一种高强抗热腐蚀低偏析定向高温合金制造技术

本发明专利技术涉及定向凝固高温合金领域，具体为一种高强抗热腐蚀低偏析定向高温合金及其定向凝固工艺和热处理方法。按重量百分含量计，其化学成分如下：Ｃｏ９－１２；Ｃｒ１１－１６；Ｍｏ１－３；Ｗ４－７；Ａｌ４－７；Ｔａ４－７；Ｔｉ０－２；Ｒｅ２－３；Ｃ０．０１－０．１５；Ｂ０．００５－０．０２；Ｎｉ余量。合金采用定向凝固工艺制备，其热处理制度为：１２４０±１０℃／０．５ｈ→１２６０±１０℃／０．５ｈ→１２８０±１０℃／４ｈ空冷或相当空冷的气体冷却至室温→１１２０℃±１０／４ｈ→１ｈ缓冷到１０８０±１０℃／４ｈ空冷或相当空冷的气体冷却至室温→９００±１０℃／４ｈ空冷或相当空冷的气体冷却至室温。本发明专利技术合金不仅满足航空发动机涡轮叶片的强度设计要求，而且还有优异的抗热腐蚀性能。这样该合金应用在飞机发动机上，既可以满足飞机在高空飞行的需要，又可以满足飞机在沿海腐蚀环境下飞行的需要。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及定向凝固高温合金领域，具体为一种高强抗热腐蚀低偏析定向高温合金及其定向凝固工艺和热处理方法。
技术介绍
高温合金的性能是随着燃气涡轮机发展而提高的。燃气涡轮机是飞机的最主要部件，其具有先进的动力装置，重量小和功率大的特点。而涡轮叶片是燃气轮机的最重要零件，所以叶片的安全性和稳定性，对于燃气轮机和飞机的安全运行至关重要。早期，燃气轮机主要用于航空；后来逐渐推广到海上和陆上。使用环境的变化，对叶片材料的要求也随着变化。早期应用于航空的高温合金，应用到海上或者陆上，原来设计的使用寿命是几千到几万个小时，可是使用几十个小时就损坏了。之后经研究证明，由于在海上使用，避免不了海水蒸发的钠盐进入燃机；在陆上使用，燃机也会吸入大量的钠、钾等碱金属。这些碱金属与燃油中不可避免的硫在高温下反应，生成Na2SO4盐。当Na2SO4盐蒸气达到一定的浓度，在温度适合的情况下，就会在燃机叶片上沉积一层液态Na2SO4。这层液态Na2SO4可使普通的高温合金在很短的时间内被氧化成氧化物，即热腐蚀。对于在沿海工作的飞机来说，叶片材料的强度也是非常重要的。由于叶片在工作时会受到离心力和冲击等高应力作用。所以要满足飞机在沿海工作需要，涡轮叶片材料应具备很高强度和优异的抗热腐蚀性能。为了使合金的力学性能和抗腐蚀性能都达到所要求的指标，在合金的冶炼过程中应用了低偏析技术。该技术的专利技术起始于80年代，先后在M38G和DZ125L合金上得到了成功应用。所谓的低偏析技术，就是通过严格控制合金中某些有害微量元素，减少合金凝固偏析。这种高纯度的、凝固偏析低的高温合金，不仅使用温度比普通高温合金提高20～25℃，而且明显改善叶片生产工艺，特别是定向叶片生产工艺性能。由于低偏析合金温度区间明显缩小了，大大有利于定向凝固的生长。使一些原来不宜于定向凝固的合金，也可定向生长。国际上认为In738(M38)合金是不宜于定向生长的。但是经低偏析技术处理后，却有了极优良的定向生长性能。M38G就是在M38的基础上运用低偏析技术，使得合金的凝固偏析减少了，工艺和力学性能都进一步提高，而抗热腐蚀能力相当。例如在相同的温度和压力下，M38G比M38的持久寿命大约延长了三倍；合金的承温能力也提高25℃。但这种具有优异抗热腐蚀性能的高温合金，其力学性能较差。例如室温下，M38G的抗拉强度和屈服强度只在100MPa左右，相对于航空发动机叶片的强度相差很多。DZ125L是用于高性能航空飞机发动机的涡轮叶片材料。这个材料是在美国70年代末研制出的Rene`125高性能的涡轮叶片材料的基础上，应用低偏析技术改进后，而成功发展成为高强度低偏析定向高温合金。由于DZ125L采用低偏析技术，使合金的强度比原合金明显提高，定向凝固工艺性能也大大改善，是目前国内使用性能最高的定向凝固合金。不过该合金的抗热腐蚀能力较差，在有钠盐高温腐蚀的条件下，这个材料会在相对较短的时间内损坏。
技术实现思路
为了满足飞机在沿海工作需要，本专利技术的目的在于提供一种高强抗热腐蚀低偏析定向高温合金及其定向凝固工艺和热处理方法。该合金不仅满足航空发动机涡轮叶片的强度设计要求，而且还有优异的抗热腐蚀性能。这样该合金应用在飞机发动机上，既可以满足飞机在高空飞行的需要，又可以满足飞机在沿海腐蚀环境下飞行的需要。本专利技术的技术方案是一种高强抗热腐蚀低偏析定向高温合金，按重量百分含量计，其化学成分如下Co9-12；Cr11-16；Mo1-3；W4-7；Al4-7；Ta4-7；Ti0-2；Re2-3；C0.01-0.15；B0.005-0.02；Ni余量。所述的高强抗热腐蚀低偏析定向高温合金，杂质元素重量百分含量控制如下Si≤0.15；Mn≤0.15；Fe≤0.3；Zr≤0.05；P≤0.001；S≤0.002；Sb≤0.001；As≤0.0005；Sn≤0.001；Ag≤0.0005；Bi≤0.0005；Pb≤0.0005。所述的高强抗热腐蚀低偏析定向高温合金的凝固工艺，合金采用定向凝固工艺，控制浇注温度1530±30℃，壳型温度1530±30℃，拉伸速度4-7mm/min。所述的高强抗热腐蚀低偏析定向高温合金的热处理工艺，合金的热处理制度如下(1)在1240±10℃保温0.5小时；继续升温，在1260±10℃保温0.5小时；继续升温，在1280±10℃保温4小时，然后空冷或相当空冷的气体冷却至室温； (2)在1120℃±10℃保温4小时后，然后在1小时冷却到1080±10℃，保温4小时，再空冷或相当空冷的气体冷却至室温；(3)在900±10℃保温4小时，空冷或相当空冷的气体冷却至室温；试棒允许在空气下热处理；工件需要在真空下进行。本专利技术的优点及有益效果如下本专利技术合金取名为DZ68，它是运用低偏析技术自主研制的一种镍基高温合金，用来满足沿海航空发动机的工作需要。在沿海工作的发动机涡轮叶片材料要求有高的力学性能和好的抗热腐蚀性能，这对于合金的成分选者是非常困难的。由于目前镍基高温合金的合金化已经发展到极限，若过多的合金元素加入会导致脆性σ相的析出，对合金的力学性能有害。因此，人们试图改善合金的组织结构来提高合金的综合性能。而合金的低偏析就是个有效的方法。所谓的低偏析技术，通过严格控制某些元素的含量，使合金凝固偏析大幅度减少，从而使合金成分均匀分布，提高合金的综合性能。合金的低偏析包括两方面(1)控制合金中“微量元素”的含量，如S、P、Si、B和C等元素。这些元素在凝固后期的共晶中富集，降低合金的终凝温度，使固相线与液相线之间的温差增加。这样使得合金在凝固过程中的有大量的共晶出现，以及促进其他元素的凝固偏析。通过控制这些元素的成分，降低合金的偏析，来提高合金的综合性能。(2)控制合金中“主元素”的含量。如Ti、Hf、Zr和Re等元素。定向凝固过程中Re、Cr、Mo、W、Co这些元素在枝晶轴上富集，而Ti、Al、Ta在枝晶间富集。从而使得合金的枝晶轴与枝晶间有成分梯度，对合金的性能不利。在合金的低偏析技术的基础上，加入目前国际一致认为固溶强化效果很好的Re，最终设计出了本专利技术合金成分。本专利技术合金表现出很好的综合性能，能够达到目前国内力学性能最高的DZ125L合金的力学性能指标；其抗热腐蚀能力与国际上王牌的In738合金(DZ38G)相当，明显高于Rene`80(K80)。本专利技术合金的性能指标如下 注①试验持续到48小时中断试验，试样冷到室温测量延伸率。②试验持续到20小时中断试验，试样冷至室温测量延伸率，然后继续试验至断裂，累计不少于32小时。900℃熔盐腐蚀(g/m2h)＜10；*(按重量比计，在75％Na2SO4+25％NaCl中侵蚀)。附图说明图1为本专利技术合金热处理后组织状态。图2为本专利技术合金热处理后晶界组织。图3为五种合金热腐蚀失重情况比较。图4为本专利技术合金在5h后的腐蚀层厚度(×50)。图5为DZ38G在5h后的腐蚀层状况(×50)。图6为本专利技术合金在20小时后腐蚀层的状况(×50)。图7为DZ38G在20小时后腐蚀层的状况(×50)。图8为合金基体直径尺寸减小量随腐蚀时间的变化曲线。图9-14为六种合金的热腐蚀性能比较(腐蚀两小时)；其中，图9为DZ125腐蚀两小时；图10为M17腐蚀两本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高强抗热腐蚀低偏析定向高温合金，其特征在于按重量百分含量计，其化学成分如下：Ｃｏ９－１２；Ｃｒ１１－１６；Ｍｏ１－３；Ｗ４－７；Ａｌ４－７；Ｔａ４－７；Ｔｉ０－２；Ｒｅ２－３；Ｃ０．０１－０．１５；Ｂ０．００５－０．０２；Ｎｉ余 量。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郑志，刘恩泽，于中峰，佟建，于永泗，朱耀宵，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：89[中国|沈阳]