一種抗熱蝕定向凝固鎳基高溫合金及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及鑄造高溫合金技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種抗熱蝕定向凝固鎳基高溫合金 及制備方法，特別是能夠應(yīng)用于高溫(1100°C)使用的燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片等熱端部件。
【背景技術(shù)】
[0002] 燃?xì)廨啓C(jī)是世界上主要動力設(shè)備之一，直接影響到能源、交通、環(huán)保等高技術(shù)產(chǎn)品 的發(fā)展。渦輪葉片是燃?xì)廨啓C(jī)所有部件中最重要的關(guān)鍵部件，承受著最嚴(yán)酷的溫度、應(yīng)力、 環(huán)境的綜合作用。11萬千瓦以上高功率高效率重型燃機(jī)的渦輪葉片工作溫度將接近1000 °C，使用柴油、原油、重油、天然氣或液體等重污染燃料，對葉片有很強(qiáng)的腐蝕性和沖刷磨損 作用，因此燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片需要具有良好的耐熱腐蝕性；同時工業(yè)燃機(jī)渦輪的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行 時間和峰值溫度運(yùn)行時間約為100000小時，因此燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片需要具有良好的長時組 織穩(wěn)定性。另外，在保證合金性能的前提下，應(yīng)考慮到降低葉片的材料成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 鑒于上述的分析，本發(fā)明旨在提供一種抗熱蝕定向凝固鎳基高溫合金及制備方 法，不僅具有優(yōu)異的高溫持久性能和抗熱腐蝕性能，同時不含有稀貴金屬，降低成本。
[0004]本發(fā)明的目的主要是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0005]本發(fā)明一種抗熱蝕定向凝固鎳基高溫合金，包括以下成分：以重量百分比計(jì)，Cr: 12-14% ,Co：7.5-8.5% ,Mo：1.0-1.8% ,ff：3.5-4.3% ,Al：3.4-4.2% ,Ti：3.5-4.3% ,Ta： 4.0-5.0%，B:0.005-0.015%，Zr:0.015-0.025%，C:0.09-0.15%，Hf: 0.3-0.8%，余量為 Ni〇
[0006]對本發(fā)明所述的抗熱蝕定向凝固鎳基高溫合金中各元素及重量百分比選擇理由 陳述如下：
[0007] Cr元素的主要作用在于保護(hù)合金表面不受0、S鹽的作用而產(chǎn)生氧化和熱腐蝕。鎳 基合金中Cr元素的含量高于12wt. %，才有較好的抗熱蝕效果，但過高的Cr含量容易導(dǎo)致有 害的TCP相(拓?fù)涿芘畔?在合金中的析出，損害合金的高溫持久性能。因此，本發(fā)明中Cr含 量控制在12-14%，在保證合金具有良好的抗熱蝕性能的同時，也使合金獲得優(yōu)異的組織穩(wěn) 定性。
[0008]W、Mo、Co元素的作用在于強(qiáng)化合金基體，它們主要固溶于γ基體中，同時由于它們 的加入，能夠降低Al、Ti等元素在基體中的溶解度，從而提高了γ'強(qiáng)化相的數(shù)量。W、Mo元素 與Ni的原子半徑相差較大，因此，對合金有很強(qiáng)的固溶強(qiáng)化作用，可有效的提高合金熱強(qiáng) 性。但是，過高的W、Mo含量不利于合金的抗高溫?zé)嵛g性能，且容易導(dǎo)致有害的TCP相的和大 塊的碳化物析出，降低合金高溫力學(xué)性能。因此，適當(dāng)?shù)奶岣逤o元素的含量，能夠增加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態(tài);并且，維持W、 Mo元素的含量在一個適當(dāng)?shù)乃剑蛊鋵w起到強(qiáng)化作用的同時，兼顧合金的抗熱蝕性 能。綜合Co、Mo和W對基體的強(qiáng)化作用以及對抗高溫?zé)嵛g性能的影響，本發(fā)明控制Co含量為 7.5-8.5%，Mo含量為 1.0-1.8%，W含量為3.5-4.3%。
[0009]Al、Ti、Ta元素為主要的γ'強(qiáng)化相的形成和強(qiáng)化元素，A1元素有利于提高合金的 抗氧化性能，Ti元素有利于提高合金的抗熱蝕性能，由于本發(fā)明的合金主要為重型燃機(jī)輪 機(jī)渦輪葉片使用，對抗熱蝕性能和抗氧化性能均有較高的要求，因而，Ti元素的含量與A1元 素相當(dāng)。Ta元素的加入進(jìn)一步強(qiáng)化了γ'強(qiáng)化相，可有效的提高合金的高溫力學(xué)性能且還可 進(jìn)一步提高合金的抗熱蝕性能。
[0010] 微量的C、B、Zr、Hf元素的作用在于對晶界起到強(qiáng)化和凈化的作用。C、B元素主要作 為間隙原子富集于晶界并且與其它元素在晶界處形成碳化物和硼化物，對晶界處位錯運(yùn)動 起到釘扎作用，從而達(dá)到強(qiáng)化晶界的作用；Zr、Hf元素可以與偏聚于晶界的有害的微量S元 素相結(jié)合以達(dá)到凈化晶界的目的。
[0011] 本發(fā)明還提供一種抗熱蝕定向凝固鎳基高溫合金的制備方法，包括熔煉母合金、 定向凝固及熱處理，所述定向凝固及熱處理具體如下：
[0012] (1)定向凝固：將熔煉的所述母合金在高真空定型凝固爐中定向凝固形成柱狀晶 合金，控制所述凝固爐中真空度小于9.0\10_屮&，澆注溫度為1500-1580°(3，模殼溫度為 1480-1540°C，水冷結(jié)晶器溫度20-30°C，抽拉速度為3-9mm/min，溫度梯度為50-100°C;
[0013] (2)熱處理:將步驟（1)所述柱狀晶合金在加熱爐中隨爐升溫至1175-1185°C后，以 5-10°C/小時的速率升溫至1220-1240°C，保溫3-5小時后，空冷至室溫;升溫至1060-1100 °C，保溫3-5小時后，空冷至室溫;升溫至840-880°C，保溫16-32小時后，空冷至室溫。
[0014]進(jìn)一步地，所述母合金恪煉采用真空感應(yīng)爐。
[0015]本發(fā)明有益效果如下：
[0016]本發(fā)明提供的一種抗熱蝕定向凝固鎳基高溫合金采用水冷結(jié)晶盤快速凝固法控 制合金定向凝固，制備優(yōu)質(zhì)組織的柱狀晶合金，并配合熱處理將柱狀晶再結(jié)晶，制備具有優(yōu) 異的高溫持久性能和抗熱腐蝕性能，不僅制備工藝簡單、無污染，同時由于不含有稀貴金 屬，使成本降低。與DZ22合金相比，在保證高的抗熱腐蝕性能的情況下，使合金的室溫拉伸 性能提高了 400MPa，高溫持久性能在930°C/270Mpa下提高了 80小時，持久性更好;本發(fā)明定 向凝固鎳基高溫合金中限電子空位數(shù)為2.387,將低了TCP相的形成傾向；可滿足在高溫度、 強(qiáng)腐蝕環(huán)境下使用的重型燃?xì)廨啓C(jī)渦輪工作葉片的要求。
[0017]本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的說明書中闡述，并且，部分的從說明書中變 得顯而易見，或者通過實(shí)施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點(diǎn)可通過在所寫的說明 書、權(quán)利要求書、以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)和獲得。
【附圖說明】
[0018]附圖僅用于示出具體實(shí)施例的目的，而并不認(rèn)為是對本發(fā)明的限制，在整個附圖 中，相同的參考符號表不相同的部件。
[0019]圖1為實(shí)施例1柱狀晶合金的橫向組織；
[0020] 圖2為實(shí)施例1柱狀晶合金的縱向組織；
[0021]圖3為實(shí)施例2經(jīng)900°C/3000h長期時效處理后的微觀組織。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖來具體描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，其中，附圖構(gòu)成本申請一部分，并 與本發(fā)明的實(shí)施例一起用于闡釋本發(fā)明的原理。
[0023] 實(shí)施例1
[0024]本實(shí)施例提供一種抗熱蝕定向凝固鎳基高溫合金，其成分如表1:
[0025]表1實(shí)施例1合金成分
[0027]制備方法如下步驟：
[0028] (1)在真空感應(yīng)爐中采用常規(guī)冶煉方法熔煉如表1成分的母合金；
[0029] (2)將熔煉的母合金在高真空定型凝固爐中進(jìn)行定向凝固，控制模殼溫度1500°C， 真空度5.5Xl(T2Pa，澆注溫度1520°C，水冷結(jié)晶器溫度25°C，抽拉速度為6mm/min，溫度梯度 為50°C，得到柱狀晶合金；
[0030] (3)熱處理，將柱狀晶合金放入加熱爐