CN101003874A - 一种高承温能力的镍基单晶高温合金 - Google Patents

一种高承温能力的镍基单晶高温合金 Download PDF

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宫声凯
马文有
李树索
韩雅芳
徐惠彬
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Abstract

本发明公开了一种高承温能力的镍基单晶高温合金，成分特征(wt％)如下：W：3～4％，Mo：3～4％，Ta：7～8％，Al：5～7％，Ti：0.5～1.5％，Cr：3～5％，Co：8～10％，Re：2～3％，Nb：0.5～1％，Ni：余量。本发明合金Re含量低于CMSX－4合金，在保证低成本的情况下，使合金的固溶温度提高了5～10℃，同时使室温拉伸性能及不同温度下的高温持久性能均高于对比合金，可满足高推重比航空发动机的需要。

Description

一种高承温能力的镍基单晶高温合金
技术领域
本发明属于镍基单晶高温合金领域，更特别地说，是指一种适用于作为在高温(1100℃)下使用的航空发动机涡轮叶片等热端部件加工的合金材料。
背景技术
随着航空发动机向高推重比方向的发展，其涡轮前燃气进口温度不断提高，要求涡轮叶片、导向叶片等发动机热端部件具有更高的承温能力。为提高承温能力，目前常采用低Cr、高难溶(W、Mo、Nb、Ta、Re等)元素总量的合金化途径。尤其是Re的加入显著提高了镍基单晶合金的高温持久和蠕变性能。在单晶合金中添加3wt％和6wt％的Re后，其承温能力与第一代无Re单晶合金相比分别提高30℃和60℃，加Re已成为提高合金承温能力的一种有效合金化途径。然而Re的价格昂贵、比重大，从合金成本及应用前景等方面考虑，Re制约着单晶高温合金的发展与应用。研究少Re且承温能力强、抗氧化和腐蚀性能好、综合性能优越的低成本、长寿命的单晶高温合金更具竞争力和应用价值。
专利申请号200510046361.0，发明名称：一种含铼镍基单晶高温合金，公开了一种含铼镍基单晶高温合金及其制备工艺，按重量百分比计，合金成分包括：
C 0.12～0.18，   Cr 4.3～5.6，      Al 5.6～6.3，       Co 8.0～10.0，
Mo 0.8～1.4，    W 7.7～9.3，       Nb 1.4～1.8，       Ta 3.5～4.5，
Re 3.5～4.5，    Y 0.001～0.005，   RE 0.005～0.025％， Ni余。
本发明的目的在于提供一种高承温能力的镍基单晶合金材料，具有低Re低成本且承温能力强的优势，可满足高推重比航空发动机的需要。
发明内容
本发明的一种高承温能力的镍基单晶高温合金，成分特征(wt％)如下：
W  3～4％，        Mo 3～4％，
Ta 7～8％，        Al 5～7％，
Ti 0.5～1.5％，    Cr 3～5％，
Co 8～10％，     Re  2～3％，
Nb 0.5～1％，    Ni 余量。
本发明合金Re含量低于CMSX-4合金，在保证低成本的情况下，使合金的固溶温度提高了5～10℃，同时使室温拉伸性能及不同温度下的高温持久性能均高于对比合金，可满足高推重比航空发动机的需要。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明的一种高承温能力的镍基单晶高温合金，成分特征(wt％)如下：
W  3～4％，        Mo 3～4％，
Ta 7～8％，        Al 5～7％，
Ti 0.5～1.5％，    Cr 3～5％，
Co 8～10％，       Re 2～3％，
Nb 0.5～1％，      Ni 余量。
本发明中的合金元素的作用及其成分范围的选择陈述如下：
Re、W、Mo都是固溶强化元素。Re主要进入γ固溶体，起到强化γ基体的作用；此外Re还具有延缓γ′相的粗化，阻止γ基体中位错运动的作用；但考虑到合金的成本，Re的加入量控制在2～3wt％。W主要进入γ相起固溶强化作用，少量参与γ′相组成，具有提高合金初熔温度的作用；同时W在合金中有较低的扩散速度，并能降低其它合金元素的扩散速度，可有效的提高合金的高温蠕变强度；但是过量加入易析出富W的TCP相，同时W的比重较大，综合考虑W的加入量为3～4wt％。Mo可固溶于γ相和γ′相，具有良好的固溶强化效果，并与W、Re相比具有比重小的优势；但在W、Mo、Re同时使用的高温合金中，易析出富W、Mo、Re的TCP相，所以Mo的加入量不能过高，控制在3～4wt％为宜。
Cr主要作用是提高合金的抗氧化、抗腐蚀性能；随着高温合金的发展，Cr的加入量不断降低，Cr含量的下降使合金对环境抗力降低，可通过平衡合金中的Al、Ta、Re的含量或采取表面防护涂层技术加以解决；目前第三代单晶合金的Rr含量在5wt％左右，本合金Cr的加入量Cr3～5wt％。
Nb是γ′相形成元素，对合金能提供高的蠕变强度和抗氧化抗腐蚀性能；在单晶高温合金中Nb的加入量一般均小于1wt％，过量的Nb减少了Ta在γ′相的含量，降低合金的高温强度，因此Nb的加入量为0.5～1wt％。
Ta是γ′和γ相形成元素，有利于合金的高温强度和抗氧化，抗腐蚀性能；本合金中W、Mo、Re的含量在8～11wt％之间，若Ta＞9wt％易析出TCP相，Ta＜7wt％弱化γ′强化效果，Ta含量以7～8wt％为宜。
Al和Ti是γ′相形成元素，对合金具有时效沉淀强化作用，保证合金的高温强度和持久性能；此外，Al在合金高温服役过程中形成氧化物保护膜，提高合金抗氧化和抗腐蚀性能，Ti对合金的抗腐蚀性能有利，单晶合金γ′含量可达65wt％，要求Al、Ti含量分别为5～7wt％，0.5～1.5wt％为宜。
Co进入γ固溶体和γ′相，可以增加Cr、Mo、W、C在γ基体中溶解度，提高固溶强化效果，根据以往合金设计经验，Co的含量为8～10wt％。
本发明合金可采用真空感应炉熔炼(熔炼温度1580℃，熔炼时间30分钟)母合金，在定向单晶炉中浇注试样及零件。本发明单晶合金与现有含3wt％Re的第二代单晶合金相比具有成本低的优势，但高温持久性却显著优于第二代单晶合金。
根据本发明合金的化学成分范围，在50kg的真空感应熔炼炉熔炼母合金，并在高温度梯度定向凝固炉中，采用螺旋选晶法将制成<001>取向的持久性能单晶合金试棒，同时取样进行热处理制度研究，对热处理后单晶合金试棒测试了室温拉伸性能和持久性能。本发明单晶合金的化学成分如表1所示，热处理制度见表2，性能测试结果如表3和表4所示。
为了同含3wt％Re的CMSX-4第二代单晶合金进行对比，在同样条件下熔炼制备CMSX-4母合金，并制成单晶合金试棒，分别进行了同样的试验项目，其化学成分，热处理制度及各项性能测试结果分别列于相应的表1、表2、表3和表4中。
表1本发明合金与对比合金的化学成分
  合金   Cr   Co   Mo   Al   Ti   W   Nb   Ta   Re   Ni
  本发明合金   4.51   9.94   3.54   5.71   1.01   3.68   0.55   7.74   2.58   余量
  对比合金(CMSX-4) 6.57 9.20 0.68 5.65 1.02 6.04 6.78 3.06 余量
表2本发明合金与对比合金的热处理制度
  合金 热处理制度
  本发明合金 1300℃/2hA C+1320℃/4hA C+1100℃/4hA C+870℃/30hA C
  对比合金(CMSX-4) 1288℃/2hA C+1293℃/2hA C+1315/2hA C+1080℃/4hA C+870℃/20hA C
表3本发明合金与对比合金室温拉伸性能
  合金     σP0.2     σb     δ5/％     ψ/％
  本发明合金     960     1010     18.3     22.5
  对比合金(CMSX-4) 920 970 17.1 19.8
表4本发明合金与对比合金的持久性能
  合金    θ/℃   σ/MPa     t/h     δ5/％     ψ/％
本发明合金    760    810     317     23.5     28.6
   980    310     229     29.4     30.6
   1070    160     277     25.2     29.4
   1100    137     191     14.6     35.7
对比合金(CMSX-4)    760    810     248     23.7     26.8
   980    310     122     28.4     29.2
   1070    160     182     23.4     27.5
   1100    137     151     12.9     30.1
从发明的实施例与对比例可以看出，本发明合金Re含量低于CMSX-4合金，在保证低成本的情况下，使合金的固溶温度提高了5～10℃，同时使室温拉伸性能及不同温度下的高温持久性能均高于对比合金，可满足高推重比航空发动机的需要。
为了验证本发明合金材料对成分上的有效，本发明人作了多个成分的实验：各成分请见下表：合金的成分(wt％)
合金元素 Co  Al  W  Mo  Ti  Ta  Cr  Nb  Re Ni
成分一 9.72  5.62  3.57  3.12  1.07  7.71  4.67  0.45  2.68 余量
成分二 9.57  5.73  3.42  3.51  1.10  7.83  4.48  0.51  2.45 余量
成分三 9.83  5.68  3.54  3.59  1.01  7.92  4.53  0.55  2.54 余量
成分四 9.93  5.64  3.62  3.49  1.08  7.81  4.71  0.48  2.62 余量
成分五 9.86  5.71  3.71  3.46  1.06  7.84  4.69  0.58  2.56 余量

Claims (3)

1、一种高承温能力的镍基单晶高温合金，其特征在于：成分特征(wt％)如下：
W     3～4％，      Mo    3～4％，
Ta    7～8％，      Al    5～7％，
Ti    0.5～1.5％，  Cr    3～5％，
Co    8～10％，     Re    2～3％，
Nb    0.5～1％，    Ni    余量。
2、根据权利要求1所述的镍基单晶高温合金，其特征在于：所述合金的室温拉伸性能为σP0.2＝960MPa，σb＝1010MPa，δ5/％＝18.3，ψ/％＝22.5。
3、根据权利要求1所述的镍基单晶高温合金，其特征在于：所述合金的持久性能为
    θ/℃     σ/MPa     t/h     δ5/％     ψ/％     760     810     317     23.5     28.6     980     310     229     29.4     30.6     1070     160     277     25.2     29.4     1100     137     191     14.6     35.7
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