CN103114225B - 一种高强抗热腐蚀镍基单晶高温合金 - Google Patents
一种高强抗热腐蚀镍基单晶高温合金 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种高强抗热腐蚀镍基单晶高温合金，该合金的组成成分构成和各成分的质量百分含量为：Cr：10.0～15.0％，Co：8.0～12.0％，Mo：0.5～1.9％(不含1.9％)，W：3.0～6.0％，Ta：4.0～7.0％，Al：3.0～4.0％，Ti：3.0～5.0％，C：0～0.4％，其余为Ni，6.5≤Al+Ti≤9，Al/Ti≤1。该合金不仅具有优良的抗热腐蚀性能，还具有较高的高温力学性能、良好的组织稳定性。既可以适用于地面与舰用燃气轮机高温部件，又可以适用于航天、航空发动机高温部件。
Description
技术领域
本发明属于镍基单晶高温合金技术领域，具体涉及主要适用于在高温热腐蚀条件下承受较高应力的零部件的一种高强镍基单晶高温合金。
背景技术
海洋环境下的舰载机，地面燃气轮机等科技领域的发展，要求发动机材料不仅要具有较高的力学性能，还应具有一定的抗热腐蚀能力。目前我国研制的第一代单晶合金主要有DD3、DD26、DD402和DD8等合金。除DD8外，这些合金的抗热腐蚀性能均较差。DD8合金虽有较强的抗热腐蚀性能，但强度明显低于其它单晶合金。因此，目前具有高强度的抗热腐蚀单晶合金在国内的种类较少。
针对上述背景，人们期望获得一种抗热腐蚀镍基单晶高温合金，在具有良好抗热腐蚀性能的同时，拉伸、持久、疲劳等性能与国内典型第一代单晶合金DD3、DD26、DD402等相当的高强度第一代抗热腐蚀单晶高温合金。
发明内容
本发明的目的是提供一种高强抗热腐蚀第一代镍基单晶高温合金，该合金在获得与国内典型第一代单晶高温合金相当力学性能的同时，具有良好的抗热腐蚀性能。
本发明提供了一种高强抗热腐蚀镍基单晶高温合金，所述合金的组成成分构成和各成分的质量百分含量满足下述要求：
Cr：10.0～15.0％，Co：8.0～12.0％，Mo：0.5～1.9％(不含1.9％)，W：3.0～6.0％，Ta：4.0～7.0％，Al：3.0～4.0％，Ti：3.0～5.0％，C：0～0.4％，其余为Ni，6.5≤Al+Ti≤9，Al/Ti≤1。
本发明提供的高强抗热腐蚀镍基单晶高温合金，所述合金的组成成分构成和各成分的质量百分含量满足下述要求：
Cr：11.0～13.0％，Co：8.5～9.5％，Mo：1.0～1.9％(不含1.9％)，W：3.0～4.5％，Ta：4.0～6.0％，Al：3.5～3.9％，Ti：4.0～5.0％，C：0～0.2％，其余为Ni，7.3≤Al+Ti≤8.5，Al/Ti≤1。
本发明提供的高强抗热腐蚀镍基单晶高温合金，所述镍基单晶高温合金中，杂质的成分和质量百分含量满足下述要求：O≤0.003，N≤0.002，S≤0.004，P≤0.018，Si≤0.2，Pb≤0.0005，Bi≤0.00005。
本发明合金(合金牌号取名为DD13)的化学成分设计主要基于如下理由：
合金成分是影响热腐蚀的关键因素，通过添加合金元素可以促进合金表面稳定氧化膜的形成，降低合金的热腐蚀速率。高温合金中，Cr是改善合金抗热腐蚀性能最有效的合金元素，一定的Cr含量能形成抗热腐蚀Cr2O3保护膜。但是合金中Cr含量过高时会引起拓扑密排相(TCP)的析出。所以抗热腐蚀高温合金中Cr含量为10.0～15.0wt.％。
Co对TCP相有抑制作用，扩大热处理窗口，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8.0～12.0wt.％。
Mo、W是高温合金中最重要的固溶强化元素，但它们都是促进TCP相形成元素，对于合金的组织稳定性十分不利。而且W、Mo在高温氧化环境下，极易生成挥发性的氧化物，难易形成致密的氧化膜，在有Na2SO4的环境中，容易引起酸性熔融反应，产生严重的热腐蚀，特别是高Mo的合金，常发生灾难性的腐蚀。因此，限制Mo、W的含量分别小于1.9wt.％和6.0wt.％。
Al、Ti、Ta是高温合金中最主要的沉淀强化γ'相形成元素。Ti还有利于提高合金的抗热腐蚀性能，Al能明显提高合金的抗氧化性能，但对液态Na2SO4的防护性能极差，所以，合金的Ti/Al比大于1，且6.5≤Al+Ti≤9。Ta除了有效地提高合金的热强性以外，同时还能增加合金的抗氧化性能、耐腐蚀性能和铸造性能，但Ta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4.0～7.0wt.％。
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。但过量C的加入会降低合金的性能，因此，将C含量控制在0-0.4wt.％。
本发明所述镍基单晶高温合金利用纯Ni、Co、Cr、W、Mo、Ta、Ti、Al、C等元素在真空感应炉中熔炼，并浇注成化学成分符合要求的母合金，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，本发明发展了一种高强抗热腐蚀第一代镍基单晶高温合金，其抗热腐蚀性能与M38合金相当，力学性能达到甚至超过了典型第一代高强单晶高温合金DD3、DD26、DD402水平。
本发明的优点及有益效果说明如下：
(1)与现有的其它镍基单晶高温合金相比，本发明合金具有优异的抗热腐蚀性能，900℃热腐蚀能力与M38相当。
(2)本发明合金的持久性能与典型第一代单晶高温合金DD3、DD26、DD402相当甚至更优，982℃/248MPa下持久寿命>60h；760℃/793MPa下持久寿命>140h，是高强的抗热腐蚀单晶高温合金。
(3)本发明合金在900℃长期时效组织稳定。
附图说明
图1为本发明合金与现有技术中第一代单晶高温合金DD3、DD26、DD402和DD8的Larson-Miller曲线比较图；
图2为本发明合金900℃热腐蚀性能的测试；
图3为本发明合金低周疲劳性能的测试；
图4为本发明合金900℃长期时效2000h后显微组织。
具体实施方式
以下实施例将对本发明予以进一步的说明，但并不因此而限制本发明。
具体制备方法要求：采用真空感应炉熔炼，先浇注成化学成分符合要求的母合金，然后再制备单晶试棒，使用前须经过热处理。
实施例1-8：
本发明镍基单晶高温合金试样的化学成分均参见表1。为了方便对比，表1中也列出了典型第一代镍基单晶高温合金DD3、DD26、DD402和DD8的化学成分。
表1本发明合金(实施例1-8)和DD3、DD26、DD402、DD8的化学成分组成列表(wt.％)
| 合金 | Cr | Co | W | Mo | Ta | Al | Ti | C | Ni |
| 实施例1 | 11.5 | 10 | 4 | 2 | 5 | 3.6 | 4.0 | 0.1 | 余 |
| 实施例2 | 11.5 | 10 | 4 | 2 | 4.9 | 3.6 | 4.2 | 0.1 | 余 |
| 实施例3 | 11.8 | 9 | 3.9 | 1.9 | 5 | 3.7 | 4 | 0.08 | 余 |
| 实施例4 | 11.8 | 9 | 4 | 2.1 | 4.8 | 3.8 | 3.9 | 0.08 | 余 |
| 实施例5 | 12 | 9 | 4.5 | 2 | 5.1 | 3.5 | 4.2 | 0.012 | 余 |
| 实施例6 | 12 | 9 | 3.8 | 1.8 | 4.9 | 3.6 | 4.1 | 0.08 | 余 |
| 实施例7 | 11.8 | 9 | 4 | 1.6 | 5 | 3.7 | 4 | 0.09 | 余 |
| 实施例8 | 11.2 | 9 | 4 | 2.3 | 5 | 3.9 | 4 | 0.09 | 余 |
| DD26 | 8 | 9 | 8 | 1 | -- | 5 | 2 | 0.08 | 余 |
| DD3 | 10 | 5 | 6.0 | 4 | -- | 6 | 2 | 0.01 | 余 |
| DD8 | 16 | 8.5 | 6 | -- | 1 | 3.9 | 4 | 0.02 | 余 |
| DD402 | 8 | 4.5 | 8 | 0.5 | 6 | 5.6 | 1 | 0.02 | 余 |
注：表中Ni含量一栏的“余”含义为“余量”。
实施例9：
本发明实施例3合金试样经过热处理和机加工后进行持久性能测试，结果见表2。本发明实施例3合金和典型第一代单晶高温合金DD3、DD26、DD402和DD8的Larson-Miller曲线比较见图1。本发明合金的持久性能与DD402相当，略高于其它单晶高温合金。
表2本发明实施例3合金的持久性能
实施例10：
本发明实施例4合金的900℃热腐蚀性能与高强DZ125和热腐蚀合金M38的比较见图2。
实施例11：
本发明实施例2合金的拉伸性能见表3。
表3本发明实施例2合金的拉伸性能
实施例12：
本发明实施例5合金的低周疲劳性能见表4和图3。
表4本发明实施例5合金980℃低周疲劳测试结果
实施例13：
本发明实施例6合金的高周疲劳性能见表5。
表5本发明实施例6合金光滑试样高温旋转弯曲疲劳试验结果(930℃)
实施例14：
合金完全热处理后，进行900℃长期时效实验，长期时效2000h后没有TCP相析出。本发明实施例2合金长期时效后组织见图4。
Claims (3)
1.一种高强抗热腐蚀镍基单晶高温合金，其特征在于：所述合金的组成成分构成和各成分的质量百分含量满足下述要求：
Cr：10.0～15.0％，Co：8.0～12.0％，Mo：0.5～1.9％，不含1.9％，W：3.0～6.0％，Ta：4.1～7.0％，Al：3.0～4.0％，Ti：3.0～5.0％，C：0～0.4％，其余为Ni，6.5≤Al+Ti≤9，Al/Ti≤1。
2.按照权利要求1所述的高强抗热腐蚀镍基单晶高温合金，其特征在于，所述合金的组成成分构成和各成分的质量百分含量满足下述要求：
Cr：11.0～13.0％，Co：8.5～9.5％，Mo：1.0～1.9％，不含1.9％，W：3.0～4.5％，Ta：4.1～6.0％，Al：3.5～3.9％，Ti：4.0～5.0％，C：0～0.2％，其余为Ni，7.3≤Al+Ti≤8.5，Al/Ti≤1。
3.按照权利要求1或2所述的高强抗热腐蚀镍基单晶高温合金，其特征在于：所述镍基单晶高温合金中，杂质的成分和质量百分含量满足下述要求：O≤0.003，N≤0.002，S≤0.004，P≤0.018，Si≤0.2，Pb≤0.0005，Bi≤0.00005。
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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 |