本发明专利技术公开了一种钴基高温合金及其制备方法和在重型燃气轮机中的应用，属于铸造等轴晶钴基高温合金技术领域。合金化学成分：Cr：22.0～25.0％，Ni：9.0～11.0％，W：5.4～6.4％，Mo：0.7～1.3％，Ta：3.0～4.0％，C：0.47～0.65％，Ti：0.15～0.25％，Al：0.05～0.2％，Zr：0.06～0.35％，Mn：0～0.1％，Si：0～0.4％，B：0.005～0.015％，其余为Co。该合金具有优异力学性能、物理化学性能以及高温组织稳定性，适用于地面与舰用重型燃气轮机导向叶片材料。
Cobalt base superalloy and its preparation method and application in heavy duty gas turbine
The invention discloses a cobalt-based superalloy, a preparation method thereof and an application thereof in a heavy-duty gas turbine, belonging to the technical field of casting equiaxed cobalt-based superalloy. The chemical composition of the alloy is Cr: 22.0-25.0%, Ni: 9.0-11.0%, W: 5.4-6.4%, Mo: 0.7-1.3%, Ta: 3.0-4.0%, C: 0.47-0.65%, Ti: 0.15-0.25%, Al: 0.05-0.2%, Zr: 0.06-0.35%, Mn: 0-0.1%, Si: 0-0.4%, B: 0.005-0.015%, and Co. The alloy has excellent mechanical properties, physical and chemical properties and high temperature microstructure stability. It is suitable for the guide vane materials of heavy-duty gas turbines on the ground and on ships.
【技术实现步骤摘要】
一种钴基高温合金及其制备方法和在重型燃气轮机中的应用
本专利技术属于铸造等轴晶钴基高温合金
，具体涉及一种钴基高温合金及其制备方法和在重型燃气轮机中的应用。
技术介绍
自1939年世界第一台发电用重型燃气轮机在瑞士诞生以来，重型燃气轮机产业得到了迅速发展。当前，重型燃气轮机已经成为所有热—功转换发电系统中效率最高的大规模商业化发电模式，燃气轮机发电站发电量已经接近全球发电量的五分之一，而且还在稳步增加。在燃气轮机中，涡轮叶片由于处于温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位而被列为第一关键件，并被誉为“王冠上的明珠”，足以说明其重要程度。因此，不断研发强度和使用温度更高的合金材料便成为应对燃气轮机输出功率需求快速增长的有效解决途径之一。重型燃气轮机热端部件设计使用寿命在24000小时以上，在反复启停所产生的热应力和运行期间稳定应力的耦合作用下，要求导向叶片材料在长期服役过程中必须保持良好的力学性能以及组织稳定性。同时，还要求合金材料具有优异的抗氧化和抗热腐蚀性能，以抵御由于煤或劣质燃油燃烧所产生的酸性离子长期侵蚀。目前我国相应开发出了K640和K640s等Co-Cr-W(Mo)系铸造等轴晶钴基高温合金，这些合金具有较好的组织稳定性及力学性能，但逐渐不能满足燃气轮机入口温度不断提高的设计要求。这便对具有更高抗氧化和抗腐蚀能力进而承温能力更高的燃气轮机导向叶片合金材料产生了需求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种钴基高温合金及其制备方法和在重型燃气轮机中的应用，该合金在高温条件下(800～1000℃)，具有优异的高温力学性能，同时兼具优异抗氧化、抗热腐蚀以及长时高温组织稳定性；所制备的钴基高温合金适用于重型燃气轮机导向叶片。为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：一种钴基高温合金，按重量百分含量计，该合金化学成分如下：Cr：22.0～25.0％，Ni：9.0～11.0％，W：5.4～6.4％，Mo：0.7～1.3％，Ta：3.0～4.0％，C：0.47～0.65％，Ti：0.15～0.25％，Al：0.05～0.2％，Zr：0.06～0.35％，Mn：0～0.1％，Si：0～0.4％，B：0.005～0.015％，其余为Co；按重量百分含量计，该合金优选的化学成分如下：Cr：23.5.0～24.5％，Ni：9.0～11.0％，W：5.8～6.4％，Mo：0.7～1.1％，Ta：3.3～3.8％，C：0.50～0.60％，Ti：0.15～0.25％，Al：0.05～0.2％，Zr：0.06～0.35％，Mn：0～0.1％，Si：0～0.4％，B：0.005～0.015％，其余为Co。该合金化学成分中：6.5wt.％≤W+Mo＜7.6wt.％。所述钴基高温合金中，杂质的重量百分含量控制为：O≤0.002％，N≤0.002％，S≤0.004％，P≤0.018％，Pb≤0.0005％，Bi≤0.00005％，Sn≤0.002％，As≤0.005％，Sb≤0.001％。所述钴基高温合金的制备方法为：首先按照所述合金成分配料，采用真空感应炉熔炼，熔炼温度1610～1630℃，熔炼时间5-15min；然后在1460～1550℃浇注，壳温1010～1030℃，浇注后获得铸态钴基高温合金。该钴基高温合金应用于地面与舰用重型燃气轮机热端部件，如燃气轮机导向叶片；使用温度800～1000℃。本专利技术合金的化学成分设计主要基于如下理由：化学成分是决定高温合金材料组织和力学性能的关键因素之一，通过调配不同的合金元素可以直接影响合金的晶体结构、析出相、晶界、相界面及物理化学性能等一系列材料组织与性能。与常规高温合金相比，适用于重燃导向叶片的材料必须具有优异的抗热腐蚀性能，其合金最明显的特点是应含有较高的Cr(一般大于12wt.％)。在热腐蚀条件下，Cr被氧化生成Cr2O3，保护合金基体免受或延缓熔盐的侵蚀。另外，Cr可以捕获进入合金基体的S，生成固态的CrS，阻止S进一步向基体内部扩散或者生成液态的钴(镍)硫化物。但Cr的固溶强化作用较小，较高的Cr含量限制了其它固溶强化元素(W、Mo、Ta等)的加入，否则合金中易出现TCP有害相，引起性能恶化。因此，高强抗热腐蚀合金在成分设计上需要适度控制Cr含量。W、Mo元素是高温合金中的主要固溶强化元素。由于本身是难溶元素且原子半径远大于其它原子，因此在塑性变形过程中能够有效阻碍晶格位错运动进而增强基体强度。在强化作用方面，Mo原子半径大于W原子，使Mo原子的固溶强化效果还要优于W原子。不过，过量的Mo和W原子，一方面能够在热腐蚀过程中加速有害液相腐蚀产物Na2Mo(W)O4的生成，导致合金热腐蚀性能降低；另一方面，在长期服役过程中可能促进TCP有害相的形成，对合金的组织稳定性十分不利。C是高温合金中典型的强化元素。在本专利技术合金中C元素含量较高，将在晶界及枝晶间形成大量的草书体MC和块状或颗粒状M23C6碳化物，从而显著地提高合金的高温强度。但过量的C元素添加将极大地增加合金铸件在铸造凝固过程中的热裂倾向，这将导致铸件合格率大幅降低。B是合金的晶界强化元素，其微合金化可使合金在塑性变形过程中形成M5B3相，降低晶界处的应力集中及应变诱发的内能升高，能够在提高合金晶界高温强度的同时保持合金塑性性能。Ta是另一有效保证专利技术合金高温强度元素。Ta元素的添加，一方面能够在晶界和枝晶间形成草书体状的高熔点相TaC(MC)，有效提升合金高温强度；另一方面，一部分Ta原子将进入γ基体起到固溶强化作用。然而，Ta元素的量需要进行严格控制，以防晶界上过量且与基体不共格的TaC碳化物形成导致蠕变断裂强度下降，同时降低高温与应力长期耦合作用下有Ta元素参与的TCP有害相产生风险。Ni元素的添加，能够提高高温条件下面心立方钴基奥氏体的稳定性，抑制其向密排六方晶体结构转变。但过高的Ni加入量将引起持久性能降低。Si和Mn元素的加入可分别促进合金浇注过程中的流动性、提升合金焊接性能以及抑制合金在高温环境下热裂倾向。同时，在钴基合金中添加Si和Mn元素对合金的氧化动力学有明显影响，Mn在氧化过程中生成MnCr2O4氧化物，抑制Cr2O3进一步氧化和挥发对合金氧化行为所产生的不利影响，Si能够抑制钴基合金表面CoO的生成，促进Cr2O3的生长。不过，过量Si和Mn元素的添加可在铸造过程中形成有害夹杂物而降低合金强度，以及导致热端部件在长期使用过程中晶界逐渐脆化。Zr元素的添加能够减少晶界缺陷，提高晶界结合力，降低晶界扩散速率和界面能，有效阻止晶粒沿晶滑动，从而提高合金持久寿命及塑性，消除缺口敏感性。同时Zr还是一种净化剂，与S和O结合形成一次硫(或氧)化物，使合金中的S和O含量降低，不过，过量Zr元素的加入将直接影响合金铸件表面的氧化层深度，并增加合金在凝固过程中的热裂倾向。Ti元素的微合金化能够与S发生反应形成稳定的固态硫化物，延缓金属-金属硫化物液态共晶的形成，延缓合金的热腐蚀反应过程，增加合金的抗热腐蚀能力。Al元素的微合金化能够与O发生反应形成稳定的固态氧化物，延缓合金的氧化过程，可在高温与外加载荷的耦合作用下延缓铸件的表面由氧化诱发的蠕变损伤过程，从而提高合金蠕变寿命，但超量的Al将使合金的塑性加速本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种钴基高温合金，其特征在于：按重量百分含量计，该合金化学成分如下：Cr：22.0～25.0％，Ni：9.0～11.0％，W：5.4～6.4％，Mo：0.7～1.3％，Ta：3.0～4.0％，C：0.47～0.65％，Ti：0.15～0.25％，Al：0.05～0.2％，Zr：0.06～0.35％，Mn：0～0.1％，Si：0～0.4％，B：0.005～0.015％，其余为Co。
【技术特征摘要】
1.一种钴基高温合金，其特征在于：按重量百分含量计，该合金化学成分如下：Cr：22.0～25.0％，Ni：9.0～11.0％，W：5.4～6.4％，Mo：0.7～1.3％，Ta：3.0～4.0％，C：0.47～0.65％，Ti：0.15～0.25％，Al：0.05～0.2％，Zr：0.06～0.35％，Mn：0～0.1％，Si：0～0.4％，B：0.005～0.015％，其余为Co。2.根据权利要求1所述的钴基高温合金，其特征在于：按重量百分含量计，该合金化学成分如下：Cr：23.5.0～24.5％，Ni：9.0～11.0％，W：5.8～6.4％，Mo：0.7～1.1％，Ta：3.3～3.8％，C：0.50～0.60％，Ti：0.15～0.25％，Al：0.05～0.2％，Zr：0.06～0.35％，Mn：0～0.1％，Si：0～0.4％，B：0.005～0.015％，其余为Co。3.根据权利要求1或2所述的钴基高温合金，其特征在于：该合...
【专利技术属性】
技术研发人员：王尧，董加胜，刘心刚，李相伟，郑伟，李辉，楼琅洪，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21
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