[发明专利]耐热腐蚀铸造镍基高温合金

说明书

本发明属于镍基合金。主要适用于高温下抗热腐蚀的零部件。

诸如地面或舰用燃气轮机涡轮叶片及其它高温部件，长期工作在800～850℃下，且经受含硫燃油及海洋大气高温燃烧产物的腐蚀。对其所用的合金，不但要具有较高的高温强度，而且还需具有优异的抗高温热腐蚀的性能，要求合金的组织具有较好的稳定性。

美国国际镍公司的In738铸造镍基高温合金是现有技术中用于耐热腐蚀的典型材料。其化学成分（重量%）为：

C0.15～0.20%，Cr15.7～16.3%，Co8.0～9.0%，W2.4～2.8%，Mo1.5～2.0%，Nb0.6～1.0%，Ta1.5～2.0%，Al3.2～3.7%，Ti3.2～3.7%，Zr0.05～0.15%，B0.005～0.015%，余为Ni;Al+Ti    6.5～7.2%。

该合金具有较高的高温强度和较好的抗高温热腐蚀性能;在化学成分上，其特点是含有2%左右的钽。钽在合金中的主要作用是强化γ′相，提高合金的使用温度，钽对耐热腐蚀性能也有好的影响。但钽是稀有元素，特别是我国的钽资源十分贫乏，故成本高（《International    Metallurgical    Review》Vol19，51，June，1974）。

另一方面，也有人认为，镍基合金中对抗热腐蚀起主要作用的元素是铬和钛。加入钽也不一定就取得优异的抗热腐蚀性能，如B1900和TRW-NACAVIA虽然分别含钽4%和9%。由于这两个合金的含铬都低于8%，且Ti/Al比低于0.2，其抗热腐蚀性能较差（《Metallurgical    Transactions》Vol4，Nol，1973，P261）。

本发明的目的在于提供一种高温强度高，抗热腐蚀性能和组织稳定性好，且工艺简单，成本低廉的耐热腐蚀铸造镍基高温合金。

根据上述目的及我国资源情况，本发明在合金化学成分上，避开了钽，而采用Cr、Ti、Al为提高耐热腐蚀性能的主要元素，并以W、Mo为主要的固溶强化元素，提高合金的高温强度。并加入N、B、Zr、Mg等微量元素，强化和净化晶界等。其具体的化学成分（重量%）如下：

C    0.07～0.12%，Cr    15.0～16.0%，Co    9.0～10.0%，W    4.7～5.2%，Mo    1.2～1.7%，Nb    1.7～2.2%，Ti    3.2～3.7%，Al    2.7～3.2%，B    0.01～0.02%，Zr    0.03～0.07%，MgO    0.0001～0.02%，N    0.005～0.2%，余为Ni。其中（Ti/Al）＞1。

化学成分的设计基于如下理由：

通常认为，热腐蚀主要是Na₂SO₄在合金表面的凝聚。由于Na₂SO₄中氧化物离子的存在，使合金表面无法形成保护性的氧化膜。而Cr₂O₃能与熔盐中氧化物离子反应，生成Na₂CrO₄的复合氧化物，降低熔盐中的氧化物离子浓度，从而使熔盐能与通常的氧化物保护膜共存，而提高耐热腐蚀能力。因此，为了在合金表面形成致密的、附着力强的防护性氧化膜，合金必须含有足够的铬含量（约15%）。但过高的铬含量会降低γ′相的固溶温度，即降低合金的高温强度;同时，铬又是σ相的主要形成元素，故铬含量不能太高。

Al、Mo、W、Ti等元素的氧化物类似于Cr₂O₃，也能与Na₂SO₄反应，降低熔盐中的氧化物离子浓度，有利于形成防护性氧化膜W与Mo相比，WO₃比MoO₃具有较大的酸性。但MoO₃在燃气温度下常以液态形式存在，其本身就有腐蚀富Al₂O₃防护性氧化膜的弊病。而WO₃在燃气温度下则是固体，因此，在耐热腐蚀方面，W优于Mo，故合金中，W的含量远高于Mo。

同时，W、Mo又都是重要的固溶强化元素。当使用温度较高时，W的强化效果尤为显著。W除了固溶于γ基体外，还能大量溶于γ′强化相。当Ti/Al比较高时，W还能降低Ti原子的扩散速度，阻止γ′相向η相转变，进一步提高γ′相的组织稳定性。W又是我国资源丰富的元素，可以充分发挥其应用的作用。