一種耐高溫?zé)岣g高溫合金鑄件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于金屬材料領(lǐng)域，涉及一種耐高溫?zé)岣g高溫合金鑄件，尤其涉及一種 用于燃?xì)廨啓C(jī)熱端零部件的耐高溫?zé)岣g高溫合金。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著世界經(jīng)濟(jì)可持續(xù)、節(jié)能環(huán)保以及低碳發(fā)展的客觀要求，具有高效、節(jié)水、碳排 放量低等優(yōu)點(diǎn)的重型燃?xì)廨啓C(jī)及其聯(lián)合裝置已經(jīng)成為世界新增發(fā)電設(shè)備的主流。隨著地面 燃機(jī)渦輪前進(jìn)氣口溫度的提高，對渦輪葉片材料提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。一方面要求材料具備 良好的力學(xué)性能及穩(wěn)定性；一方面葉片材料的服役環(huán)境復(fù)雜，燃油中含有S、Na等雜質(zhì)及高 溫燃?xì)獾臎_刷破壞，要求合金需具備更好的抗高溫氧化及熱腐蝕性能；另外由于葉片的內(nèi) 腔結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜，還要求材料具有良好的鑄造性能。現(xiàn)有的燃?xì)廨啓C(jī)葉片材料通常具有良 好的組織穩(wěn)定性和耐熱腐蝕性能，但是主要存在以下缺點(diǎn)：1、通常材料的承溫能力較低，無 法滿足更高級別的燃?xì)廨啓C(jī)對葉片材料的承溫能力需求；2、在合金設(shè)計(jì)的元素搭配方面通 常對鑄造工藝性能方面未能兼顧，鑄造具有復(fù)雜空心結(jié)構(gòu)的渦輪葉片有困難，鑄造易于產(chǎn) 生鑄造缺陷的大尺寸葉片也具有困難，因此增加了批量生產(chǎn)的難度。為使合金同時(shí)具有高 的承溫能力、良好的耐熱腐蝕性能、鑄造工藝性能以及組織穩(wěn)定性能力需要對合金化學(xué)成 分進(jìn)行恰當(dāng)?shù)钠胶庠O(shè)計(jì)和控制，這是燃?xì)廨啓C(jī)葉片材料技術(shù)改進(jìn)的難點(diǎn)，也是發(fā)展更為先 進(jìn)的工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)高溫材料的技術(shù)需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是提供一種在地面燃?xì)廨啓C(jī)、艦船等含腐蝕介質(zhì)環(huán)境中使用并具有 長壽命要求的一種耐高溫?zé)岣g高溫合金鑄件。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是，
[0004] 鑄件合金的化學(xué)成分及其質(zhì)量百分比為：A1 3. 8~6. 0%;Ti0. 5~3. 5%;Cr 10. 0 ~12. 0%;Ta5. 0 ~7. 0%;Co8. 0 ~10. 0%;W4. 0 ~7. 0%;Mo1. 0 ~3. 0%;Hf 0 ~3. 0%;Re0 ~4;C0· 02 ~0· 15%;B0· 002 ~0· 02%，余量為鎳；合金中的Al、Ti、 Hf以及C+B的化學(xué)成分控制在如下比例中，1. 0彡（Al/Ti)彡11，Hf0~3. 0% ;其中，當(dāng) 1. 0 彡（Al/Ti)彡 1. 6 時(shí)，Hf0 ~0· 5%，0· 022 彡C+B彡 0· 09 ;當(dāng) 1. 6 < (Al/Ti)彡 2. 5 時(shí)，Hf1. 8 ~3. 0%，0· 09 <C+B彡 0· 17 ;當(dāng) 2. 5 < (Al/Ti)彡 11 時(shí)，Hf0· 5 ~1. 8%， 0. 09 <C+B< 0. 17,合金鑄件的制備步驟是：
[0005] 1)按配比成分進(jìn)行配料，加入真空感應(yīng)熔煉爐中進(jìn)行熔煉，鑄出母合金錠，該過程 需要經(jīng)過熔化、精煉、降溫、合金化及澆注五個(gè)步驟完成。在熔化步驟中，鎳、鈷、鉬、鎢、鉭、 鉻、碳、錸直接裝入坩堝，化清后精煉40min以上，精煉結(jié)束后強(qiáng)烈攪拌熔池，然后停電降溫 結(jié)膜；再通電，加入鋁、鈦，熔煉3~15分鐘后進(jìn)行攪拌，再加入硼和鉿熔煉3~15分鐘后 進(jìn)行攪拌，促進(jìn)成分的均勻化。最后，停電降溫，當(dāng)熔池溫度達(dá)到澆注溫度后，即可進(jìn)行澆 注，澆注應(yīng)帶電并通過過濾器進(jìn)行，鋼液澆注在提前預(yù)置好的錠模當(dāng)中，制成母合金錠。將 母合金錠成分進(jìn)行分析，化學(xué)成分合格后，母合金錠可用于鑄件的鑄造。
[0006] 2)采用鑄件模具壓制出鑄件蠟?zāi)?，在鑄件蠟?zāi)Ｍ獠客繏?~20mm厚的陶瓷漿料， 然后在120°C~500°C溫度下脫蠟，在800°C~1700°C下焙燒后制備成陶瓷型殼。
[0007] 3)將上述第二步中制得的陶瓷模殼放入真空感應(yīng)熔煉定向凝固爐中，調(diào)節(jié)真空感 應(yīng)熔煉定向凝固爐中溫度至1400°C~1700 °C，按照澆鑄所需的重量切取母合金錠，在真空 感應(yīng)熔煉定向凝固爐中將母合金錠熔化，熔化后的金屬液澆入鑄件陶瓷型殼中，保溫2~ 20min后，以0. 5~20mm/min的速度向下移動(dòng)拉晶，拉晶結(jié)束后，隨爐冷卻至室溫取出鑄件。
[0008] 4)采用上述第一步中所制得的母合金錠，按照第三步制備鑄件并進(jìn)行熱處理， 所采用的熱處理工藝為：（1) 1200 °C~1270 °C，保溫2~6h，空冷至室溫；（2) 1050 °C~ 1150°C，保溫2~6h，空冷至室溫；（3) 830°C~900°C，保溫20h~35h，空冷至室溫。
[0009] 所述合金的化學(xué)成分為2.5<仏1/11)彡11，!^0.5~1.8%，0.09<〇+8彡0.17 時(shí)，鑄件壁厚最薄處可達(dá)〇. 3_。
[0010] 該鑄件采用定向凝固工藝鑄造，所述合金的化學(xué)成分為1. 〇彡（Al/Ti)彡1. 6，Hf 0~0. 5%，0. 022 <C+B< 0. 09時(shí)，所制備的鑄件為單晶燃?xì)鉁u輪葉片時(shí)，葉片的長度可達(dá) 200mm以上。
[0011] 該鑄件采用定向凝固工藝鑄造，所述合金的化學(xué)成分為1.6 < (Al/Ti) <2.5， Hf1. 8 ~3. 0 %，0· 09 <C+B彡 0· 17 或 2. 5 < (Al/Ti)彡 11，Hf0· 5 ~1. 8 %，0· 09 <C+B< 0. 17時(shí)，所制備的鑄件為復(fù)雜空心結(jié)構(gòu)的定向柱晶燃?xì)鉁u輪葉片，葉片的長度可 達(dá)30Ctam以上。
[0012] 本發(fā)明具有顯著的優(yōu)點(diǎn)和有益效果，本發(fā)明的主要技術(shù)方案是調(diào)整Al/Ti數(shù)值， 以及與Hf元素、C+B元素的匹配，使合金在保持良好的力學(xué)性能的同時(shí)，具有更為良好的高 溫長期時(shí)效組織穩(wěn)定性，耐熱腐蝕性能以及鑄造工藝性能。
[0013] 本發(fā)明具有良好的高溫強(qiáng)度、良好的組織穩(wěn)定性、鑄造性能以及高溫耐熱腐蝕性 能。本發(fā)明通過調(diào)整Al/Ti數(shù)值，以及與Hf元素、C+B元素的配比，能夠在保持合金高的強(qiáng)度 的同時(shí)，使合金的鑄造工藝性能、耐熱腐蝕性能以及組織穩(wěn)定性得到提高，可以達(dá)到如下性 能，在950°C/5000h時(shí)效后合金中沒有TCP相析出，合金能夠鑄造出最小厚度達(dá)到0. 3mm的 復(fù)雜空心結(jié)構(gòu)制件；合金980°C持久試驗(yàn)，載荷200MPa，其持久斷裂時(shí)間多100h;合金室溫 拉伸試驗(yàn)，其抗拉強(qiáng)度彡lOOOMPa，屈服強(qiáng)度彡900MPa，伸長率彡6%，優(yōu)于IN738 (國內(nèi)牌號 K438)合金以及DSGTD111合金，合金的力學(xué)性能如表2所示；合金與DSGTD111合金的熱腐 蝕增重曲線對比如圖1所示，圖1中顯示專利合金在900°C/100h燃?xì)鉄岣g過程中的單位 面積增重量低于DSGTD111合金，專利合金900°C/100h燃?xì)鉄岣g性能優(yōu)于DSGTD111合 金，合金具有更為優(yōu)良的熱腐蝕性能；本發(fā)明合金具有良好的鑄造工藝性能，在同等制備工 藝條件下，更有利于定向凝固鑄件的成型并減少鑄造缺陷，圖2為本發(fā)明合金與DSGTD111 合金的鑄造工藝性能對比，圖2顯示了分別用本發(fā)明合金和DSGTD111合金澆注的同一種鑄 件，該鑄件為一種復(fù)雜空心結(jié)構(gòu)的定向凝固葉片，兩件鑄件所采用的制備工藝是完全一致 的，檢驗(yàn)結(jié)果顯示，采用本發(fā)明合金澆注的鑄件沒有鑄造裂紋，而采用DSGTD111合金澆注 的鑄件，沿縱向晶界方向有多處裂紋，表明本發(fā)明合金具有更好的鑄造工藝性能。另外，本 發(fā)明合金還適合于鑄造定向凝固單晶鑄件，本專利中通過對Hf、C+B元素的控制，可以使所 澆注的定向凝固單晶鑄件具有更好的雜晶缺陷損傷容限，更適合于大尺寸定向凝固單晶鑄 件的鑄造。綜上所述，所述合金耐腐蝕性能、鑄造工藝性能、高溫組織穩(wěn)定性優(yōu)良，同時(shí)具 有良好的高溫力學(xué)性能，適用于制備具有復(fù)雜空心結(jié)構(gòu)的先進(jìn)地面燃?xì)廨啓C(jī)的熱端部件材 料，特別是具有復(fù)雜空心結(jié)構(gòu)的較大尺寸的定向凝固鑄件。
【附圖說明】
[0014] 圖1是本發(fā)明合金與DSGTD111合金在900°C/100h下的燃?xì)鉄岣g增重曲線對比 圖。
[0015] 圖2是本發(fā)明合金與DSGTD111合金的鑄造工藝性能對比圖，其中，a是原有技術(shù) 鑄造工藝性能圖，b是本發(fā)明鑄造工藝性能圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 本發(fā)明所涉及的耐高溫?zé)岣g高溫合金，成分按重量百分比計(jì)包括：A1 3. 8~ 6. 0%;Ti0· 5 ~3. 5%;Cr10. 0 ~12. 0%;Ta5. 0 ~7. 0%;Co8. 0 ~10. 0%;W4. 0 ~ 7· 0%;M〇 1. 0 ~3. 0%;Hf0 ~3. 0%;Re0 ~4;C0· 02 ~0· 15%;B0· 002 ~0· 02%，余 量為鎳；合金中的Al、Ti、Hf以及C+B的化學(xué)成分控制在如下比例中，1.0彡（Al/Ti)彡11， Hf0 ~3. 0% ;其中，當(dāng) 1.