CN112575229A - 一种长寿命高强抗热腐蚀镍基高温合金及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种长寿命高强抗热腐蚀镍基高温合金，包括如下按重量百分含量计的成分：Cr 18.0％～19.9％；Co 18.0％～25.0％；Al 1.6％～2.8％；Ti 3.1％～4.5％；Ta 0.1％～0.5％；W 3.1％～4.9％；Mo 0％～1.20％；Nb 0.7％～1.7％；C 0.005％～0.15％；B 0.003％～0.03％；Zr 0.005％～0.08％；Ni余量。本发明合金经成分设计优化，在保证合金抗热腐蚀和高温强度的同时，提高了合金的长寿命组织稳定性。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。

Description

一种长寿命高强抗热腐蚀镍基高温合金及其应用
技术领域
本发明涉及金属材料技术领域，尤其涉及一种适用于制备抗热腐蚀燃气轮机热端部件的长寿命高强抗热腐蚀镍基高温合金及其应用。
背景技术
与航空发动机相比，燃气轮机除要求高温合金应具有良好的蠕变、疲劳等高温强度外，还有其独特要求，具体的独特要求如下：(1)由于燃气轮机使用的燃料极容易造成材料的热腐蚀损伤，因此需要其具有优异的抗热腐蚀性能； (2)由于燃气轮机的寿命为几万乃至十几万小时，因此需要其具有良好的长期组织稳定性；(3)由于燃气轮机叶片尺寸大，且内腔结构复杂，因此需要其良好的铸造工艺性能。
Cr是提高合金抗热腐蚀性能的关键元素。为保证合金的抗热腐蚀性能，要求合金具有高的Cr含量。另外，为保证合金的高温蠕变性能，合金中需要加入 Al、Ti等是γ′强化形成元素和W、Mo等基体强化元素。但是随着合金化程度(难熔元素的含量)的提高，长期服役容易析出TCP相，恶化了材料的长寿命性能。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。
国外抗热腐蚀镍基高温合金发展比较完善，而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。为此，需要研发出长寿命高强抗热腐蚀高温合金，以满足我国重型燃气轮机发展的需求。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种适用于燃气轮机使用的长寿命高强抗热腐蚀镍基高温合金，该合金具有优异的抗热腐蚀性能，同时具有良好的长期的组织稳定性(Nv小于2.43)，保证合金的长期持久性能，可以满足燃气轮机涡轮叶片的使用要求。
本发明还提供一种将长寿命高强抗热腐蚀镍基高温合金应用于制备燃气轮机热端部件如燃气轮机涡轮导向叶片。
本发明采用如下技术方案实现：
一种长寿命高强抗热腐蚀镍基高温合金，包括如下按重量百分含量计的成分：
Cr 18.0％～19.9％；Co 18.0％～25.0％；Al 1.6％～2.8％；Ti 3.1％～4.5％；Ta 0.1％～0.5％；W 3.1％～4.9％；Mo 0％～1.20％；Nb 0.7％～1.7％；C 0.005％～0.15％； B 0.003％～0.03％；Zr 0.005％～0.08％；Ni余量。
进一步地，该长寿命高强抗热腐蚀镍基高温合金包括如下按重量百分含量计的成分：
Cr 18.3％～19.5％；Co 18.5％～22％；Al 1.7％～2.6％；Ti 3.2％～4.0％；Ta0.1％～0.4％；W 3.2％～4.9％；Mo<1.0％；Nb 0.9％～1.5％；C 0.007％～0.14％；B0.003％～0.025％；Zr 0.005％～0.06％；Ni余量。
进一步地，Al+Ti≤6wt％。
进一步地，W+1/2Mo≤5.4wt％。
进一步地，1.1wt％≤Nb+Ta≤1.6wt％。
进一步地，Co+Ta≤22.4wt％。
进一步地，所述长寿命高强抗热腐蚀镍基高温合金的Nv值小于2.43。
进一步地，所述长寿命高强抗热腐蚀镍基高温合金的制备工艺为：
按照合金中各成分进行配料，然后采用真空感应炉熔炼，在1550℃～1580℃的温度条件下，精炼5min～10min，再在1390℃～1430℃的温度条件下浇注，壳温的温度范围为800℃～900℃，浇注后，获得铸态镍基高温合金。
进一步地，在制备工艺中，对铸态镍基高温合金进行热处理的操作参数为：
固溶处理温度1140℃～1170℃，处理时间3h～5h；
时效处理温度830℃～870℃，处理时间16h～20h。
本发明还提供一种根据上述所述的长寿命高强抗热腐蚀镍基高温合金在制备燃气轮机热端部件如燃气轮机涡轮导向叶片中的应用。由于该长寿命高强抗热腐蚀镍基高温合金具有优异的组织稳定性，特别适宜制作热腐蚀环境下长期使用的高温部件，不限于在制备燃气轮机涡轮导向叶片中的应用，还可以用于制备其他高温部件。
本发明合金成分设计原理如下：
为了保证合金的抗热腐蚀性能，要求合金中高的Cr含量，因此，本发明的合金Cr含量范围为18-20％。对于抗热腐蚀高温合金，为了确保合金的长寿命组织稳定性和合金的工艺性能，Al+Ti之和不能太高，因此，本发明中Al+Ti≤ 6wt％。同时，为了弥补低Al、Ti含量所带来的强度不足问题，合金中加入了一定量的W、Mo、Nb、Ta等难熔元素，以提高合金的高温强度。但是由于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，所以需要要求W+1/2Mo<6.5％，优选地，W+1/2Mo≤5.4wt％。
由于Ta一方面是贵重元素，增加合金成本高；另一方面提高γ′相的溶解度，增加热处理的难度。所以本专利通过增加Nb含量(Nb>0.7％)和减少Ta含量 (Ta<0.5％)提高合金高温强度。进一步地，1.1wt％≤Nb+Ta≤1.6wt％。另一方面通过增加Co含量，增加Al、Ti等元素固溶度，抑制η相的析出；而且Co显著降低基体层错能，降低稳态蠕变速率，对长寿命持久性能有利。因此，本发明中Co+Ta≤22.4wt％。除此之外，本专利低的W含量，W≤4.9wt％，也会提高合金的长期组织稳定性能。综上所述，以上两个方面，是保证本专利发明的合金具有优异长期组织稳定性能的重要保障。
本发明合金中通过加入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，恶化材料的工艺性能。所以，本发明中Zr≤0.03wt％。
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 18～25％，Al 1.6～2.8％，Ti 3.1～4.5％， Ta 0.1～0.5％，W 3.1～4.9％，Mo<1.20％，Nb 0.7～1.7％，C 0.005～0.15％，B 0.003～0.03％，Zr 0.005～0.08％，Ni余量。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明合金经成分设计优化，在保证合金抗热腐蚀和高温强度的同时，提高了合金的长寿命组织稳定性。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为实施例2的铸态组织图；
图2为实施例2的20μm的热处理态组织图；
图3为实施例2的2μm的热处理态组织图；
图4为实施例3的高温合金试棒在时效3000h后的组织图；
图5为实施例6的高温合金试棒在时效3000h后的组织图；
图6为实施例7的高温合金试棒在时效3000h后的组织图。
具体实施方式
下面，结合具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
实施例1
一种长寿命高强抗热腐蚀镍基高温合金，包括如下按重量百分含量计的成分：
Cr 18.5％；Co 18.5％；Al 1.9％；Ti 3.8％；Ta 0％；W 4.9％；Mo 1.0％；Nb1.2％；C 0.1％；B 0.002％；Zr 0.017％；Ni余量。
将上述的合金用于制备成试棒，按照合金中各成分进行配料，然后采用真空感应炉熔炼，在1550℃～1580℃的温度条件下，精炼5min～10min，再在 1410±20℃的温度条件下浇注，壳温的温度范围为850±50℃，浇注后，获得铸态镍基高温合金试棒。其中，高温合金试棒的热处理参数为：1160±10℃/4h，850 ±20℃/16h。该高温合金试棒的Nv值为2.39。
实施例2
与实施例1不同的是，实施例2的长寿命高强抗热腐蚀镍基高温合金包括如下按重量百分含量计的成分：
Cr 18.5％；Co 18.9％；Al 1.9％；Ti 3.8％；Ta 0.1％；W 4.9％；Mo 1.0％； Nb1.2％；C 0.1％；B 0.015％；Zr 0.017％；Ni余量。
其制备方法与实施例1相同，在此不再赘述。
所得的高温合金试棒的Nv值为2.38。
该高温合金试棒的微观组织形貌如图1至图3所示，其中，图1为铸态组织图，图2为20μm的热处理态组织图，图3为2μm的热处理态组织图。从图1可知，铸态组织合金中无γ/γ′相共晶组织，从图2可知，热处理后，没有η相析出，从图3可知，γ′相组织为球状，单峰分布，尺寸200nm左右。
实施例3
与实施例1不同的是，实施例3的长寿命高强抗热腐蚀镍基高温合金包括如下按重量百分含量计的成分：
Cr 19.0％；Co 19.0％；Al 2.0％；Ti 3.9％；Ta 0.1％；W 4.5％；Mo 1.0％； Nb1.3％；C 0.1％；B 0.015％；Zr 0.017％；Ni余量。
其制备方法与实施例1相同，在此不再赘述。
所得的高温合金试棒的Nv值为2.46。
实施例4
与实施例1不同的是，实施例4的长寿命高强抗热腐蚀镍基高温合金包括如下按重量百分含量计的成分：
Cr 18.8％；Co 22.1％；Al 1.9％；Ti 3.7％；Ta 0.1％；W 3.1％；Mo 0.6％；Nb1.5％；C 0.13％；B 0.015％；Zr 0.030％；Ni余量。
其制备方法与实施例1相同，在此不再赘述。
所得的高温合金试棒的Nv值为2.37。
实施例5
与实施例1不同的是，实施例5的长寿命高强抗热腐蚀镍基高温合金包括如下按重量百分含量计的成分：
Cr 19.3％；Co 22.0％；Al 1.7％；Ti 4.3％；Ta 0.4％；W 3.1％；Mo 0％；Nb0.7％；C 0.005％；B 0.016％；Zr 0.010％；Ni余量。
其制备方法与实施例1相同，在此不再赘述。
所得的高温合金试棒的Nv值为2.41。
实施例6
与实施例1不同的是，实施例6的长寿命高强抗热腐蚀镍基高温合金包括如下按重量百分含量计的成分：
Cr 19.0％；Co 21.2％；Al 2.2％；Ti 3.5％；Ta 0.2％；W 3.5％；Mo 0.5％； Nb1.4％；C 0.12％；B 0.015％；Zr 0.027％；Ni余量。
其制备方法与实施例1相同，在此不再赘述。
所得的高温合金试棒的Nv值为2.43。
实施例7
与实施例1不同的是，实施例7的长寿命高强抗热腐蚀镍基高温合金包括如下按重量百分含量计的成分：
Cr 19.0％；Co 24.0％；Al 2.6％；Ti 3.2％；Ta 0.1％；W 3.1％；Mo 0％；Nb1.3％； C 0.14％；B 0.015％；Zr 0.009％；Ni余量。
其制备方法与实施例1相同，在此不再赘述。
所得的高温合金试棒的Nv值为2.44。
性能测试
各实施例中的高温合金试棒的持久性能如下表1所示：
表1各实施例高温合金试棒的900℃/201MPa持久性能表
Figure RE-GDA0002947000660000071
各实施例中的高温合金试棒的900℃的拉伸性能如表2所示：
表2各实施例高温合金试棒的900℃拉伸性能
合金 抗拉强度(MPa) 屈服强度(MPa) 延伸率(％) 断面收缩率(％)
1 682±3 633±4 4.8±0.4 5.5±0.7
2 501±8 454±3 16.1±4.4 15.1±1.5
4 498±7 416±6 20.0±3.8 35.2±11.5
5 445±11 408±7 21.2±3.8 38.2±14.7
6 516±8 467±6 21.0±1.8 37.5±3.8
7 486±6 433±5 20.0±2.8 36.4±12.3
实施例3、实施例6、实施例7中的高温合金试棒的850℃长期时效后的组织如图4至图6所示，其中，图4为实施例3的高温合金试棒在时效3000h后的组织图，图5为实施例6的高温合金试棒在时效3000h后的组织图，图6为实施例7的高温合金试棒在时效3000h后的组织图；从图4中可看出，实施例3 在时效3000h后，析出大量的σ相，其Nv＝2.46；从图5中可看出，实施例6在时效3000h后，没有析出σ相，其Nv＝2.43；从图6中可看出，实施例7在时效3000h后，析出大量的σ相，其Nv＝2.44；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2.43。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种长寿命高强抗热腐蚀镍基高温合金，其特征在于，包括如下按重量百分含量计的成分：
Cr 18.0％～19.9％；Co 18.0％～25.0％；Al 1.6％～2.8％；Ti 3.1％～4.5％；Ta0.1％～0.5％；W 3.1％～4.9％；Mo 0％～1.20％；Nb 0.7％～1.7％；C 0.005％～0.15％；B 0.003％～0.03％；Zr 0.005％～0.08％；Ni余量。
2.根据权利要求1所述的长寿命高强抗热腐蚀镍基高温合金，其特征在于，包括如下按重量百分含量计的成分：
Cr 18.3％～19.5％；Co 18.5％～22％；Al 1.7％～2.6％；Ti 3.2％～4.0％；Ta0.1％～0.4％；W 3.2％～4.9％；Mo<1.0％；Nb 0.9％～1.5％；C 0.007％～0.14％；B0.003％～0.025％；Zr 0.005％～0.06％；Ni余量。
3.根据权利要求1或2任意一项所述的长寿命高强抗热腐蚀镍基高温合金，其特征在于，Al+Ti≤6wt％。
4.根据权利要求1或2任意一项所述的长寿命高强抗热腐蚀镍基高温合金，其特征在于，W+1/2Mo≤5.4wt％。
5.根据权利要求1或2任意一项所述的长寿命高强抗热腐蚀镍基高温合金，其特征在于，1.1wt％≤Nb+Ta≤1.6wt％。
6.根据权利要求1或2任意一项所述的长寿命高强抗热腐蚀镍基高温合金，其特征在于，Co+Ta≤22.4wt％。
7.根据权利要求1或2任意一项所述的长寿命高强抗热腐蚀镍基高温合金，其特征在于，所述长寿命高强抗热腐蚀镍基高温合金的Nv值小于2.43。
8.根据权利要求1或2任意一项所述的长寿命高强抗热腐蚀镍基高温合金，其特征在于，所述长寿命高强抗热腐蚀镍基高温合金的制备工艺为：
按照合金中各成分进行配料，然后采用真空感应炉熔炼，在1550℃～1580℃的温度条件下，精炼5min～10min，再在1390℃～1430℃的温度条件下浇注，壳温的温度范围为800℃～900℃，浇注后，获得铸态镍基高温合金。
9.根据权利要求8所述的长寿命高强抗热腐蚀镍基高温合金，其特征在于，在制备工艺中，对铸态镍基高温合金进行热处理的操作参数为：
固溶处理温度1140℃～1170℃，处理时间3h～5h；
时效处理温度830℃～870℃，处理时间16h～20h。
10.一种根据权利要求1至权利要求9任一项所述的长寿命高强抗热腐蚀镍基高温合金在制备燃气轮机热端部件中的应用。
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