超超臨界汽輪機用鎳基合金材料的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種先進(jìn)超超臨界汽輪機用鎳基合金材料，屬高溫合金新材料技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]為了節(jié)約能源，建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會，減少C02排放量，滿足環(huán)境保護(hù)的要求。因此，大容量、高參數(shù)的超超臨界機組代表了未來電站鍋爐發(fā)展的趨勢，同時隨著超超臨界機組的發(fā)展也必將帶動和迫切需要高溫合金的發(fā)展。近幾年來，為了提高熱效率，國內(nèi)外都在積極開發(fā)在更高溫度和更高壓力下運行的高溫合金，而我國高溫合金材料已成為發(fā)展超超臨界機組的制約因素。
[0003]超超臨界汽輪機功率的不斷提高，是靠不斷提高渦輪入口溫度來實現(xiàn)的，需要采用承溫能力更高的高溫合金。鎳基合金是高溫合金中的一大類，主要以面心立方結(jié)構(gòu)的γ相為基體，通過時效后析出與γ相共格的γ ^ -Ni3(Al, Ti)相，起到沉淀強化作用。鎳基合金在高溫下有優(yōu)異的抗蠕變性能和持久強度，廣泛的應(yīng)用于航空、航天、石油化工和能源等領(lǐng)域。鎳基合金中常見的合金元素有N1、Cr、Al、T1、Nb等。Ni在元素周期表中是28號元素，具有面心立方結(jié)構(gòu)，具有較好的韌性和塑性；從室溫到高溫沒有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，始終保持面心立方晶體結(jié)構(gòu)；并且由于Ni原子的第三電子層基本上被填滿，可以溶解較多的合金元素進(jìn)行合金化，而仍然保持奧氏體相得穩(wěn)定性；此外Ni具有較低的擴散系數(shù)。Cr是鎳基合金中不可缺少的合金元素，除了少量Cr進(jìn)入γ'相，還有少量形成碳化物，其余大部分溶解于γ基體中，引起晶格畸變，產(chǎn)生彈性應(yīng)力場，起到固溶強化的作用，提高高溫持久強度；同時在晶界上析出的碳化物與γ基體相之間存在一定的位向關(guān)系，阻礙了位錯的運動，起到了晶界強化的作用；此外，提高Cr的含量可以改善高溫合金的抗高溫氧化性能。鎳基合金中的Co主要分配到基體中，部分分配到γ '相中，溶入基體中的Co會產(chǎn)生固溶強化效果，Co含量的增加還能導(dǎo)致合金的蠕變速率下降。Mo主要產(chǎn)生固溶強化效果及有效形成碳化物。Al是形成γ '相的基本組成元素，少部分進(jìn)入到γ基體相中起到固溶強化作用，而大部分Al與Ni形成γ'相進(jìn)行沉淀強化，且隨著Al含量的增加，γ'相數(shù)量增加，從而使各種強化機制都增強；同時Al可以改變γ '相和γ基體相之間的錯配度，引起γ '相周圍共格應(yīng)變場增強，從而增加了強化效果。Ti主要可以替換形成γ'相的Al原子，增加γ '相的數(shù)量，提高室溫和高溫強度；然而當(dāng)Ti/Al比例過高時，會使γ '相和γ相的晶格常數(shù)差別太大，加速?'相長大，導(dǎo)致n_Ni3Ti相的析出，對高溫強度不利。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種具有較高高溫強度的超超臨界汽輪機用鎳基合金材料。
[0005]超超臨界汽輪機用鎳基合金材料，其具有如下化學(xué)成分及質(zhì)量百分比:C:
0.03-0.09%，Cr: 18-23%，Al:1.8-3.2%，Ti:1.5-2.7%，Co: 12-15%，Mo: 3.4-4.8%，B彡0.01%，Mg ( 0.01%，Zr ( 0.1%，P彡0.02%，S彡0.01%，其余為Ni和不可避免的雜質(zhì)，且該合金材料的Al+Ti含量和Ti/Al比例滿足:4.0%彡Al+Ti ( 5.5%和0.5彡Ti/Al彡1.8。
[0006]其在冶煉過程中必須除氣，同時Mo以NiMo中間合金加入，C以NiC中間合金加入，B和Mg分別以NiB和NiMg合金加入。
[0007]本發(fā)明經(jīng)固溶處理和時效處理后，在780°C時效10，OOOh中室溫洛氏硬度保持在31.5以上，如圖1所示，組織穩(wěn)定性良好，主要強化相γ '相保持穩(wěn)定球形，有害相n-Ni3Ti相析出減少。
[0008]本發(fā)明具有優(yōu)良的高溫長時時效組織穩(wěn)定性，可應(yīng)用于先進(jìn)超超臨界汽輪機的葉片制造，以及其它需要耐高溫氧化、抗蠕變和高強度等領(lǐng)域。
[0009]本發(fā)明的機理如下所述:
γ '相是鎳基合金中的主要強化相，經(jīng)過時效處理后γ基體中析出的γ丨相與γ相基體存在共格關(guān)系。雖然?'相和γ相都是面心立方結(jié)構(gòu)，但是兩者晶格常數(shù)不同，會產(chǎn)生共格應(yīng)變，在r相周圍存在一個彈性應(yīng)力場，阻礙位錯運動，從而提高鎳基合金的高溫強度。鎳基合金中在晶界析出的碳化物與γ相基體之間存在一定的位向關(guān)系，高溫下阻礙晶界移動，提高了晶界的強度。通過控制較低的Ti/Al比，保持γ'相與γ相之間較低的錯配度，將保持高溫時效中r相的球形形貌穩(wěn)定性；本發(fā)明成分中的Ti/Ai比同樣明顯減少有害相n-Ni3Ti相的析出。
[0010]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下有益效果:
1、本發(fā)明經(jīng)固溶處理和時效處理后，在780°C時效10，OOOh中室溫洛氏硬度保持在31.5以上，組織穩(wěn)定性良好，主要強化相γ'相保持穩(wěn)定球形，有害相n_Ni3Ti相析出減少。
[0011]2、本發(fā)明具有較高的高溫強度，高溫長時時效組織穩(wěn)定性優(yōu)良，可應(yīng)用于先進(jìn)超超臨界汽輪機的葉片制造，以及其它需要耐高溫氧化、抗蠕變和高強度等領(lǐng)域。
【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明成分范圍內(nèi)兩種不同Ti/Al比的合金試樣在780° C時效10，OOOh內(nèi)的室溫洛氏硬度變化坐標(biāo)圖，兩種試樣其他成分含量相同且Ti+Al相同；
圖2為本發(fā)明實施例一中合金在780°C時效3000h后強化相γ '相的形貌圖；
圖3為本發(fā)明實施例一中合金在780°C時效10，OOOh后強化相γ '相的形貌圖；
圖4為本發(fā)明實施例二中合金在780°C時效3000h后強化相γ '相的形貌圖；
圖5為本發(fā)明實施例二中合金在780°C時效10，OOOh后強化相γ '相的形貌圖。
【具體實施方式】
[0013]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0014]實施例一:
一種超超臨界汽輪機用鎳基合金材料，其具有如下化學(xué)成分及質(zhì)量百分比(wt%):
C0.07 Cr 19.5 Al 2.10Ti2.60
Co 13.5 Mo 4.30 Zr 0.05 B0.008 Mg 0.005 N余量本發(fā)明采用真空感應(yīng)的熔煉方法，經(jīng)綜合配料熔制后，澆注成型，最終制得鎳基合金材料。經(jīng)熱鍛和熱軋，固溶和時效處理，其硬度在780°C時效10，OOOh中，洛氏硬度由35.2緩慢降低到31.8，高溫時效中γ'相的形貌保持穩(wěn)定球形，如圖2和圖3中合金分別時效3000h和1000h后的強化相形貌圖所示，高溫長時時效組織穩(wěn)定性良好。
[0015]實施例二:
一種超超臨界汽輪機用鎳基合金材料，其具有如下化學(xué)成分及質(zhì)量百分比(wt%):
C0.07Cr 19.5Al 2.70 Ti 2.00
Co 13.5Mo 4.20Zr 0.06
B0.007 Mg 0.003 Ni 余量
本發(fā)明采用真空感應(yīng)的熔煉方法，經(jīng)綜合配料熔制后，澆注成型，最終制得鎳基合金材料。經(jīng)熱鍛和熱軋，固溶和時效處理，其硬度在780°C時效10，OOOh中，洛氏硬度由35.2緩慢降低到31.6，高溫時效中γ'相的形貌保持穩(wěn)定球形，如圖4和圖5中合金分別時效3000h和1000h后的強化相形貌圖所示，同樣在高溫長時時效中有害析出相n_Ni3Ti相析出量較高Ti/Al比的合金明顯減少，高溫長時時效組織穩(wěn)定性良好。
[0016]本發(fā)明超超臨界汽輪機用鎳基合金材料鍛造性能良好，并具有優(yōu)異的高溫組織穩(wěn)定性，可應(yīng)用于先進(jìn)超超臨界汽輪機的葉片制造，以及其它需要耐高溫氧化、抗蠕變和高強度等領(lǐng)域。
[0017]實施例只是為了便于理解本發(fā)明的技術(shù)方案，并不構(gòu)成對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容或依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上方案所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.超超臨界汽輪機用鎳基合金材料，其特征在于:其具有如下化學(xué)成分及質(zhì)量百分比:C:0.03-0.09%，Cr: 18-23%，Al:1.8-3.2%，T1:1.5-2.7%，Co: 12-15%，Mo: 3.4-4.8%，B彡0.01%，Mg ( 0.01%，Zr ( 0.1%, P ^ 0.02%，S彡0.01%，其余為Ni和不可避免的雜質(zhì)，且該合金材料的Al+Ti含量和Ti/Al比例滿足:4.0%彡Al+Ti ( 5.5%和0.5彡Ti/Al彡1.8。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超超臨界汽輪機用鎳基合金材料，其特征在于:其在冶煉過程中必須除氣，同時Mo以NiMo中間合金加入，C以NiC中間合金加入，B和Mg分別以NiB和NiMg合金加入。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種超超臨界汽輪機用鎳基合金材料,其具有如下化學(xué)成分及質(zhì)量百分比C：0.03-0.09%，Cr：18-23%，Al：1.8-3.2%，Ti：1.5-2.7%，Co:12-15%，Mo:3.4-4.8%，B≤0.01%，Mg≤0.01%，Zr≤0.1%，P≤0.02%，S≤0.01%，其余為Ni和不可避免的雜質(zhì)，且該合金材料的Al+Ti含量和Ti/Al比例滿足：4.0%≤Al+Ti≤5.5%和0.5≤Ti/Al≤1.8。該鎳基合金材料具有優(yōu)良的高溫長時組織穩(wěn)定性，其高溫長時時效后硬度下降緩慢，可應(yīng)用于先進(jìn)超超臨界汽輪機等的葉片制造，以及其它需要耐高溫氧化、抗蠕變和高強度等領(lǐng)域。
【IPC分類】C22F1/10, C22C1/03, C22C19/05
【公開號】CN104988357
【申請?zhí)枴緾N201510335389
【發(fā)明人】肖學(xué)山, 柳剛, 李鈞, 徐裕來, 冉慶選, 彭偉, 張華偉, 吉利文
【申請人】上海大學(xué)興化特種不銹鋼研究院
【公開日】2015年10月21日
【申請日】2015年6月17日