺为：首先按照所述合金成分配料，然后采用真空感应炉熔炼，1560～1600℃精炼5～10min，然后在1410～1450℃浇注，壳温800～900℃，浇注后获得铸态镍基高温合金；
对铸态镍基高温合金进行热处理，过程如下：
(1)固溶处理温度1150～1180℃，处理时间3～5h；
(2)一次时效处理温度1030～1060℃，处理时间3～5h；
(3)二次时效处理温度830～870℃，处理时间16～20h。
2.按照权利要求1所述的低成本高强抗热腐蚀镍基高温合金，其特征在于：按重量百分含量计，该合金化学成分为：Cr 18.3～19.3％，Co10.3～11.5％，Al 2.3～3.0％，Ti 3.1～3.7％，W 5.5～6.2％，Mo 0.3～0.7％，Nb0.5～1.0％，C 0.008～0.14％，B 0.003～0.025％，Zr 0.004～0.06％，Ni余量。
3.按照权利要求1所述的低成本高强抗热腐蚀镍基高温合金的应用，其特征在于：所述镍基高温合金用于制备燃气轮机涡轮导向叶片。
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