CN102732750A

CN102732750A - 一种低成本、低密度镍基单晶高温合金

Info

Publication number: CN102732750A
Application number: CN2011100880667A
Authority: CN
Inventors: 张健; 王莉; 楼琅洪
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS
Priority date: 2011-04-08
Filing date: 2011-04-08
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2031-04-08
Also published as: CN102732750B

Abstract

一种低成本、低密度镍基单晶高温合金，其组成成份构成和各成份的质量含量满足下述要求：Cr：2.5～4.5%，Co：7.0～11.0%，Mo：0.5～2.3%，W：5.0～7.5%，Ta：7.0～10.0%，Re：3.3～4.5%，Al：5.0～7.0%，Ti：0～0.5%，Hf：0～0.2%，C：0～0.05%，B：0～0.01%，其余为Ni。本发明与现有的其他镍基单晶高温合金相比具有优异的持久性能和拉伸性能；成本明显降低。

Description

一种低成本、低密度镍基单晶高温合金

技术领域

本发明涉及镍基单晶高温合金技术领域，特别提供了主要适用于在高温下承受高应力的零部件的一种低成本、低密度镍基单晶高温合金。

背景技术

高推重比航空发动机等技术领域的发展，要求材料具有更高的承温能力。在现有技术条件下，在镍基单晶高温合金中难熔元素W、Mo、Ta、Re等的固溶强化作用也显得越来越重要。特别是Re的加入，显著地提高了合金的高温强度。

典型的第一代镍基单晶高温合金中不含Re，第二代镍基单晶高温合金中含3wt%Re，第三代镍基单晶高温合金中含6wt%的Re。国外从上世纪八十年代开始，已研制出一系列的单晶高温合金。其中第二代单晶合金已经广泛应用；第三代单晶高温合金研制已完成，如CMSX-10、Rene N6、TMS-75等。

但是，单晶合金中的关键强化元素Re资源稀少，价格昂贵，属于战略资源。单晶合金中Re元素的含量直接决定了合金的成本，例如第二代单晶（3wt%Re）的成本约是第一代单晶的8倍，第三代单晶（6wt%Re）的成本与第二代单晶相比又提高约90%。

针对上述背景，人们期望获得一种技术效果优良的低成本（Re含量较低）、低密度（密度8.85 g/cm³，典型三代单晶CMSX-10：9.05 g/cm³，Rene N6：8.97 g/cm³，TMS-75：8.89 g/cm³）、持久性能与国外典型第三代单晶合金CMSX-10、Rene N6、TMS-75等相当的高强度第三代单晶高温合金。

发明内容

本发明的目的是提供一种技术效果优良的低成本、低密度的第三代单晶高温合金，在获得与国外典型第三代单晶高温合金基本相当性能的同时，要求减少Re的加入量（低于4.5wt%），以便显著降低合金成本，降低合金密度。

本发明一种低成本、低密度镍基单晶高温合金，其特征在于：所述镍基单晶高温合金的组成成份构成和各成份的质量含量满足下述要求：

Cr：2.5～4.5%，Co：7.0～11.0%，Mo：0.5～2.3%，W：5.0～7.5%，Ta：7.0～10.0%，Re：3.3～4.5%，Al：5.0～7.0%，Ti：0～0.5%，Hf：0～0.2%，C：0～0.05%，B：0～0.01%，其余为Ni。

本发明一种低成本、低密度的第三代镍基单晶高温合金，按重量百分比计，优化后的合金成份范围满足下述要求：

Cr：3.0～4.0%，Co：7.5～10.5%，Mo：1.0～2.3%，W：5.0～6.5%，Ta：7.0～9.0%，Re：3.5～4.5%，Al：5.5～6.5%，Ti：0～0.2%，Hf：0～0.1%，C：0～0.02%，B：0～0.005%，其余为Ni。

所述镍基单晶高温合金中，杂质的成份和含量优选满足下述要求：O ≤0.004，N ≤ 0.0015，S ≤ 0.004，P ≤ 0.018，Si ≤ 0.2，Pb ≤ 0.0005，Bi ≤ 0.00005，Sn ≤ 0.001。

本发明合金（合金牌号取名为DD33）的化学成份设计主要基于如下理由：

合金为镍基单晶高温合金，合金中含W、Mo、Ta、Re等固溶强化元素，同时含有60-70%的γ＇强化相。

为降低成本，设计要求为合金中Re含量控制在4.5wt%以下。因为Re是最有效的高温强化元素，在控制Re含量的前提下要保证合金的高温强度，势必要增加W、Mo、Ta等其它难熔元素的含量。

合金中难熔元素的含量与合金的组织稳定性往往相互矛盾，难熔元素含量过高，合金在高温服役过程中易析出有害的TCP相，严重降低合金的性能。因此，本发明的最大难点在于解决合金的高温强度与组织稳定性这一矛盾。

其化学成份设计主要基于以下理由：

W是强固溶强化元素，尤其在高温下的强化效果显著。

除了Re之外，W也是有效的固溶强化元素，综合考虑合金的组织稳定性以及密度，本发明将W的含量控制在5.0～7.5wt%。但是过量加入W会导致组织不稳定，易形成TCP相，因此优化后的W含量控制在5.0~6.5wt%。

Mo也是固溶强化元素，Mo的加入会增加晶格错配度，提高合金性能。实验表明，TCP相对Mo的含量极为敏感，当Mo含量为1.5wt%时，合金1100°C长期时效500h后仅有少量TCP相析出，而当Mo含量增加到2.5 wt%，其它合金元素偏上限时，合金1100°C时效10h后就有大量TCP相析出，因此，限制Mo的含量小于2.3wt%。

Ta不是TCP相形成元素，且适当的Ta含量能够减小铸造过程中枝晶间的溶质对流，提高合金的铸造性能，本发明控制Ta含量在7.0～10.0wt%。但Ta含量过高，合金中共晶含量高，使合金的热处理变得极为困难，结合这些因素本发明控制Ta含量在7.0～9.0wt%。

Co对TCP相有抑制作用，但过高的Co含量会降低固溶温度，导致合金高温性能的降低，为保证合金的高温性能，Co含量控制在7.0～11.0wt%。

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添加Re、W、Mo、Ta等难熔元素多，加入大量的Cr会使合金的组织稳定性降低，因此，将Cr含量控制在2.5~4.5wt%。上述各元素的合理配比是本发明合金良好综合性能的保证。

适量C的加入可提高合金的铸造性能，降低合金的再结晶倾向，特别是C的加入生成小尺寸颗粒状碳化物能够强化晶界，从而提高单晶合金的小角晶界容限，进而提高合金的成品率。碳的含量控制在0-0.05%，但过量碳的加入会降低合金的性能，因此，将碳含量控制在0-0.02%。

B可提高合金的力学性能，但会增加合金的共晶体积分数，增加合金的固液凝固区间，不利于合金的单晶生长，因此，硼的含量必须严格控制在0-0.005%之间。

本发明所述镍基单晶高温合金利用纯Ni、Co、Cr、W、Mo、Ta、Ti、Al、Re、Hf、C、B等元素在真空感应炉中熔炼，并浇注成化学成份符合要求的母合金，然后再通过定向凝固设备（高速凝固法或液态金属冷却法）重熔、利用螺旋选晶器或仔晶法定向凝固成单晶试棒。使用前需经过热处理。

针对现有技术背景，本发明发展了一种低成本（Re含量较低）、低密度（密度 8.85 g/cm³，典型三代单晶CMSX-10：9.05 g/cm³，Rene N6：8.97 g/cm³，TMS-75：8.89 g/cm³）持久性能与国外典型第三代单晶合金CMSX-10、Rene N6、TMS-75等相当的高强度第三代单晶高温合金。

本发明的优点及有益效果说明如下：

（1）与现有的其他镍基单晶高温合金相比，本发明合金具有优异的持久性能和拉伸性能。1100℃/152MPa下持久寿命>110h；980℃/350MPa下持久寿命>80h。

（2）本发明合金的持久性能与国外典型第三代单晶高温合金CMSX-10、Rene N6、TMS-75相当，但由于贵重元素Re含量较低，因而成本降低。另外，本发明合金密度低于国外典型第三代单晶合金CMSX-10、Rene N6、TMS-75。

（3）本发明合金具有较窄的固液温度区间，因而具有良好的单晶生长性，单晶叶片中不易形成杂晶。

（4）本发明合金由于碳含量的控制可明显减轻单晶合金的再结晶倾向，提高单晶合金的成品率。

附图说明

下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1为所述镍基单晶高温合金典型铸态组织；

图2为所述镍基单晶高温合金热处理态组织图之一；

图3为所述镍基单晶高温合金热处理态组织图之二；

图4为本发明所述镍基单晶高温合金与现有技术中第三代单晶高温合金CMSX-10、Rene N6、TMS-75的Larson-Miller曲线比较图；

图5为所述镍基单晶高温合金900°C长期时效1000h后显微组织之一；

图6为所述镍基单晶高温合金900°C长期时效1000h后显微组织之二；

图7为所述镍基单晶高温合金1000°C长期时效1000h后显微组织之一；

图8为所述镍基单晶高温合金1000°C长期时效1000h后显微组织之二；

图9 为实施例8中所述镍基单晶高温合金完全热处理后经1100^oC/10h热处理后的组织。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明做进一步详细说明：

具体制备方法要求：采用真空感应炉熔炼，先浇注成化学成份符合要求的母合金，然后再制备单晶试棒，使用前须经过热处理。

实施例1-11：所述镍基单晶高温合金试样的化学成份均参见表1。

为了方便对比，表1中也列出了典型第三代镍基单晶高温合金CMSX-10、Rene N6、TMS-75的化学成份，表1中Ni含量一栏的“余”含义为“余量”。合金铸态和热处理态典型显微组织见图1-3。实施例3、5、6、8所述镍基单晶高温合金的密度数据参见表2，实施例1-11中所述镍基单晶高温合金的密度明显低于CMSX-10、Rene N6、TMS-75。

镍基单晶高温合金试样经过热处理和机加工后进行持久性能测试，实施例3的结果见表3。镍基单晶高温合金和典型第三代单晶高温合金CMSX-10、Rene N6、TMS-75的Larson-Miller曲线比较见图4。本发明合金的持久性能与CMSX-10、Rene N6、TMS-75相当。

实施例3合金的拉伸性能见表4。实施例5、10、11的持久性能分别见表5、6、7。

合金完全热处理后，进行900°C、1000°C长期时效实验，长期时效1000h后均没有TCP相析出。合金长期时效后组织见图5-8。而实施例8合金经1100℃时效10h后，组织中就有大量TCP相析出，见图9。

表1 实施例1-11所述镍基单晶高温合金的化学成分组成列表（wt％）

表2 实施例3、5、6、8合金的密度列表

合金	密度（g/cm³）
		No.3	8.85
No.5	8.84
		No.6	8.85
No.8	8.85
		CMSX-10	9.05
Rene N6	8.97
		TMS-75	8.89

表3 实施例3单晶合金的持久性能列表

T/℃	σ/MPa	τ/h	δ/%
				1100	152	143	21.3
1100	152	126	24.5
				1100	152	121	35.9
1100	152	119	24.5
				980	350	112	25.5
980	350	103	25.7
				980	350	95	31.5
980	350	85	42.5
				850	586	526	21.2
760	800	202	17.8
				760	800	192	24.4
760	800	167	23.3
				760	800	184	19.0

表4 实施例3单晶合金拉伸性能列表

T/℃	σ _0.2/MPa	σ _b/MPa	δ/%	ψ/%
					20	893	986	20.9	24.0
600	885	972	20.0	22.4
					760	955	1154	14.2	12.0
950	719	841	25.7	19.6
					1050	571	638	30.63	28.0

表5 实施例5单晶合金的持久性能列表

T/℃	σ/MPa	τ/h	δ/%
				1100	152	151	22.6
1100	152	118	20.5
				980	350	131	24.8
980	350	87	35.5
				760	800	211	16.3
760	800	185	18.4

表6 实施例10单晶合金的持久性能列表

T/℃	σ/MPa	τ/h	δ/%
				1100	152	124	19.6
1100	152	118	18.5
				980	350	113	22.8
980	350	79	28.1

表7 实施例11单晶合金的持久性能列表

T/℃	σ/MPa	τ/h	δ/%
				1100	152	127	18.3
1100	152	113	20.1
				980	350	106	17.9
980	350	81	24.4

Claims

1.一种低成本、低密度镍基单晶高温合金，其特征在于：所述镍基单晶高温合金的组成成份构成和各成份的质量含量满足下述要求：

2.按照权利要求1所述的低成本、低密度第三代镍基单晶高温合金，其特征在于，按重量百分比计，较优的合金成份范围满足下述要求：

3.按照权利要求1或2所述低成本、低密度第三代镍基单晶高温合金，其特征在于：所述镍基单晶高温合金中，杂质的成份和含量满足下述要求：O ≤0.004，N ≤ 0.0015，S ≤ 0.004，P ≤ 0.018，Si ≤ 0.2，Pb ≤ 0.0005，Bi ≤ 0.00005，Sn ≤ 0.001。