[发明专利]一种超超临界汽轮机用镍基合金材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种超超临界汽轮机用镍基合金材料及其制备方法，属钢铁合金材料技术领域。

背景技术

为了节约能源，建设资源节约型和环境友好型社会，减少CO₂排放量，满足环境保护的要求。因此，大容量、高参数的超超临界机组代表了未来电站锅炉发展的趋势，同时随着超超临界机组的发展也必将带动和迫切需要高温合金的发展。近几年来，为了提高热效率，国内外都在积极开发在更高温度和更高压力下运行的高温合金，而我国高温合金材料已成为发展超超临界机组的制约因素。

超超临界汽轮机功率的不断提高，是靠不断提高涡轮入口温度来实现的，需要采用承温能力更高的高温合金。镍基合金是高温合金中的一大类，主要以面心立方结构的γ相为基体，通过时效后析出与γ相共格的γ′-Ni₃(Al, Ti)相，起到沉淀强化作用。镍基合金在高温下有优异的抗蠕变性能和持久强度，广泛的应用于航空、航天、石油化工和能源等领域。镍基合金中常见的合金元素有Ni、Cr、Al、Ti、Nb等。Ni在元素周期表中是28号元素，具有面心立方结构，具有较好的韧性和塑性；从室温到高温没有同素异构转变，始终保持面心立方晶体结构；并且由于Ni原子的第三电子层基本上被填满，可以溶解较多的合金元素进行合金化，而仍然保持奥氏体相得稳定性；此外Ni具有较低的扩散系数。Cr是镍基合金中不可缺少的合金元素，除了少量Cr进入γ′相，还有少量形成碳化物，其余大部分溶解于γ基体中，引起晶格畸变，产生弹性应力场，起到固溶强化的作用，提高高温持久强度；同时在晶界上析出的碳化物与γ基体相之间存在一定的位向关系，阻碍了位错的运动，起到了晶界强化的作用；此外，提高Cr的含量可以改善高温合金的抗高温氧化性能。Al是形成γ′相的基本组成元素，少部分进入到γ基体相中起到固溶强化作用，而大部分Al与Ni形成γ′相进行沉淀强化，且随着Al含量的增加，γ′相数量增加，从而使各种强化机制都增强；同时Al可以改变γ′相和γ基体相之间的错配度，引起γ′相周围共格应变场增强，从而增加了强化效果。Ti主要可以替换形成γ′相的Al原子，增加γ′相的数量，提高室温和高温强度；然而当Ti/Al比例过高时，会使γ′相和γ相的晶格常数差别太大，加速γ′相长大，导致Ni₃Ti相的析出，对高温强度不利。Nb原子半径比Ni大，且Nb主要溶解于γ′相中，增大晶格常数；Nb能明显提高高温强度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超超临界汽轮机用、具有较高高温强度的镍基高温合金。

本发明的超超临界汽轮机用镍基合金，其特征在于具有如下的成分及质量百分比（%）：

C：0.03-0.1，Cr 18-28，Al：1.5-2.5，Ti：1.5-3.0，Nb：1.0-2.0，Co≤3.0，B≤0.01，Mg≤0.01，Zr≤0.3，P≤0.02，S≤0.01，其余为Ni和不可避免的杂质。且Al+Ti含量和Ti/Al比例必须满足：3.5wt.%≤Al+Ti≤5.5wt.%，1.0≤Ti/Al≤3.0。

本发明超超临界汽轮机用镍基合金材料的制备方法，其特征在于：采用真空感应的熔炼方法，在冶炼过程中必须除气；同时Nb以Ni₅₀Nb₅₀中间合金加入，C以NiC中间合金加入，B和Mg分别以NiB和NiMg合金加入。。

该成分范围内的镍基合金材料经合适的固溶处理和时效处理后，室温的拉伸断裂强度在1160-1200MPa之间，屈服强度在750-780MPa之间，断裂延伸率大于20.0％，断面收缩率大于25.0%；750oC/310MPa的高温短时持久寿命大于300小时，高温断裂延伸率大于5.0%，高温断面收缩率大于10.0%。

该镍基合金材料具有优良的高温持久、蠕变、耐高温氧化和加工性能，可应用于超超临界汽轮机的叶片制造，以及其它需要耐高温氧化、抗蠕变和高强度等领域。

本发明的机理如下所述：

γ′相是镍基合金中的主要强化相，经过时效处理后γ基体中析出的γ′相与γ相基体存在共格关系。虽然γ′相和γ相都是面心立方结构，但是两者晶格常数不同，会产生共格应变，在γ′相周围存在一个弹性应力场，阻碍位错运动，从而提高镍基合金的高温强度。镍基合金中在晶界析出的碳化物与γ相基体之间存在一定的位向关系，高温下阻碍晶界移动，提高了晶界的强度。高温合金中加入Nb元素可以提高γ′相的数量，使运动位错阻力增加，提高合金的高温强度，起到γ′相的沉淀强化效果。

具体实施方式