專利名稱：一種高溫合金材料的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種高溫合金材料，其主要用途是制造對于抗高溫氧化腐蝕、抗高溫蠕變能力要求很高的金屬部件。本發明高溫合金材料的主要用途之一是用于燃氣輪機熱通道部件的制造和維修。
背景技術：
燃氣輪機熱通道部件的運行溫度高達1100至1400攝氏度，在這樣的超高溫度下，一般的金屬與合金不能滿足熱通道部件所需要的機械強度和抗氧化抗腐蝕性能，必須設計具有各種高溫強化機制的高溫合金才能滿足制造燃氣輪機熱通道部件的要求。高溫合金是在高溫嚴酷的機械應力和氧化、腐蝕環境下應用的一類合金。隨著科技事業的發展，高溫合金逐漸形成六個較為完整的部分。
一、變形高溫合金變形高溫合金是指可以進行熱、冷變形加工，工作溫度范圍-253～1320℃，具有良好的力學性能和綜合的強、韌性指標，具有較高的抗氧化、抗腐蝕性能的一類合金。按其熱處理工藝可分為固溶強化型合金和時效強化型合金。
1、固溶強化型合金使用溫度范圍為900～1300℃，最高抗氧化溫度達1320℃。例如GH128合金，室溫拉伸強度為850MPa、屈服強度為350MPa；1000℃拉伸強度為140MPa、延伸率為85％，1000℃、30MPa應力的持久壽命為200小時、延伸率40％。固溶合金一般用于制作航空、航天發動機燃燒室、機匣等部件。
2、時效強化型合金使用溫度為-253～950℃，一般用于制作航空、航天發動機的渦輪盤與葉片等結構件。制作渦輪盤的合金工作溫度為-253～700℃，要求具有良好的高低溫強度和抗疲勞性能。
例如GH4169合金，在650℃的最高屈服強度達1000MPa；制作葉片的合金溫度可達950℃，例如GH220合金，950℃的拉伸強度為490MPa，940℃、200MPa的持久壽命大于40小時。
變形高溫合金主要為航天、航空、核能、石油民用工業提供結構鍛件、餅材、環件、棒材、板材、管材、帶材和絲材。
二、鑄造高溫合金鑄造高溫合金是指可以或只能用鑄造方法成型零件的一類高溫合金。其主要特點是1.具有更寬的成分范圍由于可不必兼顧其變形加工性能，合金的設計可以集中考慮優化其使用性能。如對于鎳基高溫合金，可通過調整成分使γ’含量達60％或更高，從而在高達合金熔點85％的溫度下，合金仍能保持優良性能。
2.具有更廣闊的應用領域由于鑄造方法具有的特殊優點，可根據零件的使用需要，設計、制造出近終形或無余量的具有任意復雜結構和形狀的高溫合金鑄件。
根據鑄造合金的使用溫度，可以分為以下三類第一類在-253～650℃使用的等軸晶鑄造高溫合金這類合金在很大的范圍溫度內具有良好的綜合性能，特別是在低溫下能保持強度和塑性均不下降。如在航空、航天發動機上用量較大的K4169合金，其650℃拉伸強度為1000MPa、屈服強度850MPa、拉伸塑性15％；650℃，620MPa應力下的持久壽命為200小時。已用于制作航空發動機中的擴壓器機匣及航天發動機中各種泵用復雜結構件等。
第二類在650～950℃使用的等軸晶鑄造高溫合金這類合金在高溫下有較高的力學性能及抗熱腐蝕性能。例如K419合金，950℃時，拉伸強度大于700MPa、拉伸塑性大于6％；950℃，200小時的持久強度極限大于230MPa。這類合金適于用做航空發動機渦輪葉片、導向葉片及整鑄渦輪。
第三類在950～1100℃使用的定向凝固柱晶和單晶高溫合金這類合金在此溫度范圍內具有優良的綜合性能和抗氧化、抗熱腐蝕性能。例如DD402單晶合金，1100℃、130MPa的應力下持久壽命大于100小時。這是國內使用溫度最高的渦輪葉片材料，適用于制作新型高性能發動機的一級渦輪葉片。
隨著精密鑄造工藝技術的不斷提高，新的特殊工藝也不斷出現。細晶鑄造技術、定向凝固技術、復雜薄壁結構件的CA技術等都使鑄造高溫合金水平大大提高，應用范圍不斷提高。
三、粉末冶金高溫合金采用霧化高溫合金粉末，經熱等靜壓成型或熱等靜壓后再經鍛造成型的生產工藝制造出高溫合金粉末的產品。采用粉末冶金工藝，由于粉末顆粒細小，冷卻速度快，從而成分均勻，無宏觀偏析，而且晶粒細小，熱加工性能好，金屬利用率高，成本低，尤其是合金的屈服強度和疲勞性能有較大的提高。
FGH95粉末冶金高溫合金，650℃拉伸強度1500MPa；1034MPa應力下持久壽命大于50小時，是當前在650℃工作條件下強度水平最高的一種盤件粉末冶金高溫合金。粉末冶金高溫合金可以滿足應力水平較高的發動機的使用要求，是高推重比發動機渦輪盤、壓氣機盤和渦輪擋板等高溫部件的選擇材料。
四、氧化物彌散強化(ODS)合金是采用獨特的機械合金化(MA)工藝，超細的(小于50nm)在高溫下具有超穩定的氧化物彌散強化相均勻地分散于合金基體中，而形成的一種特殊的高溫合金。其合金強度在接近合金本身熔點的條件下仍可維持，具有優良的高溫蠕變性能、優越的高溫抗氧化性能、抗碳、硫腐蝕性能。
目前已實現商業化生產的主要有三種ODS合金MA956合金 在氧化氣氛下使用溫度可達1350℃，居高溫合金抗氧化、抗碳、硫腐蝕之首位。可用于航空發動機燃燒室內襯。
MA754合金 在氧化氣氛下使用溫度可達1250℃并保持相當高的高溫強度、耐中堿玻璃腐蝕。現已用于制作航空發動機導向器蓖齒環和導向葉片。
MA6000合金 在1100℃拉伸強度為222MPa、屈服強度為192MPa；1100℃，1000小時持久強度為127MPa，居高溫合金之首位，可用于航空發動機葉片。
五、金屬間化合物高溫材料金屬間化合物高溫材料是近期研究開發的一類有重要應用前景的、輕比重高溫材料。十幾年來，對金屬間化合物的基礎性研究、合金設計、工藝流程的開發以及應用研究已經成熟，尤其在Ti-Al、Ni Al和Fe-Al系材料的制備加工技術、韌化和強化、力學性能以及應用研究方面取得了令人矚目的成就。
Ti3Al基合金(TAC-1)，TiAl基合金(TAC-2)以及Ti2AlNb基合金具有低密度(3.8～5.8g/cm3)、高溫高強度、高鋼度以及優異的抗氧化、抗蠕變等優點，可以使結構件減重35～50％。
Ni3Al基合金，MX-246具有很好的耐腐蝕、耐磨損和耐氣蝕性能，展示出極好的應用前景。Fe3Al基合金具有良好的抗氧化耐磨蝕性能，在中溫(小于600℃)有較高強度，成本低，是一種可以部分取代不銹鋼的新材料。
六、環境高溫合金在民用工業的很多領域，服役的構件材料都處于高溫的腐蝕環境中。為滿足市場需要，根據材料的使用環境，歸類出系列高溫合金。
發明內容
本發明的高溫合金含有鎳鉻鈷鉬鋁鈦錳鋯硼硅碳等多種合金元素。本發明通過反復實驗獲得了各種元素的最佳配比關系，證明本發明高溫合金具有特別強的抗高溫蠕變能力，特別需要指出的是本發明具備了持久的抗高溫氧化和高溫腐蝕的能力，適合制造對抗高溫蠕變能力要求特別高的燃機熱部件。
本發明解決其技術問題所采用的技術方案是鎳鉻鈷鉬鋁鈦錳鋯硼硅碳等多種合金元素嚴格按照本發明的成分配比在超高溫真空爐中充分融化、融合均勻后通過適當冷卻步驟成型，在母體材料中形成細小的沉淀相(彌散分布的第二相)，這些沉淀相在高溫條件下可以有效地阻礙位錯運動、晶格滑移和蠕變的發展，顯著提高合金的高溫強度。微量的鋯和硼等具有某些特殊表面活性的元素被加入合金，由于其內吸附現象而富集于晶界，填補晶界空位，減少缺陷，降低蠕變過程中的晶界擴散，從而抑制了強化相在晶界聚集和長大，同時還能去除有害氣體和雜質元素，使晶界強化，有效地提高合金的高溫強度，從而使本發明合金材料具有優良的抗蠕變性能。本發明材料配方中還配有在高溫條件下抗氧化抗腐蝕的金屬成份，以確保材料在高溫條件下具有抗氧化抗腐蝕的性能。
在用本發明高溫合金制造的熱通道部件表面涂覆高溫合金保護涂層，可以進一步提高熱通道部件的使用壽命。
本發明的有益效果是本發明的新型高溫合金材料具有特別強的抗高溫蠕變能力、持久的抗高溫氧化和高溫腐蝕的能力，可用于燃氣輪機熱通道部件的制造。
具體實施例方式
將多種合金元素嚴格按照本發明的成分配比后在超高溫真空爐中充分融化、融合均勻后通過適當冷卻步驟成型，制成高溫合金錠材或板材，然后采用鍛造或精密鑄造、半精密鑄造的方法成型高溫合金部件。根據需要可以在用本發明制造的高溫合金部件表面用熱噴涂、物理涂層、化學涂層等方法涂覆高溫合金保護涂層。
權利要求
1.一種高溫合金材料，具體成分如下鎳余量；鈷19.0％-21.0％；鉻19.0％-21.0％；鉬5.4％-6.4％；鋁0.4％-0.6％；鈦1.8％-2.4％；錳0.3％-0.5％；硅0.2％-0.4％；碳0.04％-0.08％；鋯0.015％-0.025％；硼0.0005％-0.0015％；其他全部雜質＜0.30％
2.根據權利要求1所述的高溫合金材料，其特征在于該材料可用于燃氣輪機的高溫合金熱通道部件的制造，尤其是對抗高溫蠕變能力要求特別高的熱通道部件。
3.根據權利要求1所述的高溫合金材料，其特征在于用該材料制造的燃氣輪機的高溫合金熱部件具有出色的高溫強度和其他高溫機械性能。
4.根據權利要求1所述的高溫合金材料，其特征在于用該材料制造的燃氣輪機的高溫合金熱通道部件具有出色的高溫抗氧化和高溫抗腐蝕性能。
5.在根據權利要求1所述的高溫合金材料制造的燃氣輪機的高溫合金熱通道部件表面涂覆高溫合金保護涂層，可以進一步提高熱通道部件的使用壽命。
全文摘要
本發明涉及一種新的高溫合金材料，其特征是具有極為出色的高溫機械性能，特別是具有持久的抗高溫蠕變性能，本發明的高溫合金材料還具有極佳的抗高溫氧化、抗高溫腐蝕性能。將本發明高溫合金材料用于制造對抗高溫蠕變能力要求很高的燃機熱通道部件，可以大大提高熱通道部件的使用壽命。在用本發明高溫合金制造的熱通道部件表面涂覆高溫合金保護涂層，可以進一步提高熱通道部件的使用壽命。
文檔編號C22C30/00GK101037739SQ200610024848
公開日2007年9月19日 申請日期2006年3月17日 優先權日2006年3月17日
發明者鄭效慈 申請人:鄭效慈