CN100460542C - 一种无铼第二代镍基单晶高温合金 - Google Patents
一种无铼第二代镍基单晶高温合金 Download PDFInfo
- Publication number
- CN100460542C CN100460542C CNB200610046891XA CN200610046891A CN100460542C CN 100460542 C CN100460542 C CN 100460542C CN B200610046891X A CNB200610046891X A CN B200610046891XA CN 200610046891 A CN200610046891 A CN 200610046891A CN 100460542 C CN100460542 C CN 100460542C
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- alloy
- rhenium
- temperature
- present
- single crystal
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 53
- 239000000956 alloy Substances 0.000 title claims abstract description 53
- 229910052702 rhenium Inorganic materials 0.000 title claims description 11
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 11
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 15
- 239000004615 ingredient Substances 0.000 claims description 9
- WUAPFZMCVAUBPE-UHFFFAOYSA-N rhenium atom Chemical compound [Re] WUAPFZMCVAUBPE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 abstract description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 abstract 1
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 10
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Substances [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 229910000601 superalloy Inorganic materials 0.000 description 8
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 6
- 230000003078 antioxidant effect Effects 0.000 description 4
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 4
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 4
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 4
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 4
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 4
- 239000003963 antioxidant agent Substances 0.000 description 3
- 235000006708 antioxidants Nutrition 0.000 description 3
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 3
- 230000002939 deleterious effect Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 2
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 2
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 239000003870 refractory metal Substances 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 208000003351 Melanosis Diseases 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 1
- 210000001787 dendrite Anatomy 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 1
- 230000002688 persistence Effects 0.000 description 1
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 230000004584 weight gain Effects 0.000 description 1
- 235000019786 weight gain Nutrition 0.000 description 1
Landscapes
- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
Abstract
本发明属于镍基单晶高温合金领域，具体为一种无铼第二代镍基单晶高温合金，主要适用于在高温下承受高应力的零部件，如航空发动机的涡轮叶片。合金化学成分(wt.%)为：Cr 4～8%，Co 3～7%，W 6～10%，Mo 0.5～3%，Al 4.5～7%，Ti 0.5～3%，Ta 5～9%，C其余为Ni。本发明采用真空感应炉熔炼，先浇铸成化学成分符合要求的母合金，然后再生长成单晶零部件，使用前须经过如下工艺制度进行热处理：1305℃/8h，A.C.+1080℃/4h，A.C.+870℃/24h，A.C.。本发明合金具有优良的中、高温强度和抗高温氧化性能，持久性能与含Re3%的第二代单晶高温合金RenéN5相当，但不含贵重元素Re，合金成本降低50%以上。
Description
技术领域
本发明属于镍基单晶高温合金领域，具体为一种无铼第二代镍基单晶高温合金，主要适用于在高温下(1000-1100℃)承受高应力的零部件，如航空发动机的涡轮叶片。
背景技术
随着燃气轮机技术的发展，对材料承温能力的要求越来越高，在单晶高温合金中开始加入贵重元素铼(Re)。Re在合金中起着重要的强化作用，加入3wt.％的Re能使合金的使用温度提高大约30℃。通常把加入3wt.％Re的镍基单晶高温合金称为第二代单晶高温合金。目前第二代单晶高温合金已在先进航空发动机和工业燃气轮机上广泛应用。但Re元素的大量加入在提高性能的同时也带来了如下缺点：价格昂贵、容易析出有害的TCP相等。另一方面，Re在地壳中的丰度非常低，<0.001g/t，我国的储量更为稀少，因此在获得高的高温性能的前提下，尽量避免使用Re元素是十分重要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无铼第二代单晶高温合金，具有优良的中、高温强度和抗高温氧化性能，组织稳定性好。持久性能与含Re3％的第二代单晶高温合金René N5相当，但不含贵重元素Re，合金成本降低50％以上。
本发明的技术方案是：
根据本发明的目的，从我国资源情况出发，避免使用贵重元素铼。通过优化W，Mo，Ta等难熔金属元素含量来综合强化合金。其具体的化学成分(wt.％)如下：
Cr 4～8％，Co 3～7％，W 6～10％，Mo 0.5～3％，Al 4.5～7％，Ti 0.5～3％，Ta 5～9％，C≤0.03％，其余为Ni。
本发明合金取名为DD98，其化学成分设计主要基于如下理由：
W在镍基高温合金中的固溶强化作用很强，可以提高原子间结合力和扩散激活能，在高温下的强化效果也很突出。W同时也大量固溶于γ′强化相，提高γ′相的热稳定性。在不添加Re元素的情况下，要充分发挥W的强化作用。但过量加入W会导致γ相过饱和，使显微组织不稳定，易形成σ相、μ相等TCP有害相，降低合金性能。过量加入W还会影响合金的铸造性能，在单晶生长中出现“雀斑”(链状等轴晶粒)等缺陷。因此控制W的含量在6～10wt.％。
Mo也是强固溶强化元素，并能增加γ/γ′的错配度，使错配位错网密集，有效地阻碍位错运动，提高合金性能。Mo和W分别富集于枝晶间和枝晶干，同时加入有利于合金的综合强化。但过量加入Mo也会导致有害相的析出，对合金的热腐蚀性能也有不利影响，因此控制Mo的含量在0.5～3wt.％。
Ta主要通过增加γ′相数量、提高γ′相强度和热稳定性来提高合金的高温强度，同时也有固溶强化作用。Ta对合金的抗氧化、抗热腐蚀性能和铝涂层的持久性也有有益作用，并且不引起TCP相的形成，因此在合金中加入5～9wt.％的Ta。
Al是在镍基高温合金中形成γ′强化相Ni3Al的基本元素，它的含量对合金高温性能起着重要作用，同时Al含量对合金的抗氧化性能也至关重要，因此合金中必须加入一定量的Al，但过量的Al会降低合金的组织稳定性，导致有害相析出，因此将合金中的Al含量控制在4.5～7wt.％。
Ti也是形成γ′相的基本元素，合金中加入Ti后，γ′相由Ni3Al变为Ni3(Al，Ti)。Ti对合金的抗热腐蚀性能也有有益作用。合金中的Ti含量控制在0.5～3wt.％。
Cr是提高合金抗热腐蚀性能的关键元素，在合金中必须添加适量的Cr，但由于高强度合金中W、Mo等难熔金属元素高，大量加入Cr会降低合金的组织稳定性，因此将Cr的含量控制在4～8wt.％，以获得良好的综合性能。
Co能降低基体的层错能，促进合金中γ′相的析出，对合金的组织稳定性也有有益作用，因此在合金中加入3～7wt.％的Co。
上述各元素的合理配比是使本发明合金获得良好综合性能的保证。
本发明采用真空感应炉熔炼，先浇铸成化学成分符合要求的母合金，然后再生长成单晶零部件，使用前须经过如下工艺制度进行热处理：
(1)温度1295-1310℃，时间8-16h，空冷至室温；
(2)温度1050-1100℃，时间4-6h，空冷至室温；
(3)温度850-890℃，时间20-28h，空冷至室温。
本发明的优点及有益效果是：
(1)与现有其他镍基单晶高温合金相比，本发明合金具有优良的持久性能和抗高温氧化性能，871℃/552MPa下持久寿命达162h；1038℃/172MPa下持久寿命达151h；1100℃/140MPa下持久寿命达121h。可在高温高应力环境下使用。
(2)本发明合金的持久性能与含Re3％的第二代单晶高温合金René N5相当，但由于不含贵重元素Re，合金成本比René N5低50％以上。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明做进一步的说明。
本发明采用真空感应炉熔炼，先浇铸成化学成分符合要求的母合金，然后再生长成单晶零部件，使用前须经过如下工艺制度进行热处理：1305℃/8h，A.C.(空冷至室温)+1080℃/4h，A.C.(空冷至室温)+870℃/24h，A.C.(空冷至室温)。
根据化学成分范围，制备了本发明合金的单晶试样，具体化学成分见表1，为了对比方便，表1中也列出了René N5的化学成分。单晶试样经过热处理和机加工后进行持久性能测试的结果列入表2。本发明合金和René N5在几种条件下的持久性能数据列于表3，可以看出，本发明合金虽不含贵重元素铼，但持久性能与含铼3％的对比合金René N5相当。本发明合金的恒温氧化实验结果列于表4，在1000℃以下，合金为完全抗氧化级，1100℃时为抗氧化级。本发明合金的组织稳定性好，在950℃和1050℃下分别长期时效1000小时，均未见到有害的TCP相析出。
表1 本发明实施例与对比合金René N5的化学成分(wt％)
| 合金 | Cr | Co | Mo | W | Al | Ti | Ta | Re | Hf | C | Ni |
| 实施例1 | 6.04 | 5.13 | 2.07 | 7.88 | 5.02 | 2.01 | 5.84 | 0 | 0 | 0.001 | 余 |
| 实施例2 | 7.95 | 5.22 | 2.03 | 7.69 | 4.94 | 1.44 | 5.82 | 0 | 0 | 0.0016 | 余 |
| 实施例3 | 6.99 | 5.07 | 2.03 | 7.87 | 5.07 | 1.02 | 7.86 | 0 | 0 | 0.0012 | 余 |
| 实施例4 | 6.05 | 5.06 | 2.06 | 7.82 | 5.12 | 1.99 | 7.91 | 0 | 0 | 0.0014 | 余 |
| René N5 | 7.0 | 7.5 | 1.5 | 5.0 | 6.2 | 0 | 6.5 | 3.0 | 0.15 | 0.05 | 余 |
表2 本发明实施例1的持久性能
表3 本发明实施例1与对比合金René N5的持久性能
表4 本发明合金实施例1在900-1100℃下的氧化增重(mg/cm2)
Claims (2)
1.一种无铼第二代镍基单晶高温合金，其特征在于，按重量百分比计，其化学成分为：Cr 4～8％，Co 3～7％，W 6～10％，Mo 0.5～3％，Al 4.5～7％，Ti 0.5～3％，Ta 5～9％，C≤0.03％，其余为Ni。
2.按照权利要求1所述的无铼第二代镍基单晶高温合金，其特征在于，按重量百分比计，其化学成分为：Cr 6％，Co 5％，W 8％，Mo2％，Al 5％，Ti 2％，Ta 6％，C 0.001％，其余为Ni。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CNB200610046891XA CN100460542C (zh) | 2006-06-14 | 2006-06-14 | 一种无铼第二代镍基单晶高温合金 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CNB200610046891XA CN100460542C (zh) | 2006-06-14 | 2006-06-14 | 一种无铼第二代镍基单晶高温合金 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN101089214A CN101089214A (zh) | 2007-12-19 |
| CN100460542C true CN100460542C (zh) | 2009-02-11 |
Family
ID=38942712
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CNB200610046891XA Active CN100460542C (zh) | 2006-06-14 | 2006-06-14 | 一种无铼第二代镍基单晶高温合金 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN100460542C (zh) |
Families Citing this family (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102418147A (zh) * | 2010-09-27 | 2012-04-18 | 中国科学院金属研究所 | 高强度且完全抗氧化的第三代单晶高温合金及制备方法 |
| CN102212720B (zh) * | 2011-05-16 | 2013-05-15 | 北京航空航天大学 | 一种Cr改性的高Mo的Ni3Al基单晶高温合金及其制备方法 |
| CN103436740B (zh) * | 2013-08-08 | 2015-12-09 | 南京理工大学 | 一种无铼镍基单晶高温合金及其制备方法 |
| CN105200521B (zh) * | 2014-05-28 | 2018-05-25 | 中国科学院金属研究所 | 一种无铼低密度高性能镍基单晶高温合金及其热处理工艺 |
| JP6460336B2 (ja) * | 2015-07-09 | 2019-01-30 | 三菱日立パワーシステムズ株式会社 | Ｎｉ基高強度耐熱合金部材、その製造方法、及びガスタービン翼 |
| CN105543568B (zh) * | 2015-12-21 | 2017-10-13 | 谷月恒 | 一种含铂无铼镍基单晶高温合金及其制备方法和应用 |
| CN106756249A (zh) * | 2016-12-09 | 2017-05-31 | 中国科学院金属研究所 | 一种高强度且组织稳定的镍基单晶高温合金及其制备方法 |
| GB2565063B (en) * | 2017-07-28 | 2020-05-27 | Oxmet Tech Limited | A nickel-based alloy |
| CN107675026A (zh) * | 2017-09-30 | 2018-02-09 | 东方电气集团东方汽轮机有限公司 | 一种低成本、综合性能优良的镍基单晶高温合金 |
| CN110640152A (zh) * | 2018-06-26 | 2020-01-03 | 中南大学 | 一种镍基合金、其制备方法与一种制造物品 |
| CN110640151A (zh) * | 2018-06-26 | 2020-01-03 | 中南大学 | 一种镍基合金、其制备方法与一种制造物品 |
| CN109554579A (zh) * | 2018-06-26 | 2019-04-02 | 中南大学 | 一种镍基合金、其制备方法与制造物品 |
| CN112562798B (zh) * | 2019-09-25 | 2024-06-28 | 中国科学院金属研究所 | 一种镍基高温合金持久性能归一化模型及方法 |
| CN112593121A (zh) * | 2020-12-08 | 2021-04-02 | 中国科学院金属研究所 | 一种高强抗高温氧化无铼第二代镍基单晶高温合金及其热处理工艺 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1745186A (zh) * | 2002-12-06 | 2006-03-08 | 独立行政法人物质·材料研究机构 | Ni基单晶超级合金 |
-
2006
- 2006-06-14 CN CNB200610046891XA patent/CN100460542C/zh active Active
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1745186A (zh) * | 2002-12-06 | 2006-03-08 | 独立行政法人物质·材料研究机构 | Ni基单晶超级合金 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN101089214A (zh) | 2007-12-19 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN100460542C (zh) | 一种无铼第二代镍基单晶高温合金 | |
| CN100430500C (zh) | 一种低成本第三代镍基单晶高温合金 | |
| CN105506387B (zh) | 一种高比蠕变强度的镍基单晶高温合金及其制备方法和应用 | |
| CN105200521A (zh) | 一种无铼低密度高性能镍基单晶高温合金及其热处理工艺 | |
| CN102732750B (zh) | 一种低成本、低密度镍基单晶高温合金 | |
| CN106756249A (zh) | 一种高强度且组织稳定的镍基单晶高温合金及其制备方法 | |
| CN103966671A (zh) | 一种高强度抗热腐蚀镍基单晶高温合金及制备方法 | |
| CN108441741B (zh) | 一种航空航天用高强度耐腐蚀镍基高温合金及其制造方法 | |
| CN100482824C (zh) | 一种含铼镍基单晶高温合金及其制备工艺 | |
| CN103173865B (zh) | 一种低成本镍基单晶高温合金及其制备方法 | |
| CN114525430B (zh) | 一种镍基高温合金及其制备方法 | |
| CN114250518B (zh) | 一种镍基单晶高温合金及其制备方法 | |
| JP2009114501A (ja) | ニッケル基単結晶合金 | |
| CN115110014B (zh) | 基于均匀化热处理与连接技术结合的糊状区固溶处理方法 | |
| CN114164356B (zh) | 一种高强度镍基单晶高温合金 | |
| CN114164357B (zh) | 一种低成本、低密度镍基单晶高温合金 | |
| CN112853156B (zh) | 一种高组织稳定性镍基高温合金及其制备方法 | |
| CN101525707B (zh) | 一种镍基单晶高温合金中减小tcp相析出倾向的方法 | |
| CN104911407A (zh) | 一种含Re/Ru高承温能力高蠕变抗力单晶镍基超合金 | |
| CN102433467B (zh) | 一种含铪高钨镍基等轴晶合金及其应用 | |
| JP4028122B2 (ja) | Ｎｉ基超合金、その製造方法およびガスタービン部品 | |
| JP2012193453A (ja) | クリープ特性が向上された単結晶ニッケル基超耐熱合金 | |
| CN103132148A (zh) | 一种低密度、低成本、高强镍基单晶高温合金 | |
| CN112176224A (zh) | 一种综合性能优异的高强镍基单晶高温合金 | |
| CN112522543A (zh) | 一种高浓度Re/Ru高承温能力高蠕变抗力镍基单晶超合金 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20210810 Address after: 110172 block C12, south of Shendong Sixth Road, west of Zhongxing Street, Shenfu new area, Shenyang City, Liaoning Province Patentee after: Liaoning Hongyin Metal Co.,Ltd. Address before: 110016 No. 72, Wenhua Road, Shenhe District, Liaoning, Shenyang Patentee before: INSTITUTE OF METAL RESEARCH CHINESE ACADEMY OF SCIENCES |
|
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Rhenium free second generation nickel base single crystal superalloy Effective date of registration: 20220225 Granted publication date: 20090211 Pledgee: Fushun Bank Co.,Ltd. Development Zone sub branch Pledgor: Liaoning Hongyin Metal Co.,Ltd. Registration number: Y2022210000012 |