优选实施方案详述
本发明的镍基耐热铸造合金可以包含，除了上述提到的基本合金成分外，
选自Mg：最高达0.01％，Ca：最高达0.01％，和REM：最高达0.1％中的至
少一种。
本发明镍基耐热铸造合金中可能存在的主要杂质为由原料引入的Fe、Si、
Mn、P和S，依据不同情况，也可包含Cu和Mo。优选分别调整杂质含量至其
下述最高上限值：Fe：最高达5.0％，Mo：1.0％，Cu：03％，P：0.03％，S：
0.03％和V：1.0％。
合金成分的作用和如上限制合金组分的原因将在下面与限制上述[％
Al]+[％Ti]+[％Ta]，γ/γ’共析体的面积百分数，碳化物的面积百分数和“M-值”
的重要性一起进行解释。
C：0.02-0.50％，优选0.05-0.30％，更优选0.05-0.20％。
如果有一种元素选自Ti、Zr和Hf或者选自Nb、Ta、V，碳会通过与其结
合形成一种或多种碳化物而促进晶界的强化。低于0.02％的碳含量可能没有足
够的作用，而高于0.50％的含量则会引起过量碳化物的形成，从而导致耐腐蚀
性能和延展性能(ductility)的降低。优选C含量在0.05-0.30％的范围，更优选
范围是0.02-0.20％。
Si：最高达1.0％。
硅在合金熔化和精炼时，通常被用作脱氧剂。虽然，少量作为脱氧剂很有
效的Si可能不会引起问题，但是大量的加入则会降低合金的延展性。因此，将
1.0％设定为上限值。优选Si含量最高达0.5％。
Mn：最高达1.0％。
与硅类似，锰也是作为脱氧剂加入的。少量作为脱氧剂很有效的锰可能不
会引起问题，但是，大量的加入就会降低合金的强度和延展性。因此设定其上
限值为1.0％。
Cr：4.0-10.0％。
铬是提高高合金耐腐蚀性能最重要的元素。通过在基质相中固溶，它也有助
于提高强度。低于4.0％的加入量几乎没有作用，而超过10.0％则会降低相稳定
性以及涡轮机叶轮在高温下长时间工作后的强度和延展性。Cr含量的优选范围
为6.0-10.0％。
Al：2.0-8.0％。
铝是形成γ’-相的重要元素，而且有助于提高高温耐腐蚀性能。其含量低
于2.0％时，这些作用可能较小。另一方面，加入量超过8.0％则会在铸造过程
中引起大量低共熔γ’-相的沉积，结果，蠕变断裂强度就会降低。Al含量的优
选范围为4.5-5.5％。
Co：最高达15.0％。
钴通过固溶强化γ-相。它也溶于γ’-相，从而可有效提高合金强度并强化
γ’-相。Co增加γ-相的沉积量。然而，由于Co是一种昂贵材料，从成本角度
看，大量的加入是不利的。建议选择最高达15.0％的加入量。为了确保在900℃
或更高温度时具有足够的高温性能，希望加入5.0％或更多的Co。
W：8.0-16.0％
钨大大有助于γ-相的固溶强化和强度的提高，低于8.0％的量不能充分起
作用，但是高于16.0％的量则会降低相稳定性。相稳定性的降低会导致使用较
长时间后合金中α-Cr的沉积，并且破坏涡轮机叶轮的强度。优选其加入量范
围为10.0-14.0％。
Ta：2.0-8.0％。
钽不仅与碳结合形成碳化物，而且溶于γ’-相而使其强化。其含量低于2.0
％时作用较小。由于钽与Hf一样是昂贵材料，所以从成本观点看，希望它的用
量尽可能少。因此设定上限值为8.0％。
Ti：最高达3.0％。
钛与Ni反应形成γ’-相，该相可有效提高合金的强度。Ti还具有代替Al
促进γ’-相固溶强化的作用，因此，还能提高合金的强度。然而，超过3.0％的
Ti加入量容易导致η相(Ni3Ti)的沉积，从而不利于合金的高温强度和延展性。
优选的加入量为2.0％或者更低。
Zr：0.001-0.200％。
锆同时兼具与碳结合形成碳化物和在晶界偏析强化的作用。这些作用即使
在非常小的加入量(如0.001％)时也能观察到。由于大量加入会导致延展性的
降低，因此其上限值设定为0.200％。最优加入量可能在最高达0.1％的范围内。
B：0.005-0.300％，优选0.050-0.200％。
加入B的作用是抑制η相的形成以阻止高温强度和延展性的降低，而且，
还可以提高高温蠕变断裂强度。同时B也会与Cr以及其它一些元素形成硼化
物。由于硼化物的熔点低，固-液共存的温度范围较宽，因此合金的可铸性就
会提高。为了实现这些作用，有必要加入0.005％或者更多的适量B。然而，加
入过量会导致合金强度和延展性的降低。所以，加入量的上限值设定为0.300％。
在0.050-0.200％的范围内可获得可铸性和强度-韧性(resilience)的良好平衡。
一种或多种选自Mg：最高达0.01％，Ca：最高达0.01％和REM：最高达
0.1％。
镁和钙都在晶界偏析强化。REM有同样的作用。任何一种或多种所述元素
都不适于大量加入，因为这会导致合金强度和延展性的降低。所以加入量的上
限值设定为Mg和Ca 0.01％，REM 0.1％。
调整杂质含量至下列上限值：
Fe：5.0％，Mo：1.0％，Cu：0.3％，P：0.03％，S：0.03％和V：1.0％。
在为了降低生产成本而准备使用废铁(一种便宜原料)的情况下，各种杂
质将会引入产品合金。最有可能混入的元素是Fe，它对室温-和高温下的强度、
耐腐蚀性能全都有害。允许的Fe含量极限值为5.0％，优选3.0％或更低。磷在
晶界偏析会导致强度降低，因而，不希望有较高的P含量。然而，合金中仍有
一定量存在是不可避免的。允许的P极限值为0.03％。硫和P一样，也是降低
强度的元素，S含量优选限制在0.03％或者更低。钼，虽然，它溶于合金基质相
有助于提高强度，但是其高含量会破坏高温抗氧化性能，因此，Mo含量应该是
最高达1.0％。Cu也是强度降低的原因，因而，也不希望Cu大量存在，允许
的上限值为1.0％，优选0.3％或更低。钒带来的坏处是高温强度的降低，V含
量应该限制在小于上限值1.0％。
[％Al]+[％Ti]+[％Ta]：12.0-15.5at％
为了确保合金足够的强度和可加工性，必须满足此条件。超出这些范围就
会存在以下坏处。如果总量低于12.0％(下限值)，则不能获得满意的强度，
如果总量高于15.5％(上限值)，则铸件中容易出现裂纹。
γ/γ’共析体的面积百分数：1-15％。
为确保合金的可加工性，特别是可铸性，保持下限值1％是必要的。如果该
面积百分数低于1％，在铸造的最后阶段就会产生空隙，产品轮的可靠性就会降
低。另一方面，如果面积百分数高于15％，共析体就可能成为裂纹的起点。
碳化物的面积百分数：1-10％，优选1-5％。
适量碳化物的形成有利于强化晶界，并提高1000℃或者更高温度时的高温
强度。当碳化物的面积百分数为1％或更高时，即可获得此效果。当其面积百分
数超过10％时，则无此效果。优选碳化物的面积百分数范围为1-5％。
M-值：93-98。
由上式定义的M值是衡量相稳定性的一个标准。93-98范围内的M值可
以确保产品涡轮机叶轮的耐久性。由于本发明的合金用于汽车零件，所以更高
的M值有利于使零件具有更长的耐久性。然而，当M值超过98时，使用较长
时间后就容易产生有害相(如σ相)，其耐久性将会降低。
虽然，本发明的镍基耐热铸造合金不含昂贵却可有效增强合金的Hf，但其
蠕变断裂强度大大优于最广泛用作涡轮机叶轮材料的713C合金，且本发明合金
的蠕变断裂强度基本上与含Hf的MM-247相同。基于合金成分而言，材料成
本可能会比713C稍高，但仍低于MM-247。由于本发明合金具有较高的可铸
性，不需要采用HIP工艺，因此，涡轮机叶轮的生产成本可能不会很高。因此，
本发明使得以低价格提供一种能够满足所预测不久的将来废气温度将会升高需
求的涡轮机叶轮成为可能。
实施例
制备具有如表1(工作实施例)和表2(对照实施例)所示合金成分的镍基
耐热合金并将其铸造成重50kg的铸锭。对照实施例No.A为常规的713C合金，
No.B为相应的MM-247。这些合金的性能，如[％Al]+[％Ti]+[％Ta]示于表3
(工作实施例)和表4(对照实施例)。从铸锭上通过机械加工取样，然后在
1000℃和180MPa的条件下对其进行蠕变断裂测试。测定的蠕变性能示于表3
和表4。
关于工作实施例No.8和No.9的合金，通过调节铸造后的冷却速率将γ/γ’共
析体的面积百分数调整为3.2％(No.8和No.9)和18.5(No.8A和No.9A)。
该试样也在相同的条件下，1000℃和180MPa，进行蠕变测试。结果示于表5。
为了方便进行对比，将面积百分数为7.1％情形下的数据在表5中又列了一次。
表1合金成分(工作实施例)
编号 C Si Mn Cr Co W Ta Al Ti Zr B 其它
1 0.15 0.06 0.08 8.1 11.6 11.9 4.9 5.2 1.1 0.05 0.015 -
2 0.13 0.11 0.07 4.3 9.1 10.3 5.1 5.0 1.0 0.04 0.015 -
3 0.16 0.08 0.06 5.9 - 13.1 4.5 5.2 1.4 0.05 0.013 -
4 0.11 0.07 0.06 7.4 12.2 8.3 4.7 5.3 1.3 0.04 0.020 -
5 0.13 0.12 0.04 9.0 10.9 14.2 2.2 5.6 1.2 0.05 0.018 -
6 0.12 0.42 0.06 7.9 9.2 11.1 7.6 5.1 0.9 0.04 0.016 -
7 0.14 0.14 0.39 7.3 10.0 13.2 5.1 4.1 2.6 0.05 0.015 -
8 0.12 0.08 0.08 6.2 13.6 11.2 3.2 6.8 0.4 0.03 0.011 -
9 0.11 0.07 0.07 6.3 12.8 10.9 7.9 2.1 2.9 0.04 0.013 -
10 0.05 0.13 0.06 8.2 10.4 12.3 4.6 5.3 0.9 0.03 0.013 -
11 0.18 0.12 0.08 9.2 11.4 13.0 4.5 5.2 1.0 0.05 0.014 -
12 0.14 0.12 0.09 7.3 9.1 13.0 4.8 4.9 1.4 0.01 0.015 -
13 0.13 0.10 0.10 8.2 11.2 9.3 4.6 5.1 0.9 0.18 0.012 -
14 0.12 0.13 0.06 9.3 10.9 12.2 4.7 5.4 1.1 0.04 0.006 -
15 0.04 0.12 0.05 8.2 10.1 12.1 4.7 5.3 1.2 0.05 0.14 -
16 0.10 0.14 0.08 8.2 10.1 11.6 4.3 5.2 0.9 0.04 0.003 Mg0.005
17 0.11 0.11 0.09 8.3 10.6 12.1 4.6 5.3 1.1 0.05 0.002 Ca0.006
18 0.13 0.09 0.12 8.2 10.1 12.2 4.6 5.3 1.0 0.05 0.056 -
19 0.14 0.10 0.11 8.4 10.9 12.4 4.3 5.2 0.9 0.05 0.260 -
20 0.14 0.12 0.09 7.3 9.1 13.0 4.8 4.9 1.4 0.01 0.058 -
表2合金成分(对照实施例)
编号 C Si Mn Cr Co W Ta Al Ti Zr B 其它
A 0.15 0.12 0.08 8.3 10.0 10.0 2.9 5.6 1.1 0.05 0.015 Mo0.7
Hf1.5
B 0.12 0.12 0.06 12.0 - - - 5.9 0.8 0.15 0.015 Mo4.0
Nb2.3
C 0.19 0.11 0.08 8.4 9.8 9.8 4.7 5.1 1.2 0.16 0.014 -
D 0.11 0.12 0.06 9.5 14.2 14.2 5.8 5.2 2.9 0.05 0.015 -
E 0.12 0.09 0.08 9.1 9.5 9.5 4.7 5.1 1.0 0.04 0.012 Fe5.3
F 0.10 0.12 0.09 8.6 10.3 10.3 4.5 5.2 1.1 0.05 0.012 S0.1
表3结果(工作实施例)
No. Ti+Al+Ta γ/γ’-共折体 碳化物 M-值 蠕变性能
(原子％) (面积百分数) (面积百分数) 寿命(小时) 延伸率
1 12.58 3.9 4.2 94 47 3
2 12.28 2.5 3.8 92 45 4
3 12.45 3.3 4.1 93 48 3
4 12.19 2.0 4.7 94 44 3
5 12.73 4.1 4.3 95 45 4
6 12.89 4.6 4.2 94 44 5
7 12.21 2.7 3.9 94 45 3
8 14.33 12.2 4.0 95 47 4
9 12.16 2.1 4.5 94 42 6
10 12.25 2.4 1.3 93 41 7
11 12.29 2.6 4.2 94 45 4
12 12.30 2.7 3.7 94 43 3
13 12.19 2.5 3.8 93 48 4
14 12.86 9.2 3.6 95 47 4
15 12.76 3.6 1.1 94 43 5
16 12.22 2.7 4.2 94 46 4
17 12.67 3.1 4.4 94 45 4
18 12.52 4.0 4.7 94 52 6
19 12.03 3.9 4.9 94 46 7
20 12.30 2.7 37 94 48 6
表4结果(对照实施例)
No. Ti+Al+Ta γ/γ’共析体 碳化物 M-值 蠕变性能
(原子％) (面积百分数) (面积百分数) 寿命(小时) 延伸率
A 13.61 8.5 4.7 96 46 3
B 13.63 3.2 3.2 96 14 11
C 12.30 7.3 5.7 95 32 2
D 14.52 6.2 3.9 99 36 4
E 12.15 1.9 4.0 96 34 5
F 12.40 2.3 4.2 95 38 4
表5
γ/γ’共折体 蠕变性能
编号 (面积百分数) 寿命(小时) 延伸率
8 12.2 47 4
8A 18.1 36 10
9 2.1 42 6
9A 0.4 (产生许多铸造缺陷)