一种700℃机组用含钽铸造镍基高温合金及其制备方法，合金按质量百分比含Ta 0.2～2.0％，Cr 20～23％，Co 11～13％，Mo 8～9％，Al+Ti 1.2～2.4％，Nb≤1％，C≤0.06％，B≤0.004％，余量为Ni；方法为(1)按设定成分准备原料；(2)在真空条件下熔炼；(3)精炼和除杂，然后真空浇注；(4)保持真空条件至钢水结膜后出炉，制成铸锭；(5)1150～1200℃保温1～2h进行固溶处理，水冷。本发明专利技术利用包括Ta元素在内的几种元素配比，保证固溶体强度，同时形成更稳定的沉淀相，抑制晶界的粗化，同时确定了最佳的化学成分范围、元素添加比例和最佳的热处理工艺制度。工艺制度。工艺制度。
【技术实现步骤摘要】
一种700
℃
机组用含钽铸造镍基高温合金及其制备方法
[0001]本专利技术属于耐热合金
，特别涉及一种700℃机组用含钽铸造镍基高温合金及其制备方法。
技术介绍
[0002]高温合金因具有出色的高温力学性能、抗热腐蚀性能和较好的长期组织稳定性而成为核能、火电、航空、航天等工业领域核心热端部件不可或缺的材料，在服役过程中要承受高温、腐蚀、氧化、载荷等恶劣条件的交互作用。其中，镍基高温合金是一种应用最为广泛的高温合金，具有优异的抗氧化、抗腐蚀性能。镍基高温合金一般分为固溶强化和沉淀强化高温合金，两类合金中元素的种类大致相同，其主要区别在于强化相的形成元素含量的不同。镍基高温合金一般含有多种合金元素，例如W、Cr、Co、Mo、Nb等，这些元素价格较为昂贵，所以导致镍基高温合金的制造成本提高，在这种情况下，如何提高镍基高温合金的持久性能显得尤为重要，这是实现零件使用安全性的提高和降低合金使用成本的有效方法，这也是当前合金的研究热点。
[0003]目前主要措施是通过调整合金元素含量、添加合金元素或添加微量元素来改善合金的组织性能，例如，Inconel740合金是在Nimonic263合金成分的基础上，增加Cr和降低Mo的含量以增强抗氧化和抗热腐蚀性能，同时添加Nb来增强γ'强化相的析出，从而提高合金的高温强度；而Inconel740合金的改进型合金Inconel740H，是通过调整Al和Ti元素的含量，降低Si元素含量，从而抑制了合金长期服役期间有害相析出，改善组织稳定性；而在镍基高温合金中添加一些微量元素，也可以有效地提高组织的稳定性，如在Inconel617合金中加入20～50ppm的B元素，开发出B冶金强化的改进型Inconel617B合金，B元素有明显的晶界强化作用，显著提高了合金的抗蠕变性能，延长了使用寿命；根据目前研究结果，该合金适合于制备发电机组上的大型阀体、缸体等铸件，但由于服役期间析出相在晶界聚集粗化，造成晶界弱化，会引起应变时效裂纹的产生，造成力学性能下降，故该合金的组织稳定性和持久性能仍有待提高。
[0004]若合金中添加元素既能提高高温合金强度，又能兼顾抗腐蚀性能，对合金设计来说则是一个不错的选择。Ta是一种有效的固溶强化元素，可以提高合金基体强度；又是γ'强化相的形成元素，有效增强γ'相的析出强化效果；同时还是MC型碳化物强形成元素，MC型碳化物具有良好的稳定性，从而提高组织的稳定性；此外还可以降低铸造过程中雀斑的生成倾向，显著改善高温合金的铸造性能；但由于Ta的熔点较高，原子半径较大，在镍基高温合金中的固溶度有限，扩散速度较慢，在凝固过程中容易产生严重的元素偏析现象，并形成大块的MC型碳化物，因此过量的Ta元素会降低合金组织的均匀性，影响合金的力学性能；所以通过主要γ'相形成元素Al和Ti，以及Ta元素合理的元素配比和成分范围可以有效的提高镍基高温合金长期高温服役的组织稳定性。
技术实现思路
[0005]本专利技术的目的是提供700℃机组用含钽铸造镍基高温合金及其制备方法，通过在镍基高温合金中加入适量的钽，调整铝和钛元素含量来提高合金强度并改善合金组织稳定性，从而延长合金的使用寿命，降低零件的使用成本。
[0006]本专利技术的含钽铸造镍基高温合金按质量百分比含Ta 0.2～2.0％，Cr 20～23％，Co 11～13％，Mo 8～9％，Al+Ti 1.2～2.4％，Nb≤1％，C≤0.06％，B≤0.004％，余量为Ni及不可避免的杂质，其中，(Al+Ti)/Ta≥0.8；且Ti/Al≤0.8。
[0007]上述的含钽铸造镍基高温合金的抗拉强度σ
b
为580～600MPa，屈服强度σ
0.2
为260～275MPa，断裂延伸率为47～51％，断面收缩率为52～55％。
[0008]上述的含钽铸造镍基高温合金在700
±
1℃时的抗拉强度σ
b
为370～390MPa，屈服强度σ
0.2
为138～143MPa，断裂延伸率为55～61％，断面收缩率为46～50％。
[0009]本专利技术的含钽铸造镍基高温合金的制备方法按以下步骤进行；
[0010](1)按设定成分准备原料；
[0011](2)将原料放入真空感应炉中，在真空条件下熔炼；
[0012](3)将熔炼后的物料真空条件下进行精炼和除杂，然后在真空条件下进行浇注；
[0013](4)浇注完成后，保持真空条件至钢水结膜后出炉，冷却至常温制成铸锭；
[0014](5)将铸锭加热至1150～1200℃保温1～2h进行固溶处理，然后水冷至室温，制成含钽铸造镍基高温合金。
[0015]上述的步骤(2)、(3)和(4)中，真空条件为真空度<1.0Pa。
[0016]上述的步骤(2)中，熔炼温度为1530
±
25℃。
[0017]上述的步骤(3)中，浇注是蜡模浇注。
[0018]上述的步骤(3)中，浇注温度为1460
±
25℃。
[0019]上述的步骤(5)中，水冷是指浸入水中冷却。
[0020]本专利技术的元素设计原理在于：
[0021]钽是一种有效的固溶强化元素，可以提高合金基体强度；又是γ'强化相的形成元素，有效的增强γ'相的析出强化效果；同时还是MC型碳化物强形成元素，MC型碳化物具有良好的稳定性，从而提高组织的稳定性；此外钽还可以降低铸造过程中雀斑的生成倾向，显著提高高温合金的铸造性能；但由于钽的熔点较高，原子半径较大，在镍基高温合金的固溶度有限，扩散速度较慢，在凝固过程中容易产生严重的元素偏析现象，并形成大块的MC型碳化物，因此过量的钽元素会降低合金组织的均匀性，影响合金的力学性能；因此，本专利技术合金中钽含量的最佳控制范围是0.5～2.0％；
[0022]铬是高温合金中不可缺少的合金元素，它是确保高温合金具有优异的抗腐蚀和抗氧化性能的关键元素，通常加入量在15％以上，但加入量过高，会导致富铬碳化物的粗化或有害相的析出，影响组织的稳定性，因此，要对该元素的含量进行严格控制，本专利技术合金中铬含量的最佳控制范围是20～23％；
[0023]钴加入到镍基合金中可以起到很好的固溶强化作用，而且可以降低层错能，从而提高位错运动阻力，有益于高温强度的提高，但由于钴的价格偏高，过量的钴会导致制造成本明显增加，故将钴的含量控制在11～13％；
[0024]钼是一种重要的固溶强化元素，可以显著增大基体的晶格常数，增大长程弹性应
力场，从而阻碍位错的运动；但在凝固过程中，钼扩散性能较差，会强烈的偏聚到枝晶干，影响组织的均匀性，因此钼含量一般控制在8～9％；
[0025]铝和钛是γ'强化相的主要形成元素，是保证合金具有高温强度的重要元素，但他们的含量过高，服役期间γ'强化相会发生严重的粗化，降低合金塑性和韧性；因此铝和钛含量分别控制在1.0～2.0％和0.2～0.4％；<本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种700℃机组用含钽铸造镍基高温合金，其特征在于按质量百分比含Ta 0.2～2.0％，Cr 20～23％，Co 11～13％，Mo 8～9％，Al+Ti 1.2～2.4％，Nb≤1％，C≤0.06％，B≤0.004％，余量为Ni及不可避免的杂质，其中，(Al+Ti)/Ta≥0.8；且Ti/Al≤0.8。2.根据权利要求1所述的一种700℃机组用含钽铸造镍基高温合金，其特征在于其抗拉强度σ
b
为580～600MPa，屈服强度σ
0.2
为260～275MPa，断裂延伸率为47～51％，断面收缩率为52～55％。3.根据权利要求1所述的一种700℃机组用含钽铸造镍基高温合金，其特征在于其在700
±
1℃时的抗拉强度σ
b
为370～390MPa，屈服强度σ
0.2
为138～143MPa，断裂延伸率为55～61％，断面收缩率为46～50％。4.一种权利要求1所述的700℃机组用含钽铸造镍基高温合金...
【专利技术属性】
技术研发人员：侯介山，高双，郭永安，王常帅，秦学智，周兰章，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：
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