耐热腐蚀铸造镍基高温合金

1、一种耐热腐蚀铸造镍基高温合金，其特征在于化学成分(重量%)为：C0.07～0.12%，Cr15.0～16.0%，Co9.0～10.0%，W4.7～5.2%，Mo1.2～1.7%，Nb1.7～2.2%，Ti3.2～3.7%，Al2.7～3.2%，B0.01～0.02%，Zr0.03～0.07%，MgO0.0001～0.02%，N0.005～0.2%，余为Ni。
2、根据权利要求1所述的合金，其特征在于合金中（Ti/Al）＞1。

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。
TiO2与Na2SO4反应时，SO4的分压力最大，故TiO2在降低Na2SO4氧化物离子含量方面有更强的活性。Ti/Al比在0.5～5.0范围内，耐热盐的腐蚀能力随着Ti/Al比的提高而增强。
Al、Ti、Nb是γ′强化相的主要形成元素。Nb在合金中扩散速度缓慢，一般认为能提高γ′相的固溶温度。
合金中加入B、Zr、Mg与N，能强化和净化晶界，另外，Mg能改善碳化物形态和分布，改善晶界状态，这些都有利提高合金的高温塑性和持久性能。N或以间隙元素存在于固溶体中，或同Cr、 W、Al、Ti等元素形成氮化物，是强烈稳定奥氏体的元素，有较强的提高屈服强度的作用，又能促进合金钝化，所以也有益于合金的耐蚀性。
本发明采用真空感应炉熔炼，先浇注成化学成分和力学性能都合格的母合金，然后再重熔浇注成零部件。零件若经喷丸处理，可明显提高疲劳性能。零部件无需热处理，可以铸态下直接使用，不仅可降低成本，而且使用方便。
本发明具有较高的高温强度和良好的耐热腐蚀性能。800℃时瞬时性能：σb≥784MPa，δ5≥3%;持久性能：850℃持久应力362.6MPa下，持久时间≥50小时;800℃持久应力225MPa下，持久时间＞14000小时;
与现有技术相比，本发明在具有一定的高温强度下，具有优异的耐热腐蚀性能，可在800～850℃下长期使用，合金中且不含稀有元素钽，故成本低。
实施例
根据化学成分范围，在真空感应炉上冶炼了4炉本发明合金。合金的具体化学成分如表1所示。熔炼后浇注成锭及相应的各种试验的试样毛坯，试样经加工后，分别进行力学性能、抗氧化性能、抗熔盐热腐蚀性能试验，所得结果分别列入表2、表3、表4、表5。
为了对比，在同样条件下，同时还冶炼了一炉In738合金。并同时进行了上述各项试验，所得结果也分别列入了相应的表中。


表2    本发明实施例与In738合金的力学性能
合    本发明
金    In738
热    1    2    3    4
处理
试验    工艺    1120℃2小时空冷
项目    铸态    +
845℃24小时空冷
σbMPa 1174 1034 1122 1068.2 1096
瞬 σ0.2MPa 892 879.8 896.7 871.2 951
室温    δ    %    14.4    8.8    7.6    8.8    5.5
时    ψ    %    7.8    10.0    8.0    11.8    5
akKJ/M2392＊ 382＊ 431＊ 353＊ 500＊＊
力 σbMPa 915 916.3 923.2 874.5
σ0.2MPa 696 720.3 737 679.1
学    800℃    δ    %    10.8    10.4    7.6    9.6
ψ    %    16.2    8.2    6.3    9.8
性 akKJ/M2301＊ 294＊ 392＊ 337＊
σbMPa 872
能 σ0.2MPa 686
815℃    δ    %    3
ψ    %    3
akKJ/M2274＊＊
持    815℃    420MP应力下
久    115    117    131    108    100
性    持久时间    小时
能
注：＊为U型缺口冲击试样
＊＊为无缺口冲击试样
表3 本发明实施例与In738合金的氧化速度（克/米2.小时）
试验温度 试验时间 氧化速度（克/米2.小时）
合金
℃    小时    1    2    3    平均
1    900    100    0.089    0.083    0.076    0.083
本
2    900    100    0.086    0.084    0.075    0.082
发
3    900    100    0.081    0.076    0.079    0.079
明
4    900    100    0.087    0.073    0.077    0.079
In738    900    100    0.075    0.075    0.067    0.072
1    1000    100    0.320    0.327    0.298    0.315
本
2    1000    100    0.285    0.297    0.301    0.294
发
3    1000    100    0.296    0.310    0.257    0.298
明
4    1000    100    0.312    0.283    0.290    0.295
In738    1000    100    0.229    0.196    0.196    0.205
表4    本发明实施例与In738合金熔盐坩埚抗热腐蚀性能
（熔盐成分：75%Na2SO4+25%NaCl）
试验温度 试验时间 失重（毫克/厘米2）
合金
℃    小时    1    2    3    平均
1    900    100    7.72    7.32    9.37    8.14
本
2    900    100    7.52    8.36    8.56    8.15
发
3    900    100    7.42    8.53    8.32    8.09
明
4    900    100    7.56    8.23    8.00    7.93
In738    900    100    8.06    6.85    9.50    8.14
表5    本发明实施例与In738合金抗燃气腐蚀性能
失重（毫克/厘米2）
试验条件    试验    合金
温度    种类    100    200    300    400    500
小时    小时    小时    小时    小时
燃料：0＃柴油 1 1.97 2.66 2.83 3.52
燃烧比：（15～20）∶1
气体成分：    2    1.32    2.12    2.24    3.47
7.6～10.4%CO2
8.6～11.8%O2850℃ 3 1.30 2.05 2.20 3.56
20PPm SO2
4    1.62    2.21    2.35    3.49
In738    1.71    2.52    3.55
燃料：0＃轻柴油 1 4.28 6.52
燃烧比：（15～20）∶1
气体成分：    2.    3.26    5.35
6.4～8.5%CO2
10.7～12.8%O2850℃ 3 4.25 6.42
20PPm SO2
（15～20）PPmNaCl    4    3.86    5.86
In738    3.00    21.9