专利名称：一种抗热蚀定向凝固镍基铸造高温合金的制作方法
技术领域：
本发明属于定向凝固镍基高温合金领域，特别是提供了一种抗热蚀定向凝固镍基 铸造高温合金，具有低成本、高性能；适用于在高温下(1050°c )使用的地面燃气轮机涡轮 叶片等热端部件的高温材料。
背景技术：
燃气轮机已成为世界主要动力设备之一，是关系到国防、能源、交通、环保等国计 民生的高技术产品。在燃气轮机所有部件中，涡轮工作叶片承受着最严酷的温度、应力、环 境的综合作用，是整个燃机系统中最重要的关键零部件。11万千瓦以上高功率高效率重型 燃机的涡轮叶片工作温度将接近1000°c，使用的是柴油、原油、重油、天然气或液体等燃料， 对叶片有很强的腐蚀性和冲刷磨损作用，因此工业燃气轮机涡轮叶片需要具有良好的耐热 腐蚀性。工业燃机涡轮的稳态运行时间和峰值温度运行时间约为100000小时，叶片合金需 要具有良好的长时组织稳定性。另外，在保证合金性能的前提下，应考虑到降低叶片的材料 成本。燃机叶片用镍基高温合金的性能是与强化元素在合金中的作用密不可分的。通过 对合金成分的优化，可以使合金获得良好的高温耐蚀特性。并且，通过适当的热处理工艺， 使得强化元素在对基体和’强化相中合理分配的同时，对合金中的’强化相的数量、尺寸和 形状进行调整，从而使合金具有最优的力学性能。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种抗热蚀定向凝固镍基铸造高温合金，具有低成本、 高性能；是一种重型燃气轮机涡轮叶片用的低成本、优良高温持久性能和抗热腐蚀性能的 镍基定向高温合金材料。本发明按重量百分比计，合金的成分为Cr 12-16 %, Co :8_10 %, Mo 1-2 %, W :4_5 %, Al 2~4 %, Ti 3. 5-5 %, Ta 0. 5-2. 5%, B 0. 01-0. 02%, Zr 0. 04-0. 06%, C 0. 05-0. 15%, Ni 余量。该合金的室温拉伸性能为σα2= 1150MPa σ b = 1380MPa δ 5/ % = 7. 0 % ψ/%= 13. 0。合金在930°C /270Mpa 下的高温持久性能为:t/h = 120. 15 δ 5/%= 24. 0 ψ/% =45. 0。合金中，各种元素的作用及其重量百分比含量的选择原理陈述如下Cr元素的主要作用在于保护合金表面不受0、S盐的作用而产生氧化和热腐蚀。一 般来说，抗热蚀较好的镍基合金中Cr元素的含量高于12wt. %，但过高的Cr含量容易导致 有害的TCP相在合金中的析出，损害合金的高温持久性能。W、Mo、Co元素的作用在于强化合金基体，它们主要固溶于基体中，并且，由于它们 的加入，降低了 1、Ti等元素在基体中的溶解度，从而提高了’强化相的数量。W、Mo元素与Ni的原子半径相差较大，因此，对合金有很强的固溶强化作用，可有效的提高合金热强性。 但是，过高的W、Mo含量容易导致有害的TCP相的和大块的碳化物析出。因此，适当的提高 Co元素的含量，增加W、Mo元素在合金中的溶解度以降低TCP相和碳化物析出并改善碳化 物的析出形态。Al,Ti,Ta元素为主要的’强化相的形成和强化元素，Al元素有利于提高合金的抗 氧化性能，Ti元素对提高合金的抗热蚀性能有利，由于本发明的合金为重型燃机轮机涡轮 叶片使用，对抗热蚀性能有较高的要求，因而，Ti元素的含量要高于Al。Ta元素的加入进 一步强化了’强化相，但Ta的价格高，为了控制合金的成本，在不影响合金性能的前提下，使 Ta元素保持在一个较低的水平。微量的C、B、Zr元素的作用在于对晶界和枝晶间起到强化和净化的作用。本发明的有点在于，合金Cr含量高于DZ22定向高温合金，在保证高的抗热腐蚀性 能的情况下，使合金的室温拉伸性能提高了 400MPa，高温持久性能在930°C /270Mpa下提 高了 20小时以上，可满足在高温度、强腐蚀环境下使用的重型燃气轮机涡轮工作叶片的要 求。
具体实施例方式下面通过一个具体的实例来说明本发明的镍基定向高温合金。合金的制备母合金采用真空感应炉熔炼，熔炼温度为1550-1600°C，精炼时间为lOmin，真空 度为10_2Pa。熔炼好的母合金锭在高温度梯度定向凝固炉中以1450°C进行浇注，并以3mm/ min的速度拉制定向合金试棒。(1)合金成分(wt. % )()
CCrMoWAlTi0. 115. 51. 44. 53. 04. 5TaBZrCoNbNi2. 00. 0150. 059. 50. 5余(2)合金热处理制度11800C /2h+1200°C /0. 5h+1230°C /3h 水淬后，1180°C /4h 空冷，再 845°C /24 小时 空冷；(3)合金的性能合金的室温拉伸性能为。Q2= 1150MPa ob= 1380MPa δ5/% = 7.0% ψ/% =13. O。合金在930°C Λ ΟΜρει 下的高温持久性能为t/h = 120. 15 δ 5/%= 24. O ψ/% =45. O。从本发明的实施例可以看出，本合金保持了低成本、高性能的特性。与国内高性能的定向高温合金DZ22相比，本合金的室温拉伸性能提高了近400Mpa，在930°C /270Mpa下 的高温持久时间提高了 20小时，本合金的Cr元素含量高出对比合金6个百分点(wt. %)， 有效的提高了合金的抗热蚀能力。本合金可用于高性能重型燃气轮机涡轮叶片材料。为了验证本发明合金材料成分上有效，本发明人做了多个成分上的试验，各成分 (wt. % )请见下表
权利要求
一种抗热蚀定向凝固镍基铸造高温合金，其特征在于成分按重量百分比计为Cr12 16％，Co8 10％，Mo1 2％，W4 5％，Al2 4％，Ti3.5 5％，Ta0.5 2.5％，B0.01 0.02％，Zr0.04 0.06％，C0.05 0.15％，Ni余量。
2.根据权利要求1所述的所述高温合金，其特征在于该合金的室温拉伸性能为σα2 =1150MPa σ b = 1380MPa δ 5/%= 7. 0% ψ/%=13. 0。
3.根据权利要求1或2所述的所述高温合金，其特征在于合金在930°C/270Mpa下的 高温持久性能为t/h = 120. 15 δ5/%= 24.0 ψ/%=45.0。
全文摘要
一种抗热蚀定向凝固镍基铸造高温合金，属于定向凝固镍基高温合金技术领域。成分按重量百分比计为Cr12-16％，Co8-10％，Mo1-2％，W4-5％，Al2-4％，Ti3.5-5％，Ta0.5-2.5％，B0.01-0.02％，Zr0.04-0.06％，C0.05-0.15％，Ni余量。本发明合金Cr含量高于DZ22定向高温合金，在保证高的抗热腐蚀性能的情况下，使合金的室温拉伸性能提高了400MPa，高温持久性能在930℃/270MPa下提高了20小时以上，可满足在高温度、强腐蚀环境下使用的重型燃气轮机涡轮工作叶片的要求。
文档编号C22C19/05GK101974708SQ20101053692
公开日2011年2月16日 申请日期2010年11月5日 优先权日2010年11月5日
发明者吴剑涛, 曾强, 李俊涛, 燕平, 赵京晨, 赵明汉, 韩凤奎 申请人:钢铁研究总院