一种抗热蚀定向凝固镍基高温合金及制备方法技术领域
本发明涉及铸造高温合金技术领域，尤其涉及一种抗热蚀定向凝固
镍基高温合金及制备方法，特别是能够应用于高温(1100℃)使用的燃
气轮机涡轮叶片等热端部件。
背景技术
燃气轮机是世界上主要动力设备之一，直接影响到能源、交通、环
保等高技术产品的发展。涡轮叶片是燃气轮机所有部件中最重要的关键
部件，承受着最严酷的温度、应力、环境的综合作用。11万千瓦以上高
功率高效率重型燃机的涡轮叶片工作温度将接近1000℃，使用柴油、原
油、重油、天然气或液体等重污染燃料，对叶片有很强的腐蚀性和冲刷
磨损作用，因此燃气轮机涡轮叶片需要具有良好的耐热腐蚀性；同时工
业燃机涡轮的稳态运行时间和峰值温度运行时间约为100000小时，因此
燃气轮机涡轮叶片需要具有良好的长时组织稳定性。另外，在保证合金
性能的前提下，应考虑到降低叶片的材料成本。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种抗热蚀定向凝固镍基高温合
金及制备方法，不仅具有优异的高温持久性能和抗热腐蚀性能，同时不
含有稀贵金属，降低成本。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
本发明一种抗热蚀定向凝固镍基高温合金，包括以下成分：以重量
百分比计，Cr：12-14％，Co：7.5-8.5％，Mo：1.0-1.8％，W：3.5-4.3％，
Al：3.4-4.2％，Ti：3.5-4.3％，Ta：4.0-5.0％，B：0.005-0.015％，Zr：
0.015-0.025％，C：0.09-0.15％，Hf:0.3-0.8％，余量为Ni。
对本发明所述的抗热蚀定向凝固镍基高温合金中各元素及重量百分
比选择理由陈述如下：
Cr元素的主要作用在于保护合金表面不受O、S盐的作用而产生氧
化和热腐蚀。镍基合金中Cr元素的含量高于12wt.％，才有较好的抗热蚀
效果，但过高的Cr含量容易导致有害的TCP相(拓扑密排相)在合金中
的析出，损害合金的高温持久性能。因此，本发明中Cr含量控制在
12-14％，在保证合金具有良好的抗热蚀性能的同时，也使合金获得优异
的组织稳定性。
W、Mo、Co元素的作用在于强化合金基体，它们主要固溶于γ基体
中，同时由于它们的加入，能够降低Al、Ti等元素在基体中的溶解度，
从而提高了γ'强化相的数量。W、Mo元素与Ni的原子半径相差较大，因
此，对合金有很强的固溶强化作用，可有效的提高合金热强性。但是，
过高的W、Mo含量不利于合金的抗高温热蚀性能，且容易导致有害的
TCP相的和大块的碳化物析出，降低合金高温力学性能。因此，适当的
提高Co元素的含量，能够增加W、Mo元素在合金中的溶解度以降低TCP
相和碳化物析出并改善碳化物的析出形态；并且，维持W、Mo元素的含
量在一个适当的水平，使其对基体起到强化作用的同时，兼顾合金的抗
热蚀性能。综合Co、Mo和W对基体的强化作用以及对抗高温热蚀性能
的影响，本发明控制Co含量为7.5-8.5％，Mo含量为1.0-1.8％，W含量
为3.5-4.3％。
Al、Ti、Ta元素为主要的γ'强化相的形成和强化元素，Al元素有利
于提高合金的抗氧化性能，Ti元素有利于提高合金的抗热蚀性能，由于
本发明的合金主要为重型燃机轮机涡轮叶片使用，对抗热蚀性能和抗氧
化性能均有较高的要求，因而，Ti元素的含量与Al元素相当。Ta元素的
加入进一步强化了γ'强化相，可有效的提高合金的高温力学性能且还可进
一步提高合金的抗热蚀性能。
微量的C、B、Zr、Hf元素的作用在于对晶界起到强化和净化的作用。
C、B元素主要作为间隙原子富集于晶界并且与其它元素在晶界处形成碳
化物和硼化物，对晶界处位错运动起到钉扎作用，从而达到强化晶界的
作用；Zr、Hf元素可以与偏聚于晶界的有害的微量S元素相结合以达到
净化晶界的目的。
本发明还提供一种抗热蚀定向凝固镍基高温合金的制备方法，包括
熔炼母合金、定向凝固及热处理，所述定向凝固及热处理具体如下：
(1)定向凝固：将熔炼的所述母合金在高真空定型凝固炉中定向凝
固形成柱状晶合金，控制所述凝固炉中真空度小于9.0×10-2Pa，浇注温
度为1500-1580℃，模壳温度为1480-1540℃，水冷结晶器温度20-30℃，
抽拉速度为3-9mm/min，温度梯度为50-100℃；
(2)热处理：将步骤(1)所述柱状晶合金在加热炉中随炉升温至
1175-1185℃后，以5-10℃/小时的速率升温至1220-1240℃，保温3-5小
时后，空冷至室温；升温至1060-1100℃，保温3-5小时后，空冷至室温；
升温至840-880℃，保温16-32小时后，空冷至室温。
进一步地，所述母合金熔炼采用真空感应炉。
本发明有益效果如下：
本发明提供的一种抗热蚀定向凝固镍基高温合金采用水冷结晶盘快
速凝固法控制合金定向凝固，制备优质组织的柱状晶合金，并配合热处
理将柱状晶再结晶，制备具有优异的高温持久性能和抗热腐蚀性能，不
仅制备工艺简单、无污染，同时由于不含有稀贵金属，使成本降低。与
DZ22合金相比，在保证高的抗热腐蚀性能的情况下，使合金的室温拉伸
性能提高了400MPa，高温持久性能在930℃/270Mpa下提高了80小时，
持久性更好；本发明定向凝固镍基高温合金中限电子空位数为2.387，将
低了TCP相的形成倾向；可满足在高温度、强腐蚀环境下使用的重型燃
气轮机涡轮工作叶片的要求。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的
从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的
和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指
出的结构来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，
在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为实施例1柱状晶合金的横向组织；
图2为实施例1柱状晶合金的纵向组织；
图3为实施例2经900℃/3000h长期时效处理后的微观组织。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本
申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
实施例1
本实施例提供一种抗热蚀定向凝固镍基高温合金，其成分如表1：
表1实施例1合金成分
C
Cr
Mo
W
Al
Ti
0.13
12.85
1.47
3.8
3.75
3.95
Ta
Co
B
Zr
Hf
Ni
4.65
8.04
0.011
0.022
0.5
余量
制备方法如下步骤：
(1)在真空感应炉中采用常规冶炼方法熔炼如表1成分的母合金；
(2)将熔炼的母合金在高真空定型凝固炉中进行定向凝固，控制模
壳温度1500℃，真空度5.5×10-2Pa，浇注温度1520℃，水冷结晶器温度
25℃，抽拉速度为6mm/min，温度梯度为50℃，得到柱状晶合金；
(3)热处理，将柱状晶合金放入加热炉中，并随炉升温至1175℃后，
以10℃/小时的速率升温至1230℃，保温3小时后，空冷至室温；升温至
1060℃，保温5小时后，空冷至室温；升温至840℃，保温16小时后，
空冷至室温。
得到的抗热蚀定向凝固镍基高温合金做力学性能测试，结果如下：
(1)室温拉伸性能：
σ0.2＝1050MPaσb＝1310MPaδ5/％＝8.5％ψ/％＝10.5
(2)930℃/270MPa下高温持久性能：
t/h＝137.37δ5/％＝22.0ψ/％＝35.0
在100倍的金相显微镜下对实施例1柱状晶合金的微观组织进行观
察，柱状晶合金横向组织和纵向组织分别如图1和图2所示。
实施例2
本实施例提供一种抗热蚀定向凝固镍基高温合金，其成分如表2：
表2实施例2合金成分，(wt.％)
C
Cr
Mo
W
Al
Ti
0.12
13.03
1.52
4.10
3.96
3.85
Ta
Co
B
Zr
Hf
Ni
4.63
7.85
0.011
0.018
0.45
余量
制备方法如下步骤：
(1)在真空感应炉中熔炼如表2成分的母合金；
(2)将熔炼的母合金在高真空定型凝固炉中进行定向凝固，控制模
壳温度1470℃，真空度6.0×10-2Pa，浇注温度1550℃，水冷结晶器温度
27℃，抽拉速度为3mm/min，温度梯度为90℃，得到柱状晶合金；
(3)热处理：将柱状晶合金放入加热炉中，并随炉升温至1180℃后，
以5℃/小时的速率升温至1240℃，保温4小时后，空冷至室温；升温至
1080℃，保温4小时后，空冷至室温；升温至850℃，保温24小时后，
空冷至室温。
得到的抗热蚀定向凝固镍基高温合金做力学性能测试，结果如下：
(1)室温拉伸性能：
σ0.2＝1080MPaσb＝1350MPaδ5/％＝8.5％ψ/％＝10.0
(2)930℃/270MPa下高温持久性能：
t/h＝164.30δ5/％＝10.0ψ/％＝32.0
(3)900℃/3000h长期时效
将热处理后的合金放入900℃的马弗炉中保温3000小时后取出并制
成金相试样，在500×金相显微镜下对其微观组织进行观察，如图3所示。
在组织中可观察到晶界、残余共晶、碳化物以及细小的γ'相，未发现有
TCP相析出，说明合金具有优异的长期组织稳定性。
实施例3
本实施例提供一种抗热蚀定向凝固镍基高温合金，其成分如表3：
表3实施例3合金成分
C
Cr
Mo
W
Al
Ti
0.13
13.13
1.48
4.00
3.96
3.90
Ta
Co
B
Zr
Hf
Ni
4.58
7.80
0.009
0.018
0.55
余
制备方法如下步骤：
(1)在真空感应炉中熔炼如表3成分的母合金；
(2)将熔炼的母合金在高真空定型凝固炉中进行定向凝固，控制模
壳温度1530℃，真空度8.0×10-2Pa，浇注温度1580℃，水冷结晶器温度
30℃，抽拉速度为9mm/min，温度梯度为70℃，得到柱状晶合金；
(3)热处理：将柱状晶合金放入加热炉中，并随炉升温至1185℃后，
以8℃/小时的速率升温至1220℃，保温5小时后，空冷至室温；升温至
1100℃，保温3小时后，空冷至室温；升温至870℃，保温32小时后，
空冷至室温。
得到的抗热蚀定向凝固镍基高温合金做力学性能测试，结果如下：
(1)室温拉伸性能：
σ0.2＝1100MPaσb＝1340MPaδ5/％＝8.5％ψ/％＝11.0
(2)930℃/270MPa下高温持久性能：
t/h＝156.60δ5/％＝12.0ψ/％＝34.0
综上所述，本发明实施例提供了一种抗热蚀定向凝固镍基高温合金
采用水冷结晶盘快速凝固法控制合金凝固定向凝固，制备优质组织的柱
状晶合金，并配合热处理将柱状晶再结晶，制备具有优异的高温持久性
能和抗热腐蚀性能，不仅制备工艺简单、无污染，同时由于不含有稀贵
金属，使成本降低。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围
并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范
围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。