一种高温合金铸件及其制备方法技术

本发明专利技术属于高温合金金属材料领域，涉及一种用于燃气轮机热端零部件的高温合金铸件及其制备方法。该合金的化学成分的质量百分比为：Cr 3.5～7.5％，Mo1.0～4.0％，W 4.5～8.5％，Re 0～4.0％，Ta 4.0～8.0％，Al 4.0～7.0％，Co 6.8～9.2％，Ti0～2.0％，C 0～0.05％，B 0～0.04％，Hf 0～0.4％，Nb 0～1％，Ni为余量。本发明专利技术通过控制Cr与Mo的质量百分比比值，调整W元素及(B+Hf)元素的配比，提高了合金的高温持久寿命、耐高温燃气热腐蚀性能、铸造工艺性能和小角度晶界缺陷的容限。该合金适于制造燃气轮机涡轮工作叶片和导向叶片。

A kind of superalloy castings and their preparation methods

The invention belongs to the field of high temperature alloy metal materials, and relates to a high temperature alloy casting used in the hot end parts of a gas turbine and a preparation method. The mass percentage of the chemical composition of the alloy is Cr 3.5 ~ 7.5%, Mo1.0 ~ 4%, W 4.5 ~ 8.5%, 0 ~ 4% Re, Ta 4 ~ 8%, 4 ~ 7% Al, Co 6.8 ~ 9.2%, Ti0 ~ 2%, C 0 ~ 0.05%, 0 ~ B 0.04%, Hf 0 ~ 0.4%, 0 ~ 1% Nb, Ni margin. By controlling the mass percentage ratio between Cr and Mo, adjusting the proportion of W elements and (B+Hf) elements, the invention improves the high-temperature endurance life, high temperature hot gas corrosion resistance, casting process performance and tolerance of small angle grain boundary defects of the alloy. The alloy is suitable for the manufacture of gas turbine turbine blades and guiding blades.

【技术实现步骤摘要】
一种高温合金铸件及其制备方法
本专利技术属于高温合金金属材料领域，涉及一种用于燃气轮机热端零部件的高温合金铸件及其制备方法，尤其涉及一种用于制造燃气轮机涡轮工作叶片和导向叶片的耐热腐蚀长寿命高温合金。
技术介绍
随着我国天然气资源的开发以及节能环保、经济社会可持续发展需求的日益凸显，与柴油机、蒸汽轮机等传统动力装置相比具有体积小、效率高、污染低、功率范围广等优点的燃气轮机被广泛用于工业发电、船舶动力、石油及天然气输送等领域。燃气轮机热效率、输出功率和涡轮前进口温度的增加，对燃气轮机涡轮工作叶片和导向叶片等热端零部件用高温合金材料的承温能力及高温蠕变持久性能的需求也不断提升。为了提高合金的承温能力及高温蠕变持久性能，合金中铼、钨、钼、钽等难熔元素的含量不断增加，然而增加难熔元素含量在改善合金承温能力、提高合金蠕变持久性能的同时，也容易促进服役过程中脆性TCP相等有害相的析出，从而破坏合金的高温长期时效组织稳定性并恶化合金的蠕变持久性能。另一方面，与航空发动机相比，燃气轮机叶片尺寸、重量和工作寿命在数倍以上，并且具有复杂的外型和内腔结构。随着叶片尺寸的增大以及叶片外型、内腔结构复杂程度的增加，其定向凝固制备以及小角度晶界等缺陷控制的难度也大大增加，对合金的铸造工艺性能和小角度晶界缺陷容限要求不断提升。此外，燃气轮机热端零部件用高温合金材料的服役环境复杂，燃油中含有硫、钒、钠等杂质及高温燃气的冲刷破坏，要求合金具有较好的耐热腐蚀性能。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种在地面燃气轮机、舰船燃气轮机等含腐蚀介质环境中使用的并具有长寿命要求的一种高温合金铸件及其制备方法。本专利技术的技术解决方案如下：合金的化学成分的质量百分比为：Cr3.5～7.5％，Mo1.0～4.0％，W4.5～8.5％，Re0～4.0％，Ta4.0～8.0％，Al4.0～7.0％，Co6.8～9.2％，Ti0～2.0％，C0～0.05％，B0～0.04％，Hf0～0.4％，Nb0～1％，Ni为余量；合金中Cr、Mo、W、B和Hf的化学成分控制如下：1.0≤Cr与Mo的质量百分比比值≤7.5，W4.5～8.5％；其中，当1.0≤Cr与Mo的质量百分比比值≤2.0时，W4.5～6.0％，0.25％≤B+Hf≤0.44％；当2.0＜Cr与Mo的质量百分比比值≤4.0时，W6.0～7.0％，0＜B+Hf＜0.25％；当4.0＜Cr与Mo的质量百分比比值≤7.5时，W7.0～8.5％，0.25％＜B+Hf≤0.44％，铸件的制备步骤如下：1)按所述合金化学成分配比进行配料，加入真空感应熔炼炉中进行熔炼，熔炼过程包含熔化、精炼、降温、合金化及浇注五个步骤；在熔化步骤中，将镍、铬、钼、钨、铼、钽、钴、碳、铌装入坩埚，待化清后精炼30～50min，精炼结束后搅拌合金液熔体，然后停电降温直至合金液结膜；再通电，加入铝和钛并熔炼5～20min后搅拌合金液熔体，再加入硼和铪熔炼5～20min后搅拌合金液熔体，使成分均匀化；最后，停电降温，当合金液熔体温度达到浇注温度后进行浇注，浇注温度为1500～1600℃，浇注应带电并采用过滤器过滤合金液熔体，将合金液熔体浇注在锭模中制成母合金锭；2)采用铸件的蜡模模具压制出铸件蜡模，在铸件蜡模表面涂挂5～12mm厚的陶瓷浆料，然后在脱蜡釜中采用温度为150～300℃，压力为3～7MPa的高温高压水蒸气将蜡模脱除，在1300～1800℃下焙烧3～8h后制备成陶瓷壳型；3)将上述第二步中制得的陶瓷壳型放入真空感应熔炼定向凝固炉中，按照浇铸铸件所需重量切取母合金锭，将母合金锭放入熔炼坩埚中，调节真空感应熔炼定向凝固炉的加热温度至1550～1750℃将母合金锭熔化，熔化后的金属液浇入陶瓷壳型中并保温5～15min，然后以2～15mm/min的速度向下移动拉晶，拉晶结束后随炉冷却至室温并取出铸件；4)将制得的铸件进行热处理，所采用的热处理工艺为：(1)固溶处理：在1250～1320℃保温2～6h，随后空冷至室温；(2)高温时效处理：在1080～1160℃保温2～6h，随后空冷至室温；(3)低温时效处理：在860～930℃保温12～20h，随后空冷至室温。当所制备的铸件为定向凝固单晶燃气涡轮叶片时，合金的化学成分中的1.0≤Cr与Mo的质量百分比比值≤2.0，W4.5～6.0％，0.25％≤B+Hf≤0.44％，当所制备的铸件为定向凝固柱晶燃气涡轮叶片时，合金的化学成分中的1.0≤Cr与Mo的质量百分比比值≤2.0，W4.5～6.0％，0.25％≤B+Hf≤0.44％。当所制备的铸件为空心定向凝固单晶燃气涡轮叶片时，合金的化学成分中的2.0＜Cr与Mo的质量百分比比值≤4.0，W6.0～7.0％，0＜B+Hf＜0.25％。当所制备的铸件为空心定向凝固柱晶燃气涡轮叶片时，合金的化学成分中的4.0＜Cr与Mo的质量百分比比值≤7.5，W7.0～8.5％，0.25％＜B+Hf≤0.44％。所述的合金的化学成分的质量百分比为：Cr5.2～6.2％，Mo2.0～3.0％，W5.8～6.8％，Re2.5～3.5％，Ta5.5～6.5％，Al5.2～6.2％，Co7.5～8.5％，Ti0～1.0％，C0.01～0.03％，B0～0.03％，Hf0.05～0.3％，Nb0～0.5％，Ni为余量。所述的合金的化学成分的质量百分比为：Cr5.6～6.4％，Mo2.3～3.3％，W5.0～6.2％，Re1.8～3.2％，Ta4.8～6.5％，Al4.0～6.0％，Co7.4～8.3％，Ti0～2.0％，C0.01～0.05％，B0～0.03％，Hf0.2～0.4％，Nb0～0.7％，Ni为余量。7.根据权利要求5所述的一种高温合金铸件的制备方法，其特征在于：所述的合金的化学成分的质量百分比为：Cr5.8％，Mo2.6％，W6.4％，Re3.0％，Ta6.1％，Al5.7％，Co8.0％，Ti0％，C0.02％，B0.01％，Hf0.2％，Nb0％，Ni为余量。所述的合金的化学成分的质量百分比为：Cr6.0％，Mo2.9％，W5.4％，Re3.0％，Ta5.8％，Al5.2％，Co7.7％，Ti0.3％，C0.02％，B0.03％，Hf0.4％，Nb0.5％，Ni为余量。本专利技术具有显著的优点，本专利技术的主要技术方案是控制Cr与Mo的质量百分比比值，调整W元素及(B+Hf)元素的配比，使合金同时具有良好的高温长期时效组织稳定性、耐高温燃气热腐蚀性能、高温持久性能、铸造工艺性能和小角度晶界缺陷容限。本专利技术具有良好的高温持久性能、高温长期时效组织稳定性、铸造工艺性能、耐高温燃气热腐蚀性能和小角度晶界缺陷容限。本专利技术通过控制Cr与Mo的质量百分比比值，调整W元素及(B+Hf)元素的配比，能够保证合金具有高的持久性能的同时，使合金的耐高温燃气热腐蚀性能、组织稳定性和铸造工艺性能得到提高，达到如下性能：合金在温度为1030℃，载荷为230MPa条件下测试持久寿命，其持久寿命≥65h，优于ReneN5合金，合金在1030℃/230MPa条件下的持久寿命如表1所示；合金与ReneN5合金980℃燃气热腐蚀增重曲线对比如图1所示，图1中显示合金在980℃/100h燃气热腐蚀本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高温合金铸件的制备方法，其特征在于：合金的化学成分的质量百分比为：Cr 3.5～7.5％，Mo 1.0～4.0％，W 4.5～8.5％，Re 0～4.0％，Ta 4.0～8.0％，Al 4.0～7.0％，Co 6.8～9.2％，Ti 0～2.0％，C 0～0.05％，B 0～0.04％，Hf 0～0.4％，Nb 0～1％，Ni为余量；合金中Cr、Mo、W、B和Hf的化学成分控制如下：1.0≤Cr与Mo的质量百分比比值≤7.5，W 4.5～8.5％；其中，当1.0≤Cr与Mo的质量百分比比值≤2.0时，W 4.5～6.0％，0.25％≤B+Hf≤0.44％；当2.0＜Cr与Mo的质量百分比比值≤4.0时，W 6.0～7.0％，0＜B+Hf＜0.25％；当4.0＜Cr与Mo的质量百分比比值≤7.5时，W 7.0～8.5％，0.25％＜B+Hf≤0.44％，铸件的制备步骤如下：1)按所述合金化学成分配比进行配料，加入真空感应熔炼炉中进行熔炼，熔炼过程包含熔化、精炼、降温、合金化及浇注五个步骤；在熔化步骤中，将镍、铬、钼、钨、铼、钽、钴、碳、铌装入坩埚，待化清后精炼30～50min，精炼结束后搅拌合金液熔体，然后停电降温直至合金液结膜；再通电，加入铝和钛并熔炼5～20min后搅拌合金液熔体，再加入硼和铪熔炼5～20min后搅拌合金液熔体，使成分均匀化；最后，停电降温，当合金液熔体温度达到浇注温度后进行浇注，浇注温度为1500～1600℃，浇注应带电并采用过滤器过滤合金液熔体，将合金液熔体浇注在锭模中制成母合金锭；2)采用铸件的蜡模模具压制出铸件蜡模，在铸件蜡模表面涂挂5～12mm厚的陶瓷浆料，然后在脱蜡釜中采用温度为150～300℃，压力为3～7MPa的高温高压水蒸气将蜡模脱除，在1300～1800℃下焙烧3～8h后制备成陶瓷壳型；3)将上述第二步中制得的陶瓷壳型放入真空感应熔炼定向凝固炉中，按照浇铸铸件所需重量切取母合金锭，将母合金锭放入熔炼坩埚中，调节真空感应熔炼定向凝固炉的加热温度至1550～1750℃将母合金锭熔化，熔化后的金属液浇入陶瓷壳型中并保温5～15min，然后以2～15mm/min的速度向下移动拉晶，拉晶结束后随炉冷却至室温并取出铸件；4)将制得的铸件进行热处理，所采用的热处理工艺为：(1)固溶处理：在1250～1320℃保温2～6h，随后空冷至室温；(2)高温时效处理：在1080～1160℃保温2～6h，随后空冷至室温；(3)低温时效处理：在860～930℃保温12～20h，随后空冷至室温。...

【技术特征摘要】
1.一种高温合金铸件的制备方法，其特征在于：合金的化学成分的质量百分比为：Cr3.5～7.5％，Mo1.0～4.0％，W4.5～8.5％，Re0～4.0％，Ta4.0～8.0％，Al4.0～7.0％，Co6.8～9.2％，Ti0～2.0％，C0～0.05％，B0～0.04％，Hf0～0.4％，Nb0～1％，Ni为余量；合金中Cr、Mo、W、B和Hf的化学成分控制如下：1.0≤Cr与Mo的质量百分比比值≤7.5，W4.5～8.5％；其中，当1.0≤Cr与Mo的质量百分比比值≤2.0时，W4.5～6.0％，0.25％≤B+Hf≤0.44％；当2.0＜Cr与Mo的质量百分比比值≤4.0时，W6.0～7.0％，0＜B+Hf＜0.25％；当4.0＜Cr与Mo的质量百分比比值≤7.5时，W7.0～8.5％，0.25％＜B+Hf≤0.44％，铸件的制备步骤如下：1)按所述合金化学成分配比进行配料，加入真空感应熔炼炉中进行熔炼，熔炼过程包含熔化、精炼、降温、合金化及浇注五个步骤；在熔化步骤中，将镍、铬、钼、钨、铼、钽、钴、碳、铌装入坩埚，待化清后精炼30～50min，精炼结束后搅拌合金液熔体，然后停电降温直至合金液结膜；再通电，加入铝和钛并熔炼5～20min后搅拌合金液熔体，再加入硼和铪熔炼5～20min后搅拌合金液熔体，使成分均匀化；最后，停电降温，当合金液熔体温度达到浇注温度后进行浇注，浇注温度为1500～1600℃，浇注应带电并采用过滤器过滤合金液熔体，将合金液熔体浇注在锭模中制成母合金锭；2)采用铸件的蜡模模具压制出铸件蜡模，在铸件蜡模表面涂挂5～12mm厚的陶瓷浆料，然后在脱蜡釜中采用温度为150～300℃，压力为3～7MPa的高温高压水蒸气将蜡模脱除，在1300～1800℃下焙烧3～8h后制备成陶瓷壳型；3)将上述第二步中制得的陶瓷壳型放入真空感应熔炼定向凝固炉中，按照浇铸铸件所需重量切取母合金锭，将母合金锭放入熔炼坩埚中，调节真空感应熔炼定向凝固炉的加热温度至1550～1750℃将母合金锭熔化，熔化后的金属液浇入陶瓷壳型中并保温5～15min，然后以2～15mm/min的速度向下移动拉晶，拉晶结束后随炉冷却至室温并取出铸件；4)将制得的铸件进行热处理，所采用的热处理工艺为：(1)固溶处理：在1250～1320℃保温2～6h，随后空冷至室温；(2)高温时效处理：在1080～1160℃保温2～6h，随后空冷至室温；(3)低温时效处理：在860～930℃保温12～20h，随后空冷至室...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈晶阳，肖程波，李青，张明军，杨海青，胡聘聘，
申请(专利权)人：中国航发北京航空材料研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11