一種鎳基高溫合金和燃氣渦輪發動機部件的製作方法

2023-10-31 02:26:02 2

本發明涉及高溫合金技術領域，尤其涉及一種鎳基高溫合金和燃氣渦輪發動機部件。

背景技術：

一般來說，高溫合金是指在600℃以上及一定應力條件下能夠長期工作的高溫金屬材料，具有優異的高溫強度，良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能，良好的疲勞性能、斷裂韌性等綜合性能。隨著工業的高速發展，高溫合金在各個領域中展現出了良好的應用前景，主要用於製造燃氣渦輪發動機的渦輪葉片、導向葉片、渦輪盤、高壓壓氣機盤和燃燒室等高溫部件。

高溫合金材料按照製備工藝可分為變形高溫合金、鑄造高溫合金和粉末冶金高溫合金。高溫合金材料按基體元素主要可分為鐵基高溫合金、鎳基高溫合金和鈷基高溫合金。由於鐵基高溫合金組織不夠穩定,抗氧化性較差，高溫強度較差，不適合在較高溫度條件下(>800℃)應用，通常只能在650℃以下使用；而鈷是一種重要的戰略資源，世界上大多數國家缺鈷，使鈷基合金的發展受到了資源的限制。因而，以鎳為基體(含量一般大於50％)的鎳基高溫合金成為了目前高溫合金中應用最廣、高溫強度最高的一類合金，其在700-1100℃範圍內具有較高的強度和良好的抗氧化性、抗燃氣腐蝕能力。鎳基高溫合金具有諸多優點，一是可以溶解較多的合金元素，且能保持較好的穩定性；二是可以形成有序的L12結構金屬間化合物γ』-[Ni(Al,Ti,Ta)]相作為強化相，使合金的得到有效的強化，獲得比鐵基高溫合金更高的高溫強度；三是含鉻的鎳基合金具有比鐵基高溫合金更好的抗氧化和抗燃氣腐蝕能力，通常其可以含有十多種元素，而Cr主要起抗氧化和抗腐蝕作用，其他元素主要起強化作用。

儘管鎳基高溫合金具有優異的高溫性能諸如：抗疲勞、耐腐蝕及抗氧化等性能，但是高溫長期服役的鎳基合金在疲勞強度、屈服強度和極限抗拉強度等力學性能方面均會出現明顯下降。

因而，如何提高高溫長期服役的鎳基合金的高溫力學性能，成了亟待解決的關鍵問題。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題在於提供一種鎳基高溫合金和燃氣渦輪發動機部件，本發明提供的鎳基高溫合金在長期高溫的條件下，具有較好的力學性能。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：

一種鎳基高溫合金，按質量百分比組成包括：

Co：18-20％；Cr：13-15％；Al：2.6-3.4％；Ti：3.3-3.7％；Ta：1.5-2.1％；W：1.8-2.2％；Mo：2.5-3.5％；Nb：0.1-0.4％；Hf：0.1-0.3％；C：0.02-0.06％；B：0.003-0.006％；Zr：0.01-0.02％；餘量為Ni和不可避免的雜質。

優選的，所述Co的質量百分比具體為18.5-19.5％。

優選的，所述Cr的質量百分比具體為13.5-14.5％。

優選的，所述Al的質量百分比具體為2.8-3.2％。

優選的，所述Ti的質量百分比具體為3.4-3.6％。

優選的，所述W的質量百分比具體為1.9-2.1％。

優選的，所述Mo的質量百分比具體為2.75-3.25％。

優選的，所述Nb的質量百分比具體為0.1-0.3％。

優選的，其中的質量百分比具體為：Co：19％；Cr：14％；Al：3.0％；Ti：3.5％；Ta：1.8％；W：2.0％；Mo：3.0％；Nb：0.2％；Hf：0.2％；C：0.03％；B：0.005％；Zr：0.015％。

一種燃氣渦輪發動機部件，所述部件的材質為如上述任一所述的一種鎳基高溫合金。

本發明中的鎳基高溫合金由於按質量百分比組成包括：Co：18-20％；Cr：13-15％；Al：2.6-3.4％；Ti：3.3-3.7％；Ta：1.5-2.1％；W：1.8-2.2％；Mo：2.5-3.5％；Nb：0.1-0.4％；Hf：0.1-0.3％；C：0.02-0.06％；B：0.003-0.006％；Zr：0.01-0.02％；餘量為Ni和不可避免的雜質。與現有技術相比，本發明提高了材料的組織穩定性，特別是提高了γ』相、MC相的穩定性.並有效改善原始顆粒邊界(PPB)的析出；解決了高溫長期服役的鎳基高溫合金產生有害相的問題，提升了合金材料的疲勞性能。實驗結果表明，其各項指標能夠優於現有的高溫合金，尤其是現有的粉末冶金高溫合金。採用本發明所設計的高溫合金，製備的物品，尤其製備燃氣渦輪發動機，特別是製備其關鍵熱端部件，均具有較好的力學性能和高溫長期服役的組織穩定性，以及較好的合金承溫能力。

附圖說明

圖1為本發明實施例中的合金144與第二代典型的粉末冶金高溫合金在850℃下的γ』強化相含量對比圖；

圖2為本發明實施例中的合金144與第二代典型的粉末冶金高溫合金的γ』相完全溶解溫度對比圖；

圖3為本發明實施例中的合金144與第二代典型的粉末冶金高溫合金的有害相σ相的最大摩爾含量對比圖；

圖4為本發明實施例中的合金144與第二代典型的粉末冶金高溫合金的固液相線的差值對比圖。

具體實施方式

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例，對本發明的技術方案進行清楚地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

本發明所用原料，對其來源沒有特別限制，在市場上購買的或是按照本領域技術人員熟知的製備方法製備得到即可。

本發明所述高溫合金及其製備的物品，對其製備方法和其它原料的來源沒有特別限制，按照本領域技術人員熟知的製備方法製備得到或是在市場上購買的即可。

下面結合附圖和較佳的實施例對本發明作進一步說明。

本發明實施例公開了一種高溫合金，按質量百分比組成包括：

Co：18～20％；Cr：13～15％；Al：2.6-3.4％；Ti：3.3～3.7％；Ta：1.5～2.1％；W：1.8～2.2％；Mo：2.5～3.5％；Nb：0.1～0.4％；Hf：0.1～0.3％；C：0.02～0.06％；B：0.003～0.006％；Zr：0.01～0.02％；餘量為Ni和不可避免的雜質。

與現有技術相比，本發明實施例通過採用優化Al、Ti、Nb、Ta元素來增加γ』體積分數，從而降低高溫合金材料在高溫長時間服役過程中的有害相的析出能力，提高材料的組織穩定性。通過調整W、Mo的含量來提高固溶強化效果並降低TCP(拓撲密堆相)相含量。另外，該合金調整了元素Hf、B的含量，並增加了Ta含量，從而提高了γ』相、MC相的穩定性，並有效改善原始顆粒邊界(PPB)的析出；因此很好的解決了高溫長期服役的鎳基高溫合金產生有害相的傾向，提升了合金材料的疲勞性能的問題。實驗結果表明，其各項指標能夠優於現有的高溫合金，尤其是現有的粉末冶金高溫合金。採用本發明所設計的高溫合金，製備的物品，尤其製備燃氣渦輪發動機，特別是製備其關鍵熱端部件，均具有較好的力學性能和高溫長期服役的組織穩定性，以及較好的合金承溫能力。

本發明實施例提供的高溫合金，即一種粉末冶金鎳合金，按質量百分比組成，所述元素Nb的質量百分比含量優選為0.1～0.4％，優選為0.1％～0.3％，本實施例優選為0.2％，當然也可以為0.1％，或為0.4％；本發明實施例對元素Nb的來源沒有特別限定，以本領域技術人員熟知的元素Nb的來源或市售的元素Nb即可；本發明實施例對元素Nb的純度沒有特別限制，以本領域技術人員熟知的用於製備高溫合金的元素Nb的純度即可。

本發明實施例通過採用0.1～0.4％的元素Nb來提高TCP相形成的門檻值，從而降低TCP相在高溫長時間服役過程中的析出，提高材料的組織穩定性。

按質量百分比組成，所述元素Co的質量百分比含量優選為18-20％，更優選為18.5～19.5％，本實施例優選為19％，當然也可以為18％，或為20％；本發明實施例對元素Co的來源沒有特別限定，以本領域技術人員熟知的元素Co的來源或市售的元素Co即可；本發明對元素Co的純度沒有特別限制，以本領域技術人員熟知的用於製備高溫合金的元素Co的純度即可。

本發明實施例通過優化元素Co的含量來調整γ』的固溶溫度。

按質量百分比組成，所述元素Hf的質量百分比含量優選為0.1～0.3％，本實施例優選為0.20％，當然也可以為0.1％，或為0.3％；本發明對元素Hf的來源沒有特別限定，以本領域技術人員熟知的元素Hf的來源或市售的元素Hf即可；本發明對元素Hf的純度沒有特別限制，以本領域技術人員熟知的用於製備高溫合金的元素Hf的純度即可。

本發明在所述高溫合金中，合金元素Hf提高γ』相的穩定性，元素Hf不僅可進入γ′、還能進入MC，在粉末顆粒內能形成更穩定的碳化物，是改善原始顆粒邊界(PPB)析出的有效途徑。

按質量百分比組成，所述元素Al的質量百分比含量優選為2.6～3.4％，本實施例優選為3.0％，當然也可以為2.6％，或為3.4％；本發明實施例對元素Al的來源沒有特別限定，以本領域技術人員熟知的元素Al的來源或市售的元素Al即可；本發明對元素Al的純度沒有特別限制，以本領域技術人員熟知的用於製備高溫合金的元素Al的純度即可。

按質量百分比組成，所述元素Ti的質量百分比含量優選為3.3～3.7％，本實施例優選為3.5％，當然也可以是3.3％，或為3.7％；本發明對元素Ti的來源沒有特別限定，以本領域技術人員熟知的元素Ti的來源或市售的元素Ti即可；本發明對元素Ti的純度沒有特別限制，以本領域技術人員熟知的用於製備高溫合金的元素Ti的純度即可。

本發明實施例在所述高溫合金中，通過優化Al、Ti、Nb來調整γ』相的形態和體積分數，有效增加合金在高溫服役過程中的力學性能、增加合金的承溫能力。

按質量百分比組成，所述元素Ta的質量百分比含量優選為1.5～2.1％，本實施例優選為1.8％，當然也可以為1.5％，或為2.1％；本發明實施例對元素Ta的來源沒有特別限定，以本領域技術人員熟知的元素Ta的來源或市售的元素Ta即可；本發明實施例對元素Ta的純度沒有特別限制，以本領域技術人員熟知的用於製備高溫合金的Ta的純度即可。

本發明實施例在所述高溫合金中，通過增加Ta來增加γ』體積分數，並穩定γ』相，從而提高合金元素高溫強度。

按質量百分比組成，所述元素W的質量百分比含量優選為1.8～2.2％，更優選為1.9～2.10％，本實施例優選為2.0％，當然也可以為1.8％，或為2.2％；本發明實施例對元素W的來源沒有特別限定，以本領域技術人員熟知的元素W的來源或市售的元素W即可；本發明實施例對元素W的純度沒有特別限制，以本領域技術人員熟知的用於製備高溫合金的元素W的純度即可。

按質量百分比組成，所述元素Mo的質量百分比含量優選為2.5～3.5％，更優選為2.75～3.25％，本實施例優選為3.0％，當然也可以為2.5％，或為3.5％；本發明實施例對元素Mo的來源沒有特別限定，以本領域技術人員熟知的元素Mo的來源或市售的元素Mo即可；本發明對元素Mo的純度沒有特別限制，以本領域技術人員熟知的用於製備高溫合金的元素Mo的純度即可。

按質量百分比組成，所述元素Cr的質量百分比含量優選為13～15％，更優選為13.5～14.5％，本實施例優選為14％，當然也可以為13％，或為15％；本發明實施例對元素Cr的來源沒有特別限定，以本領域技術人員熟知的元素Cr的來源或市售的元素Cr即可；本發明實施例對元素Cr的純度沒有特別限制，以本領域技術人員熟知的用於製備高溫合金的元素Cr的純度即可。

按質量百分比組成，所述元素C的質量百分比含量優選為0.02～0.06％，更優選為0.02～0.04％，本實施例優選為0.03％，當然也可以為0.02％，或為0.06％；本發明實施例對元素C的來源沒有特別限定，以本領域技術人員熟知的元素C的來源或市售的元素C即可；本發明實施例對元素C的純度沒有特別限制，以本領域技術人員熟知的用於製備高溫合金的元素C的純度即可。

按質量百分比組成，所述元素B的質量百分比含量優選為0.003～0.006％，本實施例優選為0.005％，當然也可以為0.003％，或0.006％；本發明對元素B的來源沒有特別限定，以本領域技術人員熟知的元素B的來源或市售的元素B即可；本發明實施例對元素B的純度沒有特別限制，以本領域技術人員熟知的用於製備高溫合金的元素B的純度即可。

按質量百分比組成，所述元素Zr的質量百分比含量優選為0.01～0.02％，優選為0.015％，當然也可以為0.01％或0.02％；本發明實施例對元素Zr的來源沒有特別限定，以本領域技術人員熟知的元素Zr的來源或市售的元素Zr即可；本發明實施例對元素Zr的純度沒有特別限制，以本領域技術人員熟知的用於製備高溫合金的元素Zr的純度即可。

本發明實施例對元素Ni的來源沒有特別限定，以本領域技術人員熟知的元素Ni的來源或市售的元素Ni即可；本發明對元素Ni的純度沒有特別限制，以本領域技術人員熟知的用於製備高溫合金的元素Ni的純度即可。

本發明實施例提供一種高溫合金，按質量百分比組成包括：Co：19％；Cr：14％；Al：3.0％；Ti：3.5％；Ta：1.8％；W：2.0％；Mo：3.0％；Nb：0.2％；Hf：0.2％；C：0.03％；B：0.005％；Zr：0.015％；餘量為Ni和其他不可避免的雜質。

本發明實施例提供的上述粉末冶金高溫合金，優化了Al、Ti、Nb含量，同時調整W、Mo、Co含量，並添加了Ta和Hf。經檢測，相比第二代粉末冶金高溫合金Rene88、U720Li、FGH96，其主要強化相γ』相的完全溶解溫度和體積百分比高，由此增加了合金的高溫強度和承溫能力。本發明提供的上述粉末冶金高溫合金,將Zr的含量控制在0.02％以下，優化的Zr含量是0.015％.相比第二代粉末冶金高溫合金Rene88、U720Li、FGH96，將減少沿PPB晶界的有害析出相，提高合金的塑性.

本發明提供的所述粉末冶金高溫鎳合金，相對第二代粉末冶金高溫合金(Rene88、U720Li、FGH96)具有更好的高溫強度，合金承溫能力比第二代粉末冶金高溫合金進一步提高。

本發明實施例提供一種物品，所述物品用於燃氣渦輪發動機，且按質量百分比組成，包含由以下元素形成的高溫合金：Co：18～20％；Cr：13～15％；Al：2.6-3.4％；Ti：3.3～3.7％；Ta：1.5～2.1％；W：1.8～2.2％；Mo：2.5～3.5％；Nb：0.1～0.4％；Hf：0.1～0.3％；C：0.02～0.06％；B：0.003～0.006％；Zr：0.01～0.02％；餘量為Ni和不可避免的雜質。

本發明實施例所述物品中，包含的高溫合金中的元素優選方案與前述高溫合金中的元素優選方案相同，在此不再一一贅述；本發明所述物品優選用於燃氣渦輪發動機，更優選用於燃氣渦輪發動機的熱端部件。本發明對所述燃氣渦輪發動機的型號沒有特別限制，以本領域技術人員熟知的採用高溫合金的型號即可；本發明對所述燃氣渦輪發動機的其他條件沒有特別限制，以本領域技術人員熟知的燃氣渦輪發動機的常規條件即可。

本發明所述粉末鎳基高溫合金，作為用於燃氣渦輪發動機的高溫材料，特別適用於關鍵熱端部件的鎳基粉末冶金高溫合金，以及由此製造的相關材料及其構件，本發明所述高溫合金相對第二代粉末冶金高溫合金具有更好的高溫強度，合金承溫能力比第二代粉末冶金高溫合金進一步提高。

本發明實施例為進一步提高高溫合金的高溫力學強度和穩定性，還提供了另外用於製造燃氣渦輪發動機，特別是製造關鍵熱端部件的具體技術方案。

本發明實施例提供一種物品，所述物品用於燃氣渦輪發動機，且按質量百分比組成，包含由以下元素形成的高溫合金：Co：19％；Cr：14％；Al：3.0％；Ti：3.5％；Ta：1.8％；W：2.0％；Mo：3.0％；Nb：0.2％；Hf：0.2％；C：0.03％；B：0.005％；Zr：0.015％，餘量為Ni。

本發明實施例提供的鎳基高溫合金，尤其是一種粉末冶金鎳基高溫合金，以及由此製備的燃氣渦輪發動機，特別是燃氣渦輪發動機的關鍵熱端部件，針對合金高溫承溫能力不足，抗高溫疲勞和蠕變能力較低、原始顆粒邊界、組織穩定性等直接決定合金的高溫性能和構件的壽命的問題，以及粉末冶金高溫合金在服役中出現的有害相是材料及構件在長期服役過程中易產生疲勞裂紋導致失效的主要因素之一。

本發明實施例通過調整W、Mo的含量來提高固溶強化效果，並降低TCP相含量；調整Co的含量可提高γ』固溶溫度，有效增加合金可熱處理性、和通過熱處理優化合金性能的可行性；增加Ta來提高γ』相穩定性。另外，該合金調整了元素Hf、B的含量，從而提高了γ』相、MC相的穩定性，並有效改善原始顆粒邊界(PPB)的析出；因此很好的解決了高溫長期服役的鎳基高溫合金產生有害相的傾向，提升了合金材料的疲勞性能的問題。本發明應用先進的合金設計方法，充分發揮固溶強化、沉澱強化的作用，提升合金的高溫力學性能、平衡了各強化元素W、Mo、Nb、Al、Ti、Ta在合金中的含量，經過篩選，設計了含Ta、中等Co含量的粉末冶金高溫鎳合金，實驗結果表明，其各項指標優於典型的第二代粉末冶金高溫合金。採用本發明所設計的高溫合金，製備的物品，尤其製備燃氣渦輪發動機，特別是製備其關鍵熱端部件，均具有較好的力學性能和高溫長期服役的穩定性，以及較好的合金承溫能力。

本發明實施例按照一定的合金成分配比製備得到一種粉末冶金高溫合金144，並與現有的典型的第二代粉末冶金高溫合金(Rene88、U720Li、FGH96)進行成分對比，對比結果，參見表1，表1為本發明實施例得到的高溫合金與第二代典型粉末冶金高溫合金(Rene88、U720Li、FGH96)的成分對比。

表1實施例得到的高溫合金144與第二代典型粉末冶金高溫合金(Rene88、U720Li、FGH96)的成分對比(表中數字均為質量百分比)

從表1可以看出，本發明實施例設計的合金與第二代粉末冶金高溫合金比較具有以下特徵：與Rene88相比，Al/Ti比提高，並增加了元素Co,Hf、Ta；與U720Li相比，Al/Ti比提高，並增加了元素Co,Nb、Ta和元素Hf；與國內FGH96相比，提高元素Co的質量，並增加了元素Al,Hf、Ta。

對本發明實施例設計的合金與第二代典型的粉末冶金高溫合金進行性能檢測。

參見圖1，圖1為本發明實施例中的合金與第二代典型的粉末冶金高溫合金在850℃下的γ』強化相含量對比圖。

由圖1可知，在850℃的高溫條件下，本實施例設計的高溫合金，其γ』強化相含量高於Rene88、FGH96，和U720Li相當。

參見圖2，圖2為本發明實施例中的合金與第二代典型的粉末冶金高溫合金的γ』相完全溶解溫度對比圖。

由圖2可知，本實施例設計的高溫合金，其γ』相固溶溫度與U720Li相當，比Rene88提高約40℃，比FGH96提高約30℃。這表明本發明設計的高溫合金的高溫強化相--γ』相的穩定性明顯優於第二代粉末冶金高溫合金。

參見圖3，圖3為本發明實施例中的合金與第二代典型的粉末冶金高溫合金的有害相σ相的最大摩爾含量對比圖。

由圖3可知，本實施例設計的高溫合金，其σ相可形成的總量較小，這表明，本發明設計的高溫合金對抑制和控制σ相的形成具有明顯的優勢。

參見圖4，圖4為本發明實施例中的合金的凝固區間稍微大於第二代典型的粉末冶金高溫合金的固液相線的範圍。

從上述檢測結果以及說明可以看出，本發明實施例設計的粉末冶金高溫鎳合金，相比原有的二代粉末冶金高溫合金。提高了高溫強度，提高了γ』相的穩定性，從而提高了合金的高溫性能，並且降低了有害相的析出能力，材料的組織穩定性也有所提高，其各項指標優於典型的第二代粉末冶金高溫合金。

一種燃氣渦輪發動機部件，所述部件的材質為如上述任一所述的一種鎳基高溫合金。

以上對本發明實施例提供的一種鎳基高溫合金進行了詳細的介紹，本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用於幫助理解本發明的方法及其核心思想，包括最佳方式，並且也使得本領域的任何技術人員都能夠實踐本發明，包括製造和使用任何裝置或系統，和實施任何結合的方法。應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以對本發明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發明權利要求的保護範圍內。本發明專利保護的範圍通過權利要求來限定，並可包括本領域技術人員能夠想到的其他實施例。如果這些其他實施例具有不是不同於權利要求文字表述的結構要素，或者如果它們包括與權利要求的文字表述無實質差異的等同結構要素，那麼這些其他實施例也應包含在權利要求的範圍內。