CN101857931A - 一种高强度抗腐蚀镍基单晶高温合金 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及新型高温合金材料，特别提供了一种高强度抗腐蚀镍基单晶高温合金M09A。其化学成分为(重量百分比)：Cr 11.0～15.0％，Co 8.0～9.0％，Mo 1.8～2.2％，W 3.5～4.4％，Ta 5.0～6.0％，Al 4.0～5.4％，Ti 2.5～3.5％，B 0.004～0.007％，C 0.01～0.03％，Ni余量。本发明的合金材料高温持久性能好，抗热腐蚀性能优异，组织稳定。
Description
技术领域
本发明涉及高温合金技术，特别提供了一种高强度抗热腐蚀镍基单晶高温合金M09A。
背景技术
抗腐蚀高温合金是为了满足航空、航海及地面燃机对抗腐蚀性能的特殊需求而发展的。由于Cr元素具有良好的抗热腐蚀能力，所以在抗腐蚀高温合金中都含有较高Cr。国外发展的著名抗腐蚀高温合金有普通多晶合金IN738和N792等以及单晶高温合金PWA1483等，它们在国内外航空发动机叶片材料上已经广泛应用。我国发展的抗腐蚀高温合金有普通多晶合金M38、定向凝固合金DZ38G以及单晶合金DD3，DD4和DD8等。其中，M38和DZ38G已经应用在海洋环境中。实验证明，这些合金具有良好的抗热腐蚀性能，但由于Cr含量高，致使其进一步合金化时产生严重的偏析，甚至出现TCP相，导致合金的强度和组织稳定性下降。一直以来，如何解决抗热腐蚀合金的强化问题是抗热腐蚀高温合金发展和应用过程中的关键问题。
近年来发展的高温合金，尤其是第四、五代单晶高温合金，都添加了大量的高熔点元素，如W，Mo，Ta，Ru，Re，Ir等，主要是为了提高高温蠕变抗力，但是Ru，Re，Ir等是贵金属元素，也是战略元素，在实际应用中将越来越受限制。同时由于这些元素的添加降低了合金的组织稳定性。因此单晶高温合金中Cr含量越来越低，重量百分比甚至小于5％，导致合金的抗热腐蚀性能下降。
目前我国抗热腐蚀合金材料尚未解决，主要是强度-抗热腐蚀性能如何结合的问题，为此本发明提供了一种高强抗腐蚀单晶高温合金。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强度和高抗热腐蚀性能镍基单晶高温合金，以解决合金的强度和抗热腐蚀性能的结合问题。
本发明提供一种高强度抗腐蚀镍基单晶高温合金M09A，其特征在于：它是由以下成分按质量百分比组成：Cr 11.0％～15.0％，Co 8.0％～9.0％，Mo1.8％～2.2％，W 3.5％～4.4％，Ta 5.0％～6.0％，Al 4.0％～5.4％，Ti 2.5％～3.5％，B 0.004％～0.007％，C 0.01％～0.03％，Ni余量。
本发明提供的高强度抗腐蚀镍基单晶高温合金M09A，其成分特点在于：
1.本发明将Cr的质量含量控制在11.0％～15.0wt％范围内，使合金含有足够高的Cr含量，以保证合金优良的抗腐蚀性能。如果Cr的质量含量低于11.0％时，则导致合金抗腐蚀性能变差；如果Cr的质量含量高于15.0wt％时，会生成大量的α-Cr相，致使合金的组织稳定性和高温强度下降。
2.本发明通过使合金中含有较高的Al含量4.0％～5.4wt％和较低的Ti含量2.5％～3.5wt％，以保证合金良好的抗氧化性能和较高的室温和高温强度。优选Al和Ti的质量含量总和在7.20％～7.80％范围内，此时，合金的抗氧化性和室温及高温的强度到达最佳。
3.本发明提供的合金中含有微量晶界强化元素B和C，其中B含量为0.004％～0.007％，C的含量为0.01％～0.03％，以强化单晶高温合金中的小角度晶界，并提高组织稳定性。
4.本发明提供的合金中含有较高的W，Mo，Ta等强化元素，使合金具有较好的高温持久性能和较高的高温强度。
本发明提供的高强度抗腐蚀镍基单晶高温合金是采用单晶工艺和高温均匀化热处理工艺，消除晶界，抑制偏析，提高组织稳定性。
本发明提供的合金的具体制备方法如下：
母合金采用真空感应熔炼，所用材料为一种Ni-Cr-A1-Co-Ti-Ta-W-Mo系合金。经真空感应炉熔炼浇注成直径为Φ83mm的母合金锭，然后打磨去除氧化皮，切割成合适的块料用于制备单晶试棒。
在工业用大型双区加热ZGD-2真空高梯度单晶炉上制备M09A单晶高温合金。它主要由加热系统、提拉系统和真空系统构成。加热系统的功率为30kW，用低电压大电流使高纯石墨感应发热体加热。用光学测温仪测温，最高炉温可达到1700℃。试样底部有水冷铜环进行冷却，炉内温度梯度可达到50-100℃/cm。采用可控硅控制抽拉速率，抽拉速率可以在0.5-12mm/min范围内连续无级可调。真空系统由扩散泵和前置机械泵组成，抽气速率为1501/s，工作真空度为10-3Pa。
<001>取向的合金直接以选晶法制备。母合金熔化后浇注到模壳内，当合金液加热到适当的上下区温度后，以一定的速率下拉制成200mm×55mm×4mm的单晶试棒。
本发明提供的高强度抗腐蚀镍基单晶高温合金，其优点在于：
1、具有良好的抗热腐蚀性能，与典型的抗腐蚀高温合金IN738相当，但其力学性能明显高于抗腐蚀高温合金IN738。
2、具有优异的高温持久性能，使用寿命长，已达到国外第一代单晶高温合金CMSX-2、AM3和MC2的水平，并超过国内抗腐蚀单晶高温合金DD3、DD4和DD8的水平。
3、室温和高温屈服强度高，超过国内抗腐蚀单晶高温合金DD4和DD8水平，与国外第二代单晶高温合金CMSX-4相当。
此外，本发明提供的高强度抗腐蚀镍基单晶高温合金不含难熔贵金属元素Hf、Re和Ru等贵重金属元素，合金密度低8.35g/cm3，工艺性能好，易回收。
附图说明
图1：为M09A与国外一代单晶合金CMSX-2、MC2和合金AM3的L-M曲线；
图2：为M09A与抗热腐蚀单晶高温合金DD4和DD8的L-M曲线；
具体实施方式
以下为本发明的具体实施方式，但其并不限制本发明。
合金的具体制备方法如下：
先在25Kg真空感应炉熔炼无碳的实施例中成分的母合金，浇注成直径为Φ83mm的母合金锭，然后在5Kg真空感应炉中分别添加相应的碳，添加相应的铬，制备上述成分的合金锭，打磨去除氧化皮，切割成合适的块料用于制备下表成分的单晶试棒。
按照上述方法制备实施例1-实施例7中的合金，其成分组成具体如表1所示。
表1：实施例1-实施例7及对比例1-对比例4的成分组成(wt％)
| 序号 | C | Cr | Co | Mo | W | Ta | Al | Ti | B | Ni |
| 实施例1 | 0.01 | 12.14 | 8.77 | 1.92 | 4.04 | 5.04 | 4.58 | 2.5 | 0.0069 | bal |
| 实施例2 | 0.012 | 12.14 | 8.77 | 1.92 | 4.04 | 5.04 | 4.58 | 2.5 | 0.0069 | bal |
| 实施例3 | 0.012 | 11.00 | 8.77 | 1.92 | 4.04 | 5.04 | 4.58 | 2.5 | 0.0069 | bal |
| 实施例4 | 0.012 | 15.00 | 8.77 | 1.92 | 4.04 | 5.04 | 4.58 | 2.5 | 0.0069 | bal |
| 实施例5 | 0.017 | 12.14 | 8.77 | 1.92 | 4.04 | 5.04 | 4.58 | 2.5 | 0.0069 | bal |
| 实施例6 | 0.025 | 12.14 | 8.77 | 1.92 | 4.04 | 5.04 | 4.58 | 2.5 | 0.0069 | bal |
| 实施例7 | 0.030 | 12.14 | 8.77 | 1.92 | 4.04 | 5.04 | 4.58 | 2.5 | 0.0069 | bal |
| 对比例1DD3 | ≤0.01 | 9.0-1.0 | 5.5-6.2 | 1.7-2.4 | ||||||
| 对比例2DD4 | ≤0.01 | 8.5-9.5 | 3.4-4.0 | 3.9-4.7 | ||||||
| 对比例3DD8 | ＜0.03 | 15.5-16.5 | 3.6-4.2 | 3.6-4.2 |
| 序号 | C | Cr | Co | Mo | W | Ta | Al | Ti | B | Ni |
| 对比例4IN738 | 0.1-0.2 | 15.7-16.3 | 3.2-3.7 | 3.0-3.5 |
将上述实施例中合金在真空感应炉中熔炼并制备母合金，在真空单晶炉中制备
的成型试棒，单晶轴向取向为<001>方向，偏离度小于5℃。
热处理制度为1230℃/2h+1245℃/4h+1100℃/2h+870℃/24h。
热处理后M09A合金的高温持久性能与国外一代单晶高温合金CMSX-2，MC2和低密度单晶高温合金AM3相当(见附图1)，优于国内抗热腐蚀单晶高温合金DD4和DD8(见附图2)。
再将上述实施例1-实施例7中的合金在真空感应炉中熔炼制备母合金，在真空单晶炉中制备
试棒，单晶轴向取向为<001>方向，偏离度小于5℃；再制成直径
厚4mm试片。热处理后，其中热处理制度为：1230℃/2h+1245℃/4h+1100℃/2h+870℃/24h。在900℃，环境为75wt％Na2SO4+25wt％NaCl条件下进行腐蚀实验。与抗腐蚀高温合金IN738相比较，M09A的腐蚀失重速率与IN738合金相当见表2。
表2：实施例1-7成分的M09A与IN738合金的腐蚀失重速率(mg/cm2)
本发明实施例1-实施例7中的合金M09A表现较高的室温和高温屈服强度。与国内外单晶高温合金的室温和高温屈服强度相比，超过国内抗腐蚀单晶高温合金DD3、DD4和DD8的水平，与国外第二代单晶高温合金CMSX-4相当见表3。
表3M09A合金与CMSX-4、DD3、DD4和DD8合金的持久寿命
本实施例调整了Cr含量，分别为11.04、12.14、15.03(表1中成分序号2，3，4)，三种Cr含量的M09A合金表现出相当的高温持久性能(见图1)；表现出相当的抗腐蚀性能，其中实施例4合金的抗腐蚀性能最好(表2中实施例4)，但室温和高温屈服强度稍差(表3中实施例4)；表现出相当的室温和高温屈服强度，其中实施例3合金的室温和高温屈服强度最高，但抗腐蚀性能较差(表2实施例3)。Cr含量在本实施以外的合金DD3(下限以外)和DD8(上限以外)的高温持久性能(见图1)、室温和高温屈服强度(见表3)均不如M09A合金。
本实施例调整了C含量，分别为0.01、0.012和0.017、0.25、0.030(见表1)，五种碳含量的M09A合金表现出相当的高温持久性能(见图1)、抗腐蚀性能(见表2)、室温和高温屈服强度(见表3)，而且上述性能在五种不同碳含量时波动微小(表1中成分实施例1，2，5，6，7)。碳含量因此控制在0.01-0.03范围内。
仍是按照具体实施方式中的制备方法制备合金，其成分组成具体见表4：
表4：实施例8-实施例12的成分组成(wt％)
| 序号 | C | Cr | Co | Mo | W | Ta | Al | Ti | B | Al+Ti | Ni |
| 实施例8 | 0.02 | 11.91 | 8.88 | 1.97 | 4.08 | 5.00 | 4.05 | 3.5 | 0.004 | 7.55 | bal |
| 实施例9 | 0.02 | 11.91 | 8.88 | 1.97 | 4.08 | 5.03 | 5.3 | 2.5 | 0.0052 | 7.80 | bal |
| 实施例10 | 0.02 | 11.91 | 8.88 | 1.97 | 4.08 | 5.12 | 4.01 | 3.2 | 0.007 | 7.21 | bal |
| 序号 | C | Cr | Co | Mo | W | Ta | Al | Ti | B | Al+Ti | Ni |
| 实施例11 | 0.02 | 11.73 | 8.92 | 1.92 | 4.03 | 5.99 | 4.82 | 2.73 | 0.0067 | 7.55 | bal |
| 实施例12 | 0.01 | 11.81 | 8.98 | 1.92 | 4.38 | 4.99 | 4.60 | 3.2 | 0.0067 | 7.80 | bal |
其中实施例8-实施例12与实施例1-实施例7的不同之处在于，硼含量分别为0.004，0.0052，0.007，铝钛总含量分别为7.21、7.55、7.80。将实施例8-实施例12中合金在真空感应炉中熔炼并制备母合金，在真空单晶炉中，制备
成型试棒，单晶轴向取向为<001>方向，偏离度小于5℃。
热处理制度为1230℃/2h+1245℃/4h+1100℃/2h+870℃/24h。
热处理后M09A合金做蠕变持久性能实验。结果表明，M09A合金优于国内抗热腐蚀单晶高温合金DD3、DD4和DD8；在850℃/530MPa持久条件下，M09A合金与第一代单晶合金CMSX-2和低密度单晶AM3持久寿命相当见表5。其中硼含量为0.0067，铝钛总含量分别为7.55，7.80(表4中实施例11和实施例12)的合金表现出较长的持久寿命(表5中序号11、12)。
表5：M09A合金与CMSX-2、AM3、DD4和DD8合金的持久寿命
将实施例8-实施例12中的M09A合金在真空感应炉中熔炼制备母合金，在真空单晶炉中制备
的成型试棒，单晶轴向取向为<001>方向，偏离度小于5℃。再制成直径
厚4mm的M09A试片。热处理后，其中热处理制度为：1230℃/2h+1245℃/4h+1100℃/2h+870℃/24h。在900℃，环境为75wt％Na2SO4+25wt％NaCl条件下做腐蚀实验，比较M09A和IN738合金的腐蚀失重速度(mg/cm2)。表6显示M09A和IN738合金的抗腐蚀能力相当。其中硼含量为0.007，铝钛总含量为7.21(表4中实施例10)的合金表现出较高的抗腐蚀能力(表6中实施例10)。
表6：M09A与IN738合金的腐蚀失重速率(-mg/cm2)
实施例8-实施例12中合金M09A表现较高的室温和高温屈服强度。与国内外单晶高温合金的室温和高温屈服强度相比，超过国内抗腐蚀单晶高温合金DD3、DD4和DD8水平，与国外第二代单晶高温合金CMSX-4相当见表7。其中硼含量为0.0067，铝钛总含量分别为7.55，7.80(表4中实施例11和实施例12)的合金表现出最高的室温和高温屈服强度(表7中序号11、12)。
表7：M09A合金与CMSX-4、DD3、DD4和DD8合金的持久寿命
实施例8-实施例12调整了硼含量，分别为0.004、0.0052、0.007，三种硼含量的M09A合金表现出相当的高温持久性能见表5、抗腐蚀性能、室温和高温屈服强度见表7。不含硼的合金DD3、DD4和DD8的高温持久性能见表5、室温和高温屈服强度见表7，均不如M09A合金。
实施例8-实施例12调整了铝钛总含量，分别为7.21、7.55、7.80，三种铝钛总含量的M09A合金表现出相似的高温持久性能见表5、抗腐蚀性能见表6、室温和高温屈服强度见表7。铝含量在实施例8-实施例12以外的合金DD4(下限以外)和DD3(上限以外)的高温持久性能见表5、室温和高温屈服强度见表7，均不如M09A合金。钛含量在实施例8-实施例12以外的合金DD3(下限以外)和DD4，DD8(上限以外)的高温持久性能见表5、室温和高温屈服强度见表7，均不如M09A合金。
Claims (2)
1.一种高强度抗腐蚀镍基单晶高温合金M09A，其特征在于：它是由以下成分按质量百分比组成：Cr 11.0％～15.0％，Co 8.0％～9.0％，Mo 1.8％～2.2％，W 3.5％～4.4％，Ta 5.0％～6.0％，Al 4.0％～5.4％，Ti 2.5％～3.5％，B0.004％～0.007％，C 0.01％～0.03％，Ni余量。
2.按照权利要求1所述一种高强度抗腐蚀镍基单晶高温合金M09A，其特征在于：Al和Ti的质量含量总和为7.20％～7.80％。
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| CN 201010195445 Pending CN101857931A (zh) | 2010-06-09 | 2010-06-09 | 一种高强度抗腐蚀镍基单晶高温合金 |
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| CN (1) | CN101857931A (zh) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102653832A (zh) * | 2012-04-19 | 2012-09-05 | 中国航空工业集团公司北京航空材料研究院 | 一种新型定向镍基高温合金 |
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-
2010
- 2010-06-09 CN CN 201010195445 patent/CN101857931A/zh active Pending
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Open date: 20101013 |