[发明专利]一种定向凝固抗热腐蚀镍基铸造高温合金及其制备方法

说明书

技术领域：

本发明涉及铸造高温合金的改进技术，具体为一种低成本定向凝固抗热腐蚀镍基铸造高温合金及其制备方法。

背景技术：

文献Паспорт По Оплав ЧС88у-Ви(合金ЧС88у-Ви的说明书)指出，该合金技术条件(Ту 14-1-4828-90)规定的化学成分为：C 0.04-0.09％；Cr15.4-16.3％；Co 10.0-11.5％；Mo 1.6-2.3％；W 4.7-5.9％；Al 2.8-3.3％；Ti 4.2-5.0％；Nb 0.1-0.3％；Hf 0.2-0.4％；B 0.06-0.10％；Zr(加入量)0.03％；Y(加入量)0.03％；Ce(加入量)0.015％；Si≤0.3％；Mn≤0.3％；S≤0.008％；P≤0.008％；Fe≤0.5％；Ni余。

该合金采用普通精密铸造工艺制备燃气轮机涡轮叶片，组织为等轴晶，用于制作工作温度不高于900℃的涡轮动叶片。

合金的热处理工艺为：1170℃，4h，空冷+1050℃，4h，空冷+850℃，16h，空冷。

该合金主要力学性能为：

上述合金存在的不足之处在于：从力学性能来看，该合金不能适用于工作温度高于900℃的燃气轮机涡轮叶片，而且合金成本较高。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种性能优异的低成本定向凝固抗热腐蚀镍基铸造高温合金及其制备方法。

本发明的技术方案是：

一种定向凝固抗热腐蚀镍基铸造高温合金，按重量百分比计，合金成分如下：

C 0.04-0.09％；Cr 14.5-15.3％；Co 9.0-9.9％；W 4.7-5.9％；Mo 1.6-2.3％；Al2.8-3.3％；Ti 4.2-5.0％；Hf 0.3-0.6％；Ta 0.3-1.5％；B 0.06-0.10％；Y(按加入量计)≤0.015；Mn≤0.2％；Si≤0.2％；P≤0.008％；S≤0.008％；Fe≤0.5％；Ni余。

其中，合金元素Y按加入量计。高温合金中的微量有益元素(如稀土元素Y、Ce等)通常都按计算量加入，而不要求进行成分分析。这些微量元素的一部分用于脱氧和(或)脱硫，而另一部分溶入固溶体基体，并偏聚于晶界，起强化晶界作用。本发明合金中加入Y也是为了同一目的。

与ЧС88у-Ви比较，本发明合金不含Nb、Zr和Ce，含有0.3-1.5％的Ta，而ЧС88у-Ви则不含Ta。同时，本发明合金中Cr和Co的成分范围低，都在ЧС88у-Ви的成分范围的下限之外。本发明合金Cr的含量范围为14.5-15.3％，而ЧС88у-Ви为15.4-16.3％；本发明合金Co含量为9.0-9.9％，而ЧС88у-Bи为10.0-11.5％。此外，本发明合金Mn和Si的含量更低了。这样，本发明合金中TCP相的形成倾向性减小了。ЧС88у-Ви合金成分中限的Nν＝2.562，本合金为Nν＝2.431，低于出现σ相的临界电子空位数2.50。

本发明合金成分设计的思想为，加入Ta提高合金的高温强度和持久强度，因为大部分Ta溶入γ′相而强化γ′相，增加γ′相的沉淀强化效果；同时，小部分的Ta进入γ基体，起固溶强化作用，Ta代替Nb还可以改善抗热腐蚀性能，补偿由于Cr含量的适当降低而对抗热腐蚀性能带来的不利影响。而适当降低Cr和Co含量，是为了在保持良好抗热腐蚀性能的同时，降低合金的平均电子空位数，抑制σ相析出，提高合金高温长期使用的组织稳定性。不加Zr是为了消除定向凝固过程中的热裂倾向。

此外，通过工艺措施，由普通精密铸造改为定向凝固，特别是采用当前国外最先进的液态金属冷却的定向凝固工艺，不但消除了有害的横向晶界，而且使组织更加细化、均匀，平行性更好。加上采用优化的热处理制度进行热处理，使所发明的合金综合性能优异，使用温度较ЧС88у-Ви提高30℃，可以在930℃长期使用。

本发明还提供该合金的制备方法，采用真空感应炉熔炼母合金，在液态金属冷却(LMC)炉中进行定向凝固，制备定向柱晶合金，定向炉真空度≤5×10^-4mmHg，浇注温度1480-1570℃，抽拉速度3-15mm/min，温度梯度95-145℃/cm，液态锡温度250-350℃。

本发明合金采用的热处理工艺为：

(1)1160-1220℃，保温2-4h，空冷至室温；

(2)1030-1120℃，保温2-4h，空冷至室温；