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。\n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。\n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：\nC0.15～0.20%，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%。\n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）。\n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）。\n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。\n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：\nC    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。\n化学成分的设计基于如下理由：\n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。\nAl、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。\n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。\nTiO2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。\nAl、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。\n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。\n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。\n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;\n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。\n实施例\n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。\n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。\n\n\n表2    本发明实施例与In738合金的力学性能\n合    本发明\n金    In738\n热    1    2    3    4\n处理\n试验    工艺    1120℃2小时空冷\n项目    铸态    +\n845℃24小时空冷\nσbMPa 1174 1034 1122 1068.2 1096\n瞬 σ0.2MPa 892 879.8 896.7 871.2 951\n室温    δ    %    14.4    8.8    7.6    8.8    5.5\n时    ψ    %    7.8    10.0    8.0    11.8    5\nakKJ/M2392＊ 382＊ 431＊ 353＊ 500＊＊\n力 σbMPa 915 916.3 923.2 874.5\nσ0.2MPa 696 720.3 737 679.1\n学    800℃    δ    %    10.8    10.4    7.6    9.6\nψ    %    16.2    8.2    6.3    9.8\n性 akKJ/M2301＊ 294＊ 392＊ 337＊\nσbMPa 872\n能 σ0.2MPa 686\n815℃    δ    %    3\nψ    %    3\nakKJ/M2274＊＊\n持    815℃    420MP应力下\n久    115    117    131    108    100\n性    持久时间    小时\n能\n注：＊为U型缺口冲击试样\n＊＊为无缺口冲击试样\n表3 本发明实施例与In738合金的氧化速度（克/米2.小时）\n试验温度 试验时间 氧化速度（克/米2.小时）\n合金\n℃    小时    1    2    3    平均\n1    900    100    0.089    0.083    0.076    0.083\n本\n2    900    100    0.086    0.084    0.075    0.082\n发\n3    900    100    0.081    0.076    0.079    0.079\n明\n4    900    100    0.087    0.073    0.077    0.079\nIn738    900    100    0.075    0.075    0.067    0.072\n1    1000    100    0.320    0.327    0.298    0.315\n本\n2    1000    100    0.285    0.297    0.301    0.294\n发\n3    1000    100    0.296    0.310    0.257    0.298\n明\n4    1000    100    0.312    0.283    0.290    0.295\nIn738    1000    100    0.229    0.196    0.196    0.205\n表4    本发明实施例与In738合金熔盐坩埚抗热腐蚀性能\n（熔盐成分：75%Na2SO4+25%NaCl）\n试验温度 试验时间 失重（毫克/厘米2）\n合金\n℃    小时    1    2    3    平均\n1    900    100    7.72    7.32    9.37    8.14\n本\n2    900    100    7.52    8.36    8.56    8.15\n发\n3    900    100    7.42    8.53    8.32    8.09\n明\n4    900    100    7.56    8.23    8.00    7.93\nIn738    900    100    8.06    6.85    9.50    8.14\n表5    本发明实施例与In738合金抗燃气腐蚀性能\n失重（毫克/厘米2）\n试验条件    试验    合金\n温度    种类    100    200    300    400    500\n小时    小时    小时    小时    小时\n燃料：0＃柴油 1 1.97 2.66 2.83 3.52\n燃烧比：（15～20）∶1\n气体成分：    2    1.32    2.12    2.24    3.47\n7.6～10.4%CO2\n8.6～11.8%O2850℃ 3 1.30 2.05 2.20 3.56\n20PPm SO2\n4    1.62    2.21    2.35    3.49\nIn738    1.71    2.52    3.55\n燃料：0＃轻柴油 1 4.28 6.52\n燃烧比：（15～20）∶1\n气体成分：    2.    3.26    5.35\n6.4～8.5%CO2\n10.7～12.8%O2850℃ 3 4.25 6.42\n20PPm SO2\n（15～20）PPmNaCl    4    3.86    5.86\nIn738    3.00    21.9