一种长寿命高强抗热腐蚀镍基高温合金及其应用制造技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种长寿命高强抗热腐蚀镍基高温合金及其应用
本专利技术涉及金属材料
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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：Cr18.0％～19.9％；Co18.0％～25.0％；Al1.6％～2.8％；Ti3.1％～4.5％；Ta0.1％～0.5％；W3.1％～4.9％；Mo0％～1.20％；Nb0.7％～1.7％；C0.005％～0.15％；B0.003％～0.03％；Zr0.005％～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：Cr18.3％～19.5％；Co18.5％～22％；Al1.7％～2.6％；Ti3.2％～4.0％；Ta0.1％～0.4％；W3.2％～4.9％；Mo<1.0％；Nb0.9％～1.5％；C0.007％～0.14％；B0.003％～0.025％；Zr0.005％～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。本专利技术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。本专利技术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，本专利技术的合金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，本专利技术中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，本专利技术中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，是保证本专利专利技术的合金具有优异长期组织稳定性能的重要保障。本专利技术合金中通过加入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，本专利技术中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：Cr18.0～19.9％，Co18～25％，Al1.6～2.8％，Ti3.1～4.5％，Ta0.1～0.5％，W3.1～4.9％，Mo<1.20％，Nb0.7～1.7％，C0.005～0.15％，B0.003～0.03％，Zr0.005～0.08％，Ni余量。相比现有技术，本专利技术的有益效果在于：本专利技术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。本专利技术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，对本专利技术做进一步描述，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：Cr18.5％；Co18.5％；Al1.9％；Ti3.8本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：/nCr 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。/n

【技术特征摘要】
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：
Cr18.0％～19.9％；Co18.0％～25.0％；Al1.6％～2.8％；Ti3.1％～4.5％；Ta0.1％～0.5％；W3.1％～4.9％；Mo0％～1.20％；Nb0.7％～1.7％；C0.005％～0.15％；B0.003％～0.03％；Zr0.005％～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：
Cr18.3％～19.5％；Co18.5％～22％；Al1.7％～2.6％；Ti3.2％～4.0％；Ta0.1％～0.4％；W3.2％～4.9％；Mo<1.0％；Nb0.9％～1.5％；C0.007％～0.14％；B0.003％～0.025％；Zr0.005％～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...

【专利技术属性】
技术研发人员：李相伟，温冬辉，王瑶，郭秋娟，郑江鹏，丁仁根，初铭强，张书彦，张鹏，
申请(专利权)人：东莞材料基因高等理工研究院，广东书彦材料基因创新科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44