CN101089214A - 一种无铼第二代镍基单晶高温合金 - Google Patents
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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：Cr4～8％，Co3～7％，W6～10％，Mo0.5～3％，Al4.5～7％，Ti0.5～3％，Ta5～9％，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RenéN5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RenéN5相当，但由于不含贵重元素Re，合金成本比RenéN5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RenéN5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RenéN5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RenéN5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RenéN5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 |
| RenéN5 | 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
| 试验温度，℃ | 持久应力，MPa | 持久寿命(h) | 延伸率(％) |
| 1100 | 140 | 121.11 | 7.28 |
| 71.69 | 10.48 | ||
| 1070 | 160 | 102.54 | 15.28 |
| 89.72 | 15.04 | ||
| 1070 | 140 | 192.4 | 9.84 |
| 1050 | 150 | 278.8 | 9.92 |
| 1050 | 140 | 388.71 | 8.72 |
| 1040 | 237 | 29.64 | 34 |
| 22.33 | 32 | ||
| 1040 | 137 | 679.47 | 14.24 |
| 1040 | 124 | 933.66 | 8.48 |
| 1038 | 172 | 151.65 | 12.32 |
| 111.57 | 22.8 | ||
| 1010 | 248 | 67.78 | 31.84 |
| 56.08 | 23.6 | ||
| 982 | 248 | 162.59 | 24.16 |
| 125.35 | 29.28 | ||
| 871 | 552 | 162.05 | 23.68 |
| 146.82 | 17.52 | ||
| 850 | 630 | 113.3 | 20.4 |
| 800 | 750 | 123.42 | 17.44 |
| 760 | 780 | 557.14 | 15.68 |
| 650 | 980 | ＞2900 | - |
表3本发明实施例1与对比合金RenéN5的持久性能
| 持久试验条件 | 持久寿命(h) | 延伸率(％) | |
| 本发明 | 871℃/552MPa | 162.05 | 23.68 |
| 871℃/552MPa | 146.82 | 17.52 | |
| 1038℃/172MPa | 151.65 | 12.32 | |
| 1038℃/172MPa | 111.57 | 22.8 | |
| 1100℃/140MPa | 121.11 | 7.28 | |
| 1100℃/140MPa | 71.69 | 10.48 | |
| RenéN5 | 871℃/552MPa | 160.0 | 18.9 |
| 871℃/552MPa | 115.8 | 19.0 | |
| 1038℃/172MPa | 120.2 | 10.1 | |
| 1093℃/137MPa | 126.9 | 12.8 | |
| 1093℃/137MPa | 82.7 | 13.9 |
表4本发明合金实施例1在900-1100℃下的氧化增重(mg/cm2)
Claims (3)
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：Cr4～8％，Co3～7％，W6～10％，Mo0.5～3％，Al4.5～7％，Ti0.5～3％，Ta5～9％，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，其较佳的化学成分为：Cr6％，Co5％，W8％，Mo2％，Al5％，Ti2％，Ta6％，C0.001％，其余为Ni。
3、按照权利要求1所述的无铼第二代镍基单晶高温合金，其特征在于合金的热处理工艺具体步骤如下：
(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。
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