[发明专利]镍基铸造高温合金

说明书

本发明属于镍基合金领域。主要用于航空发动机的导向叶片等。

导向叶片或整铸导向器材料在燃气涡轮中承受高温燃气的热冲击和氧化腐蚀作用，而且随着航空发动机性能的不断提高，燃气涡轮导向叶片要求其材料的使用温度愈来愈高，使用寿命要求愈来愈长。因此，所使用的高温合金不仅要求高温强度高，而且要求抗热冲击和抗氧化腐蚀性能好。目前使用的导向叶片用的钴基和镍基高温合金均不能满足这种要求。

英国专利GB955016所述的C1023镍基高温合金是一种导向叶片材料，但由于在成分设计上Cr、Co、Mo等固溶强化元素含量过高，B含量过低，使室温的塑韧性较差，持久性差和抗热冲击性能不高，合金在高温下长期使用后析出过量的T.C.P相，不宜用作高温使用的长寿命导向叶片。

US4140555、US3850624和CN86108748A三项专利均为加镁或加钙的镍基铸造高温合金，由于在成分上没有考虑到导向叶片的工作特点，即没有足够考虑抗氧化腐蚀和抗热冲击方面的性能，致使不能满足这方面的要求，因而也不适合用于高温长寿命的导向叶片。另外，镍基铸造高温合金都是在真空下熔炼和浇铸成形的，纯镁难于加入到合金熔体中，故必须先制成Ni-Mg中间合金。并充入一定压力的惰性气体，使操作复杂、困难。

本发明的目的在于提供一种室温塑韧性好、高温持久性能高以及抗氧化腐蚀和抗冷热疲劳性能好的，适用于高性能长寿命航空发动机导向叶片或导向器等的镍基铸造高温合金。

基于上述目的，并考虑到导向叶片所承受的工作应力不大，故r′强化相含量为45%（重量）左右为宜，同时为了提高抗氧化腐蚀性能，除Cr、Ti外，还加入了一定量的稀土元素铈Ce，为了保持适量的室温及高温强度，还加入了适量Co、Mo等。

本发明镍基铸造高温合金的化学成分（重量%）为：Cr13.0～14.8%，Co7.5～8.8%，Mo6.3～7.4%，B0.005～0.016%;Al3.9～4.4%，C0.10～0.18%，Ti3.3～3.8%，Ce0.005～0.03%，余为Ni。

合金中，各元素的作用及其含量范围的选择陈述如下：

Cr的主要作用是提高合金的抗氧化腐蚀性能。Cr＜13%时，合金的抗氧化腐蚀性能不足;Cr＞14.8%，导致合金具有变脆倾向，且机械性能下降，T.C.P相析出过多，故本合金Cr含量为13.0～14.8%。

Co固溶于r相和r′相，有固溶强化作用，能提高r′相固溶温度，并使基体r相稳定，当Co＜7.5%时，上述作用较差，Co＞8.8%时，对合金的塑韧性无益，故Co含量以7.5～8.8%为宜。

Mo为主要的固溶强化元素，对合金的强度和持久性能等有较大的作用。当Mo＞7.4%时，合金的塑韧性下降，并导致抗氧化腐蚀性能恶化，促进了T.C.P相的过量析出，故合金的含Mo量以6.2～7.4%为宜。

B在合金中偏析于晶界，并形成M₃B₂，能强化晶界，适量的B还能提高合金的塑性和持久强度。当B＜0.005%时，对合金的强化作用不大，而B＞0.016%时，M₃B₂相过多，易造成热裂，故B含量以0.005～0.016%为宜。

稀土元素Ce与O、S有较高的亲和力，能降低合金中的O和S含量，Ce偏析于晶界，能净化晶界，并使碳化物细化，提高合金的塑韧性及高温持久性能，同时，合适的Ce含量能促进合金表面Cr₂O₃致密保护膜的生成，提高合金抗氧化腐蚀能力。本合金中Ce的合适加入量为0.005～0.03%。

Al和Ti均为形成r′相Ni₃（Al、Ti）的元素，对合金具有析出强化作用，保证合金的高温强度和持久性能;此外，Al对合金起抗氧化作用;Ti则有抗热和抗硫化腐蚀作用，本合金为保证足够的强度和持久性能，Al量控制在3.9～4.4%，Ti量控制在3.4～4.4%。

为了减少合金的夹杂，保证合金良好的塑韧性，合金中其余元素的含量控制如下：Si＜0.2%，Mn＜0.4%，Fe＜0.5%，S＜0.01%，P＜0.01%。

本发明可在真空下的不同冶炼炉中熔炼，浇铸成所需的导向叶片和导向器等毛坯。

与现有技术相比，本发明具有较好的抗热冲击性能（如表1所示）和抗氧化腐蚀性能（如表2所示）。此外，本发明还具有良好的室温塑韧性和持久性能。室温下δ5＞7%，冲击韧性Ak＞2.6kg-m/cm²;900℃和20kg载荷下，持久寿命＞520小时。