CN110914463A - 高温镍基合金 - Google Patents

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Abstract

高温镍基合金，由以下项组成(以重量％计)：C 0.04‑0.1％，S最多0.01％，N最多0.05％，Cr 24‑28％，Mn最多0.3％，Si最多0.3％，Mo 1‑6％，Ti 0.5‑3％，Nb 0.001‑0.1％，Cu最多0.2％，Fe 0.1‑0.7％，P最多0.015％，Al 0.5‑2％，Mg最多0.01％，Ca最多0.01％，V 0.01‑0.5％，Zr最多0.1％，W 0.2‑2％，Co 17‑21％，B最多0.01％，O最多0.01％，Ni余量，以及由熔融产生的杂质。

Description

高温镍基合金
本发明涉及一种高温镍基合金。
材料C263(Nicrofer 5120 CoTi)尤其用作涡轮增压机或汽车发动机中的热屏障材料。热屏障在涡轮增压机内部将压缩机侧与涡轮机侧隔离并且热的排气直接流过。因为排气温度、尤其在奥托发动机中的排气温度变得越来越高，这可能导致部件的失效，例如呈变形的形式，这导致涡轮增压机的显著的性能降低。
排气温度可以为最高1,050℃，其中热屏障处达到的温度为约900至950℃。在这种温度下C263材料不再是耐蠕变的。材料C263的一般组成如下(以重量％)给出：Cr 19.0-21.0％，Fe最多0.7％，C 0.04-0.08％，Mn最多0.6％，Si最多0.4％，Cu最多0.2％，Mo 5.6-6.1％，Co 19.0-21.0％，Al 0.3-0.6％，Ti 1.9-2.4％，P最多0.015％，S最多0.007％，B最多0.005％。
从DE 100 52 023 C1得知一种奥氏体镍-铬-钴-钼-钨合金，包含(以质量％计)：C0.05-0.10％，Cr 21-23％，Co 10-15％，Mo 10-11％，Al 1.0-1.5％，W 5.1-8.0％，Y 0.01-0.1％，B 0.001-0.01％，Ti最多0.5％，Si最多0.5％，Fe最多2％，Mn最多0.5％，Ni余量，包括不可避免的由于熔融产生的杂质。所述材料可以用于燃烧发动机的压缩机和涡轮增压机、蒸汽涡轮机的部件、汽轮机和蒸汽轮机发电厂的部件。
EP 1 466 027 B1公开了一种耐高温且耐腐蚀的Ni-Co-Cr合金，包含(以重量％计)：Cr 23.5-25.5％，Co 15.0-22.0％，Al 0.2-2.0％，Ti 0.5-2.5％，Nb 0.5-2.5％，至多2.0％Mo，至多1.0％Mn，Si 0.3-1.0％，至多3.0％Fe，至多0.3％Ta，至多0.3％W，C 0.005-0.08％，Zr 0.01-0.3％，B 0.001至0.01％，至多0.05％的稀土元素作为混合稀土，Mg+Ca0.005-0.025％，任选地至多0.05％Y，余量的Ni和杂质。所述材料可以在介于530与820℃之间的温度范围内用作柴油发动机的排气阀以及蒸汽锅炉的管道。
在US 6,258,317 B1中说明了一种可用于汽轮机部件的合金，所述涡轮机部件用于至多750℃的温度，所述合金包含(以重量％计)：Co 10-24％，Cr 23.5-30％，Mo 2.4-6％，Fe 0-9％，Al 0.2-3.2％，Ti 0.2-2.8％，Nb 0.1-2.5％，Mn 0-2％，至多0.1％S i，Zr0.01-0.3％，B 0.001-0.01％，C 0.005-0.3％，W 0-0.8％,Ta 0-1％，余量的Ni和不可避免的杂质。
本发明的基本目的在于，在组成方面改变基于C263的材料，使得提高强度的相的稳定性朝向更高温度偏移。同时要注意，使其他相(例如Eta相)的稳定性极限向更低温度偏移。此外应试图启动另外的硬化机制。
这个目的通过一种高温镍基合金实现，所述高温镍基合金由以下项组成(以重量％计)：
C 0.04-0.1％
S 最多0.01％
N 最多0.05％
Cr 24-28％
Mn 最多0.3％
Si 最多0.3％
Mo 1-6％
Ti 0.5-3％
Nb 0.001-0.1％
Cu 最多0.2％
Fe 0.1-0.7％
P 最多0.015％
Al 0.5-2％
Mg 最多0.01％
Ca 最多0.01％
V 0.01-0.5％
Zr 最多0.1％
W 0.2-2％
Co 17-21％
B 最多0.01％
O 最多0.01％
Ni 余量，以及由熔融产生的杂质。
本发明合金的有利的改进方式由从属权利要求获得。
本发明的镍基合金应优选可用于暴露于高于700℃、有优选>900℃、尤其>950℃的部件温度的部件。实现了使γ主相(Gamma-Prime-Phase)向高温偏移的目标，其中同时同样可以实现其他相的稳定性(小于γ主相并且朝向低温)。
下文中将讨论合金的重要的应用情形：
汽车
-排气设备
-涡轮增压机
-传感器
-阀
-管道
-高温过滤器或其零件
-密封件
-弹簧元件
浮动式(fliegende)或固定式涡轮机
-轮片
-传导面
-传感器
-管道
-锥体
-壳体
发电厂
-管道
-传感器
-阀
-铸造零件
-涡轮机
-涡轮机壳体
所述部件总体上用在高温且高负载的环境中，其中存在部分高于900℃的持久的部件温度。此外，存在含氧气氛，例如来自轿车或货车发动机、推进器或汽轮机。
本发明的合金具有高温强度和持久强度，其中同时还存在高的耐高温腐蚀性(例如在排气的情况下)。
本发明的合金此外在高温下(尤其高于900℃下)是耐疲劳的。
可能的产品形式为：
-带
-板
-线
-棒
-铸造零件
-用于增材制造(例如3D打印)的粉末和经典粉末(例如烧结)
-管(焊接或无缝连接)
可以改变以下元素以便优化所希望的参数，如下文给出的(以重量％计)：
Cr 24-26％
Mo 2-6％，尤其4-6％
Mo 1.5-2.5％
Ti 0.5-2.5％，尤其1.5-2.5％
Al 0.5-1.5％
V 0.01-0.2％
W 0.2-1.5％，尤其0.5-1.5％
Co 18.5-21％
有利的是，Ti+Al(以重量％计)的总和为最小1％。在某些使用情形下可能适宜的是，Ti+Al(以重量％计)的总和为最小1.5％、尤其最小2％。
根据本发明的另一个构思，Ti/Al之比应为最大3.5、尤其最大2.0。
通过减小Ti/Al之比可以不形成或仅很少形成Eta-Ni3Ti。
本发明的高温镍基合金优选可用于大规模生产(>1吨)。
借助于实施例来详细说明本发明合金的优点：
在表1中对比了相同参考批次(实验室)的现有技术(大规模生产的Nicrofer 5120CoTi)以及多种本发明的合金组合物。
在表2中对比了多个大规模生产的批次的现有技术(大规模生产的Nicrofer 5120CoTi)。
表1
Figure BDA0002283783710000051
Figure BDA0002283783710000061
表1(续)
Figure BDA0002283783710000071
Figure BDA0002283783710000081
表2
Figure BDA0002283783710000082
Figure BDA0002283783710000091
对每种熔体分别使用8kg初始材料(表1)。在铸造之后对样品进行谱图分析。随后将样品轧制成6mm厚度。通过在实验室轧机上进一步轧制(带有中间退火)，将样品轧制到0.4mm的最终厚度。
在1,150℃下进行溶液退火30分钟，随后进行水淬。
在800、850、900及950℃的温度下沉积硬化4/8/16小时，随后进行水淬。
变体250575至250577在此相对于现有技术(分别相对于变体250573和250574)示出非常高的硬度等级。这意味着，提高强度的相(在此为γ主相)仍然是稳定的。
为了大规模应用(表2)，在中频感应炉中生产材料，然后作为连铸件铸造成扁锭模(Brammenform)。随后将板坯在电炉渣再熔炉中再熔融成另外的板坯(或为棒)。然后将相应的板坯热轧，以便生成厚度为约6mm的带状材料。随后是将带状材料轧制到约0.4mm的最终厚度的冷轧过程。
由此，现在存在用于深拉或冲压产品的初始材料。按照需求，可以取决于产品再进行热加工。
如下的制备途径对于生产用于航空器的部件而言是适当的：
VIM-VAR
VAR之后的产品形式可以为板坯或棒。
成型可以通过轧制或锻造来进行。
如下的制备途径对于生产用于发电厂或汽车的部件而言也是适当的：
VIM-ESU
在此，通过锻造或轧制的成型也是可设想的。
图1示出了在典型的900℃的应用温度以及60MPa的负载下不同材料依赖于时间的蠕变伸长。展示了材料C-263标准(Nicrofer 5120CoTi)、C-264变体76(批次250576)以及C-264变体77(批次250577)。
在标准形式中可以看到，在预定的温度和负载下，材料在小于100小时之后失效。
两种其他变体显示出了分别约400小时和约550小时的使用寿命。
变体76和77显示出了改进的使用寿命，这在工作状态下导致更高的蠕变阻力以及因此造成了小得多的部件变形。

Claims (20)

1.一种高温镍基合金，由以下项组成(以重量％计)：
Figure FDA0002283783700000011
2.根据权利要求1所述的镍基合金，具有(以重量％计)24-26％的Cr。
3.根据权利要求1或2所述的镍基合金，具有(以重量％计)2-6％的Mo。
4.根据权利要求1或2所述的镍基合金，具有(以重量％计)1.5-2.5％的Mo。
5.根据权利要求1或2所述的镍基合金，具有(以重量％计)4-6％的Mo。
6.根据权利要求1至5之一所述的镍基合金，具有(以重量％计)0.5-2.5％的Ti。
7.根据权利要求1至5之一所述的镍基合金，具有(以重量％计)1.5-2.5％的Ti。
8.根据权利要求1至7之一所述的镍基合金，具有(以重量％计)0.5-1.5％的Al。
9.根据权利要求1至8之一所述的镍基合金，具有(以重量％计)0.01-0.2％的V。
10.根据权利要求1至9之一所述的镍基合金，具有(以重量％计)0.5-1.5％的W。
11.根据权利要求1至10之一所述的镍基合金，其中Ti+Al(以重量％计)的总和为最小1％。
12.根据权利要求1至11之一所述的镍基合金，其中Ti+Al(以重量％计)的总和为最小1.5％、尤其最小2％。
13.根据权利要求1至12之一所述的镍基合金，其中Ti/Al之比为最大3.5、尤其最大2.0。
14.根据权利要求1至13之一所述的镍基合金，能够用于暴露于>700℃、尤其900℃、或更确切地950℃的部件温度的部件。
15.根据权利要求1至14之一所述的镍基合金，能够用于燃烧发动机中的部件。
16.根据权利要求1至15之一所述的镍基合金，能够用作涡轮增压机的部件。
17.根据权利要求1至14之一所述的镍基合金，能够用于浮动式或固定式涡轮机、尤其汽轮机中的部件。
18.根据权利要求17所述的镍基合金，能够用于浮动式或固定式涡轮机、尤其汽轮机中的轮片或传导元件。
19.根据权利要求1至14之一所述的镍基合金，能够用于发电厂中的部件。
20.根据权利要求19所述的镍基合金，能够用于发电厂中的管道或传感器。
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