CN112342440A

CN112342440A - 一种定向凝固镍基高温合金

Info

Publication number: CN112342440A
Application number: CN202011080819.5A
Authority: CN
Inventors: 崔金艳; 张建庭; 尧健
Original assignee: Shenzhen Wedge Aviation Technology Co ltd; Shenzhen Wedge Zhongnan Research Institute Co ltd
Current assignee: Shenzhen Wedge Aviation Technology Co ltd; Shenzhen Wedge Zhongnan Research Institute Co ltd
Priority date: 2020-10-11
Filing date: 2020-10-11
Publication date: 2021-02-09

Abstract

本发明公开了一种定向凝固镍基高温合金，镍基高温合金的成分包括：9‑10wt％Co；13.7‑14.3wt％Cr；4.35‑4.75wt％Al；2.1‑2.55wt％Ti；4.55‑4.95wt％Ta；0.75‑1.25wt％Nb；3.75‑4.25wt％W；1.3‑1.7wt％Mo；0.08‑0.11wt％C；0.008‑0.012wt％B；0.03‑0.07wt％Zr；其余为Ni。本发明提供的定向凝固镍基高温合金调节了Al、Ti、Ta、Nb、C、B和Zr元素含量，特别添加了Nb元素，使合金具有稳定的组织，碳化物分布均匀，可铸造性、抗氧化性和力学性能更优。

Description

一种定向凝固镍基高温合金

技术领域

本发明涉及高温合金技术领域，特别涉及一种定向凝固镍基高温合金。

背景技术

先进大功率重型燃气轮机是国家能源发展战略中的关键装备，其发展代表着国家重大装备制造业的总体水平，是国家高新技术与科技实力的重要标志之一。现代先进重型发电燃气轮机的进气初温一般都在1300℃以上，接近金属材料的熔点，且燃气轮机热端部件服役过程中长期暴露于高温高腐蚀环境下，直接受高温燃气冲刷，极易失效。为使燃气轮机热端部件如叶片在高温、高速旋转条件下保持一定的强度，必须选用定向凝固高温合金。定向凝固高温合金就是高温合金熔体在铸型中凝固时，通过控制温度梯度和凝固速度，生成几乎相互平行的柱状晶。定向镍基合金由于优异的力学性能作为燃气轮机热端部件的首选材料。

目前，国内外先进燃气轮机一级工作叶片上使用的定向凝固镍基高温合金主要有GTD111、CM247LC和MGA1400。其合金成分(wt％)如图1(表1)所示。上述三种合金虽然均有良好的承温能力和较好的综合性能，但是还存在一些缺陷，限制了应用。例如，CM247LC的Cr含量较低，耐腐蚀性较差；GTD111合金中Ti含量较高，造成Ti元素凝固前沿偏析，促进η相(富Ti的针状有害相的一种类型)的形成，导致合金机械性能下降，严重时甚至会造成裂纹。且MC碳化物稳定性差，其分解过程中造成晶界粗化等不利影响。

发明内容

本发明的目的是在于提供一种定向凝固镍基高温合金，解决上述技术问题。

针对上述技术问题,本发明提出了一种定向凝固镍基高温合金，所述镍基高温合金的成分包括：

9-10wt％Co；

13.7-14.3wt％Cr；

4.35-4.75wt％Al；

2.1-2.55wt％Ti；

4.55-4.95wt％Ta；

0.75-1.25wt％Nb；

3.75-4.25wt％W；

1.3-1.7wt％Mo；

0.08-0.11wt％C；

0.008-0.012wt％B；

0.03-0.07wt％Zr；

其余为Ni。

优选的，包括4.4-4.7wt％Al；

优选的，包括2.2-2.4wt％Ti；

优选的，包括4.6-4.8wt％Ta；

优选的，包括0.8-1.2wt％Nb；

本申请还提供一种镍基高温合金，包括：

9.5wt％Co；

14.0wt％Cr；

4.5wt％Al；

2.3wt％Ti；

4.7wt％Ta；

1.0wt％Nb；

4wt％W；

1.5wt％Mo；

0.095wt％C；

0.008wt％B；

0.05wt％Zr；

其余为Ni。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明提供的定向凝固镍基高温合金调节了Al、Ti、Ta、Nb、C、B和Zr元素含量，特别添加了Nb元素，使合金具有稳定的组织，碳化物分布均匀，可铸造性、抗氧化性和力学性能更优。

附图说明

图1为现有集中高温合金及本发明实施例1的高温合金成分对比表(表1)。

图2对比例和实施例γ′相固溶温度对比图

图3对比例和实施例热处理窗口对比图

图4对比例和实施例糊状区区间对比图

图5对比例1和实施例平均抗氧化速率对比图

图6对比例1和实施例碳化物形貌及分布对比图

图7对比例1和实施例有害相析出对比图

图8对比例1和实施例铸态时共晶体积分数对比图

图9对比例1和实施例拉伸强度对比图

图10为对比例1和本实施例一次枝晶间距对比表(表2)。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

本实施例公开了一种定向凝固镍基高温合金，镍基高温合金的成分包括：9-10wt％Co；13.7-14.3wt％Cr；4.35-4.75wt％Al；2.1-2.55wt％Ti；4.55-4.95wt％Ta；0.75-1.25wt％Nb；3.75-4.25wt％W；1.3-1.7wt％Mo；0.08-0.11wt％C；0.008-0.012wt％B；0.03-0.07wt％Zr；其余为Ni。

如图1所示，相对于几种现有的高温合金，本发明实施例调节了Al、Ti、Ta、Nb、C、B和Zr元素含量，特别添加了Nb元素，使合金具有稳定的组织，碳化物分布均匀，抗氧化性和力学性能更优。

具体的，Al、Ti、Ta、Nb为γ′偏析元素，具有析出沉淀强化相作用。Al为强化相γ′的重要形成元素；Ta和Nb原子半径较大，加入合金中可增加γ′相的点阵常数，提高晶格错配度，获得立方度更好的γ′相，提高蠕变寿命；且Ta与Nb比Al和Ti更易与Ni结合，加入Ta和Nb可增加γ′相数量，提高γ′相强化效果；Nb元素还具有细化组织，降低共晶的体积分数和尺寸，使碳化物均匀分布的作用。但这些元素含量均需要控制在合理范围内。Ti含量过高，会导致合金内共晶体积分数增高，易产生脆性开裂。Ta和Nb同时是促进有害TCP相形成的元素，含量过高将易于TCP相析出。本发明降低了Ti含量，添加了Nb元素，Ta保持在合理水平，保证了γ′相的强化效果，调节了Ti/Al值、Ti/Ta值以及(W+Mo)/(Ta+Ti)保证了碳化物的稳定性，在保证组织均匀的前提下，无TCP相析出。

B和Zr为晶界强化元素，这些元素偏聚到晶界可提高晶界强度，提高蠕变强度，塑性以及疲劳寿命。但其含量也应在合理范围内，过高含量会导致C、B等元素与合金元素结合形成的化合物成长条状或汉字型沿晶界分布，不仅不能起到弥散强化作用，还会形成脆性区，使裂纹更易萌生和扩展。本发明降低了B元素含量，提高了Zr元素含量，在保证晶界强化的基础上，减少了脆性相的形成。

本实施例中，通过添加Nb元素，使得显微组织细化，MC碳化物分布均匀，减少共晶相析出。

本实施例中，通过控制Ti/Al值，使合金中在工作温度下无TCP相析出，同时保证γ′的沉淀强化作用。

本实施例中，通过调节Ti/Al值、Ti/Ta值，以(W+Mo)/(Ta+Ti)的优化设计保证了碳化物的稳定性；

本实施例中，以上成分设计保证了合金的糊状区区间(凝固区间)和热处理窗口(热处理不发生初融的温度范围)与对比例合金相近，同时使主要强化相γ′固溶温度提高，增加了γ′相的稳定性和合金的高温强度；

本实施例中的定向凝固镍基高温合金抗热氧化性达到完全抗氧化级别；

本实施例中，定向凝固镍基高温合金的一次枝晶间距小，具有良好的可铸造性。

进一步的，Al的成分为4.4-4.7wt％，Ti的成分为2.2-2.4wt％，Ta的成分为4.6-4.8wt％，Nb的成分为0.8-1.2wt％。

如图1(表1)所示，基于上述成分范围，提供一具体的镍基高温合金，其成分为：

9.5wt％Co；14.0wt％Cr；4.5wt％Al；2.3wt％Ti；4.7wt％Ta；1.0wt％Nb；4.0wt％W；1.5wt％Mo；0.095wt％C；0.008wt％B；0.05wt％Zr；其余为Ni。

基于该具体的镍基高温合金，如图2所示为现有三种镍基高温合金对比例和本实施例镍基高温合金的γ′相固溶温度对比，其中对比例1和本实施例为差热分析仪DTA测试结果，对比例2和对比例3为采用热力学软件模拟结果，可见本实施例的γ′相固溶温度高于对比例GTD111和MGA1400，说明实施例合金具有较好的高温强度。

如图3所示为对比例和本实施例热处理窗口对比图，其中对比例1和本实施例为差热分析仪DTA测试结果，对比例2和对比例3为热力学软件模拟结果，热处理窗口越大，可进行更好的热处理工艺优化，避免发生初融，本实施例热处理窗口高于GTD111和CM247LC，具有较好的工艺性。

如图4所示为对比例和本实施例糊状区区间对比图，越小越好。糊状区区间越小，形成共晶越少，实施例的糊状区区间小于三种对比例合金。其中对比例1和实施例为DTA测试结果，对比例2和对比例3为热力学软件模拟结果。

如图5所示为对比1和本实施例平均抗氧化速率对比图，实施例和对比例1均达到完全抗氧化级别(平均抗氧化速率＜0.1g/m²·h)。

如图6a及图6b所示，为对比例1(图6a)和本实施例(6b)碳化物形貌及分布对比图，实施例中仅析出极少量的长条状碳化物，几乎所有碳化物均沿晶界呈小块状均匀分布，对比例1沿晶界分布大量汉字型和长条状碳化物，本实施例中碳化物的形貌和分布表明实施例中碳化物较对比例1具有优异的晶界强化作用。

如图7a及图7b所示，对比例1(图7a)中析出针状有害η相，本实施例(图7b)无有害相析出。

如图8所示，凝固后，本实施例共晶体积分数较对比例1下降约3.2％。

如图9所示，不同温度条件下，本实施例的拉伸强度均优于对比例1。

如图10(表2)所示，为对比例1和本实施例的一次枝晶间距(PADS)对比，本实施例的PADS较对比例1略小，在一定程度上反映出实施例具有良好的可铸性。

本实施例中的镍基高温合金制备方法可以是常规的镍基高温合金制备方法，在此不进一步叙述。

上述实施例仅用于说明本发明的具体实施方式。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，都应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种定向凝固镍基高温合金，其特征在于，所述镍基高温合金的成分包括：

9-10wt％Co；

13.7-14.3wt％Cr；

4.35-4.75wt％Al；

2.1-2.55wt％Ti；

4.55-4.95wt％Ta；

0.75-1.25wt％Nb；

3.75-4.25wt％W；

1.3-1.7wt％Mo；

0.08-0.11wt％C；

0.008-0.012wt％B；

0.03-0.07wt％Zr；

其余为Ni。

2.按照权利要求1所述的定向凝固镍基高温合金，其特征在于，所述镍基高温合金包括4.4-4.7wt％Al。

3.按照权利要求1所述的定向凝固镍基高温合金，其特征在于，所述镍基高温合金包括2.2-2.4wt％Ti。

4.按照权利要求1所述的定向凝固镍基高温合金，其特征在于，所述镍基高温合金包括4.6-4.8wt％Ta。

5.按照权利要求1所述的定向凝固镍基高温合金，其特征在于，所述镍基高温合金包括0.8-1.2wt％Nb。

6.一种镍基高温合金，包括：

9.5wt％Co；

14.0wt％Cr；

4.5wt％Al；

2.3wt％Ti；

4.7wt％Ta；

1.0wt％Nb；

4wt％W；

1.5wt％Mo；

0.095wt％C；

0.008wt％B；

0.05wt％Zr；

其余为Ni。