一种耐高温热腐蚀高温合金铸件的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于金属材料领域，涉及一种耐高温热腐蚀高温合金铸件，尤其涉及一种 用于燃气轮机热端零部件的耐高温热腐蚀高温合金。
【背景技术】
[0002] 随着世界经济可持续、节能环保以及低碳发展的客观要求，具有高效、节水、碳排 放量低等优点的重型燃气轮机及其联合装置已经成为世界新增发电设备的主流。随着地面 燃机涡轮前进气口温度的提高，对涡轮叶片材料提出了严峻的考验。一方面要求材料具备 良好的力学性能及稳定性；一方面叶片材料的服役环境复杂，燃油中含有S、Na等杂质及高 温燃气的冲刷破坏，要求合金需具备更好的抗高温氧化及热腐蚀性能；另外由于叶片的内 腔结构趋于复杂，还要求材料具有良好的铸造性能。现有的燃气轮机叶片材料通常具有良 好的组织稳定性和耐热腐蚀性能，但是主要存在以下缺点：1、通常材料的承温能力较低，无 法满足更高级别的燃气轮机对叶片材料的承温能力需求；2、在合金设计的元素搭配方面通 常对铸造工艺性能方面未能兼顾，铸造具有复杂空心结构的涡轮叶片有困难，铸造易于产 生铸造缺陷的大尺寸叶片也具有困难，因此增加了批量生产的难度。为使合金同时具有高 的承温能力、良好的耐热腐蚀性能、铸造工艺性能以及组织稳定性能力需要对合金化学成 分进行恰当的平衡设计和控制，这是燃气轮机叶片材料技术改进的难点，也是发展更为先 进的工业燃气轮机高温材料的技术需求。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是提供一种在地面燃气轮机、舰船等含腐蚀介质环境中使用并具有 长寿命要求的一种耐高温热腐蚀高温合金铸件。本发明的技术解决方案是，
[0004] 铸件合金的化学成分及其质量百分比为：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%，余量为镍；合金中的Al、Ti、 Hf以及C+B的化学成分控制在如下比例中，1. 0彡（Al/Ti)彡11，Hf0~3. 0% ;其中，当 1. 0 彡（Al/Ti)彡 1. 6 时，Hf0 ~0· 5%，0· 022 彡C+B彡 0· 09 ;当 1. 6 < (Al/Ti)彡 2. 5 时，Hf1. 8 ~3. 0%，0· 09 <C+B彡 0· 17 ;当 2. 5 < (Al/Ti)彡 11 时，Hf0· 5 ~1. 8%， 0. 09 <C+B< 0. 17,合金铸件的制备步骤是：
[0005] 1)按配比成分进行配料，加入真空感应熔炼炉中进行熔炼，铸出母合金锭，该过程 需要经过熔化、精炼、降温、合金化及浇注五个步骤完成。在熔化步骤中，镍、钴、钼、钨、钽、 铬、碳、铼直接装入坩埚，化清后精炼40min以上，精炼结束后强烈搅拌熔池，然后停电降温 结膜；再通电，加入铝、钛，熔炼3~15分钟后进行搅拌，再加入硼和铪熔炼3~15分钟后 进行搅拌，促进成分的均匀化。最后，停电降温，当熔池温度达到浇注温度后，即可进行浇 注，浇注应带电并通过过滤器进行，钢液浇注在提前预置好的锭模当中，制成母合金锭。将 母合金锭成分进行分析，化学成分合格后，母合金锭可用于铸件的铸造。
[0006] 2)采用铸件模具压制出铸件蜡模，在铸件蜡模外部涂挂2~20mm厚的陶瓷浆料， 然后在120°C~500°C温度下脱蜡，在800°C~1700°C下焙烧后制备成陶瓷型壳。
[0007] 3)将上述第二步中制得的陶瓷模壳放入真空感应熔炼定向凝固炉中，调节真空感 应熔炼定向凝固炉中温度至1400°C~1700 °C，按照浇铸所需的重量切取母合金锭，在真空 感应熔炼定向凝固炉中将母合金锭熔化，熔化后的金属液浇入铸件陶瓷型壳中，保温2~ 20min后，以0. 5~20mm/min的速度向下移动拉晶，拉晶结束后，随炉冷却至室温取出铸件。
[0008] 4)采用上述第一步中所制得的母合金锭，按照第三步制备铸件并进行热处理， 所采用的热处理工艺为：（1) 1200 °C~1270 °C，保温2~6h，空冷至室温；（2) 1050 °C~ 1150°C，保温2~6h，空冷至室温；（3) 830°C~900°C，保温20h~35h，空冷至室温。
[0009] 所述合金的化学成分为2.5<仏1/11)彡11，!^0.5~1.8%，0.09<〇+8彡0.17 时，铸件壁厚最薄处可达〇. 3_。
[0010] 该铸件采用定向凝固工艺铸造，所述合金的化学成分为1. 〇彡（Al/Ti)彡1. 6，Hf 0~0. 5%，0. 022 <C+B< 0. 09时，所制备的铸件为单晶燃气涡轮叶片时，叶片的长度可达 200mm以上。
[0011] 该铸件采用定向凝固工艺铸造，所述合金的化学成分为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时，所制备的铸件为复杂空心结构的定向柱晶燃气涡轮叶片，叶片的长度可 达30Ctam以上。
[0012] 本发明具有显著的优点和有益效果，本发明的主要技术方案是调整Al/Ti数值， 以及与Hf元素、C+B元素的匹配，使合金在保持良好的力学性能的同时，具有更为良好的高 温长期时效组织稳定性，耐热腐蚀性能以及铸造工艺性能。
[0013] 本发明具有良好的高温强度、良好的组织稳定性、铸造性能以及高温耐热腐蚀性 能。本发明通过调整Al/Ti数值，以及与Hf元素、C+B元素的配比，能够在保持合金高的强度 的同时，使合金的铸造工艺性能、耐热腐蚀性能以及组织稳定性得到提高，可以达到如下性 能，在950°C/5000h时效后合金中没有TCP相析出，合金能够铸造出最小厚度达到0. 3mm的 复杂空心结构制件；合金980°C持久试验，载荷200MPa，其持久断裂时间多100h;合金室温 拉伸试验，其抗拉强度彡lOOOMPa，屈服强度彡900MPa，伸长率彡6%，优于IN738 (国内牌号 K438)合金以及DSGTD111合金，合金的力学性能如表2所示；合金与DSGTD111合金的热腐 蚀增重曲线对比如图1所示，图1中显示专利合金在900°C/100h燃气热腐蚀过程中的单位 面积增重量低于DSGTD111合金，专利合金900°C/100h燃气热腐蚀性能优于DSGTD111合 金，合金具有更为优良的热腐蚀性能；本发明合金具有良好的铸造工艺性能，在同等制备工 艺条件下，更有利于定向凝固铸件的成型并减少铸造缺陷，图2为本发明合金与DSGTD111 合金的铸造工艺性能对比，图2显示了分别用本发明合金和DSGTD111合金浇注的同一种铸 件，该铸件为一种复杂空心结构的定向凝固叶片，两件铸件所采用的制备工艺是完全一致 的，检验结果显示，采用本发明合金浇注的铸件没有铸造裂纹，而采用DSGTD111合金浇注 的铸件，沿纵向晶界方向有多处裂纹，表明本发明合金具有更好的铸造工艺性能。另外，本 发明合金还适合于铸造定向凝固单晶铸件，本专利中通过对Hf、C+B元素的控制，可以使所 浇注的定向凝固单晶铸件具有更好的杂晶缺陷损伤容限，更适合于大尺寸定向凝固单晶铸 件的铸造。综上所述，所述合金耐腐蚀性能、铸造工艺性能、高温组织稳定性优良，同时具 有良好的高温力学性能，适用于制备具有复杂空心结构的先进地面燃气轮机的热端部件材 料，特别是具有复杂空心结构的较大尺寸的定向凝固铸件。
【附图说明】
[0014] 图1是本发明合金与DSGTD111合金在900°C/100h下的燃气热腐蚀增重曲线对比 图。
[0015] 图2是本发明合金与DSGTD111合金的铸造工艺性能对比图，其中，a是原有技术 铸造工艺性能图，b是本发明铸造工艺性能图。
【具体实施方式】
[0016] 本发明所涉及的耐高温热腐蚀高温合金，成分按重量百分比计包括：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 量为镍；合金中的Al、Ti、Hf以及C+B的化学成分控制在如下比例中，1.0彡（Al/Ti)彡11， Hf0 ~3. 0% ;其中，当 1.