CN113481413A

CN113481413A - 一种定向凝固镍基高温合金、透平叶片和燃气轮机

Info

Publication number: CN113481413A
Application number: CN202110564986.5A
Authority: CN
Inventors: 张建庭; 崔金艳; 尧健
Original assignee: Shenzhen Wedge Zhongnan Research Institute Co ltd
Current assignee: Shenzhen Wedge Zhongnan Research Institute Co ltd
Priority date: 2021-05-24
Filing date: 2021-05-24
Publication date: 2021-10-08

Abstract

本发明提供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：8.5～10.5wt％Co；13.7～14.3wt％Cr；4.0～4.4wt％Al；2.5～2.9wt％Ti；1.1～1.4wt％Ta；1.55～1.75wt％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。调节了Al、Ti、Ta、W含量，特别添加了Nb元素，使合金具有稳定的组织，抗氧化性和力学性能更优。

Description

一种定向凝固镍基高温合金、透平叶片和燃气轮机

技术领域

本发明涉及高温合金技术领域，具体地，涉及一种定向凝固镍基高温合金、透平叶片和燃气轮机。

背景技术

燃气轮机是关乎国防安全、能源安全和保持工业竞争力的战略产业，是一个国家科技和工业整体实力的重要标志之一，透平叶片作为重型燃气轮机的核心部件之一，工作温度极高，需要承受的应力大且复杂多变，需要材料具有优异的综合性能及较长的寿命。透平叶片的使用温度主要取决于材料的蠕变强度；为了使叶片能够承受高热循环载荷，叶片材料必须具有优异的冷热疲劳性能。由于透平叶片的工作温度极高，叶片材料必须具有良好的抗热腐蚀性能和抗氧化性能；工业燃气轮机的寿命比航空发动机的寿命要长得多，达几万甚至几十万小时，叶片材料应具有良好的组织稳定性，保证叶片能够长时间可靠运行。

为了满足燃气轮机进气温度不断提高的市场需求，国内外燃气轮机制造商都非常重视透平叶片材料的研发。国外燃气轮机叶片使用的材料经历了从传统等轴晶铸造合金到定向柱晶的发展过程，分别建立了独特的叶片材料体系。其中通用电气的GTD111、阿尔斯通的CM247LC和三菱的MGA1400作为各自体系的代表，是燃机叶片材料应用较广泛的典型牌号。上述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。如CM247LC的Cr含量较低，耐腐蚀性较差；GTD111合金中Ti含量较高，造成凝固前沿Ti元素偏析，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。MGA1400中的Ta较高，易析出TCP不稳定相，长期服役后组织出现退化，性能降低。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种定向凝固镍基高温合金、透平叶片和燃气轮机，以便解决现有技术中燃气轮机的透平叶片使用材料具有的耐腐蚀性差、稳定性差等技术问题。

为了实现上述目的，本发明提供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：8.5～10.5wt％Co；13.7～14.3wt％Cr；4.0～4.4wt％Al；2.5～2.9wt％Ti；1.1～1.4wt％Ta；1.55～1.75wt％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。

可选地，所述镍基高温合金包括4.1～4.3wt％Al。

可选地，所述镍基高温合金包括2.6～2.8wt％Ti。

可选地，所述镍基高温合金包括1.1～1.3wt％Ta。

本发明还提供一种透平叶片，使用前述的镍基高温合金材料。

本发明还提供一种燃气轮机，包括前述的透平叶片。

本发明提供的一种定向凝固镍基高温合金，调节了Al、Ti、Ta、W含量，特别添加了Nb元素，使合金具有稳定的组织，抗氧化性和力学性能更优。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例WZ-D1的DTA升温曲线；

图2为对比例GTD111的DTA升温曲线；

图3为对比例(左，枝晶间距331μm)和本发明实施例WZ-D1(右，枝晶间距319μm)的定向凝固试棒横截面组织图；

图4为本发明实施例和对比例GTD111、WZ-D1的平均抗氧化速率对比图；

图5为对比例GTD111和本发明实施例WZ-D1在900℃氧化100h后氧化层形貌图；

图6为对比例GTD111和本发明实施例WZ-D1在900℃长期时效1000h后TCP析出形貌图；

图7为对比例GTD111和本发明实施例WZ-D1在900℃长期时效1000h后γ′球化形貌图；

图8为对比例GTD111和本发明实施例WZ-D1在不同持久条件下的LMP值；

图9为对比例GTD111和本发明实施例WZ-D1在长期时效后980℃/190MPa条件下的持久寿命对比图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本发明提供一种定向凝固镍基高温合金，该合金具有更好的组织稳定性、持久力学性能及高温抗氧化能力。

本发明提供的定向凝固镍基高温合金成分(wt.％)包括：8.5～10.5％Co；13.7～14.3％Cr；4.0～4.4％Al；2.5～2.9％Ti；1.1～1.4％Ta；1.55～1.75％Nb；3.75～4.25％W；1.3～1.7％Mo；0.08～0.11％C；0.008～0.012％B；0.03～0.07％Zr，其余为Ni。

其中，优化的合金成分要求4.1～4.3％Al；

其中，优化的合金成分要求2.6～2.8％Ti；

其中，优化的合金成分要求1.1～1.3％Ta。

本发明提供的定向凝固镍基高温合金，调节了Al、Ti、Ta、W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为强化相γ′的重要形成元素，决定了γ′的体积分数；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；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Ta含量，添加了Nb元素，(Al+Ti+Ta+Nb)保持在较低水平，保证了γ′相的强化效果，同时保证TCP有害相不会大量析出。此外，本发明调节了各强化元素的相对比值，如Ti/Al值、Ti/Ta值以及(W+Mo)/(Ta+Ti)值，保证了碳化物的稳定性，以及较低的TCP相析出倾向。

本发明控制Ti/Al和Ti/Ta值，减少TCP相的析出，同时保证γ′的沉淀强化作用；通过添加Nb元素，共晶相析出减少；

本发明材料的高温抗氧化性能和持久性能优于对比合金GTD111；

本发明高温长期时效后组织稳定，TCP有害相析出减少；γ′球化程度小，仍显示一定的立方度，长期时效后的持久寿命退化幅度小。

本发明合金的成分如表1所示，实施例命名为WZ-D1。参见表1，示出了现有技术的几种高温合金和本发明实施例的高温合金成分对比表。

表1对比例和实施例成分对比表

图1、图2分别为本发明实施例和对比例GTD111合金的差热分析仪DTA测试结果，可见本发明实施例的γ′相固溶温度高于对比例GTD111，说明本发明实施例合金具有较好的高温强度；本发明实施例热处理窗口(T_S-T_γ′)大于GTD111，具有较好的工艺性，同时具有较小的糊状区(T_L-T_S)，不利于形成共晶。GTD111的升温曲线可见清晰尖锐的共晶吸热峰，溶解温度为1255℃，而本发明实施例则无此峰。图3为本发明实施例和对比例定向凝固试棒的枝晶间距测试图，显示实施例一次枝晶间距(PADS)为319μm，小于对比例的PADS 331μm，而控制较小的一次枝晶间距可以得到更优异的力学性能，从图1到图3说明本发明合金设计思路是有效的。

图4为本发明实施例和对比例合金平均抗氧化速率对比图，在900℃氧化100h后，本发明实施例和对比例均达到完全抗氧化级别(平均抗氧化速率＜0.1g/m²·h)，而本发明实施例的抗氧化性能更佳。图5为本发明实施例和对比例氧化层形貌分布，本发明实施例中氧化层厚度为2μm，仅为对比例GTD111的一半。本发明实施例氧化层为两层，氧化产物主要为Al₂O₃和NiO。对比例GTD111氧化层分为四层，除了Al和Ni的氧化物外，还含有Ti、Cr、C等复合氧化物。同等环境下，本发明实施例抗氧化能力更佳。

图6为对比例GTD111和本发明实施例WZ-D1在900℃长期时效1000h后的TCP析出形貌图，可以发现，对比例中析出针状有害η相，而本发明实施例无有害相析出。图7为合金在900℃长期时效1000h后γ′形貌图，可以发现对比例GTD111的γ′球化程度更大，本发明实施例WZ-D1仍保留一定的立方度。

图8为对比例GTD111和本发明实施例WZ-D1在不同持久条件下的LMP值，可以发现本发明实施例在不同的持久条件下，寿命均优于GTD111合金。图9为本发明实施例和对比例GTD111在900℃长期时效一段时间后在980℃/190MPa条件下进行的持久试验寿命比较，可以发现即使进行长期的高温时效，本发明实施例仍保持良好的寿命，且降低幅度小于对比例合金。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所发明的内容。

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：8.5～10.5wt％Co；13.7～14.3wt％Cr；4.0～4.4wt％Al；2.5～2.9wt％Ti；1.1～1.4wt％Ta；1.55～1.75wt％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.如权利要求1所述的镍基高温合金，其特征在于，所述镍基高温合金包括4.1～4.3wt％Al。

3.如权利要求1所述的镍基高温合金，其特征在于，所述镍基高温合金包括2.6～2.8wt％Ti。

4.如权利要求1所述的镍基高温合金，其特征在于，所述镍基高温合金包括1.1～1.3wt％Ta。

5.一种透平叶片，其特征在于，使用如权利要求1-4任一所示的镍基高温合金材料。

6.一种燃气轮机，其特征在于，包括如权利要求5所示的透平叶片。