CN103132148A - 一种低密度、低成本、高强镍基单晶高温合金 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种低密度、低成本、高强镍基单晶高温合金，该合金的组成成分构成和各成分的质量百分含量为：Cr：9.0～11.0%，Co：4.0～6.0%，Mo：2.0～4.0%，Ta：1.5～3.0%，Al：4.0～6.0%，Ti：4.0～6.0%，Hf：0～0.2%，其余为Ni；该合金不仅具有低密度、低成本特点，还具有较高的高温力学性能、抗氧化性能以及良好的组织稳定性；特别适用于航天、航空发动机高温部件。

Description

一种低密度、低成本、高强镍基单晶高温合金
技术领域
本发明属于镍基单晶高温合金技术领域，具体涉及一种低密度、低成本、高强镍基单晶高温合金，该合金主要适用于在航天、航空发动机高温部件。
背景技术
镍基单晶高温合金具有优良的高温性能，是目前制造先进航空发动机和燃气轮机叶片的主要材料。20世纪80年代以来，相继发展和应用了第一代、第二代、第三代和第四代单晶高温合金，相应的每代单晶高温合金使用温度都被提高了近25℃。但是，随着单晶高温合金的不断发展，难熔元素含量不断增多，合金密度不断增加，单晶叶片在工作时产生的离心应力不断增加，导致原有发动机无法使用。目前我国只有低密度的多晶、定向合金，还没有研制出低密度的单晶合金。
针对上述背景，人们期望获得一种低密度、低成本、高强镍基单晶高温合金，其拉伸、持久、疲劳等性能与典型第一代高强镍基单晶高温合金相当。
发明内容
本发明的目的是提供一种低密度、低成本、高强镍基单晶高温合金，该合金在获得与典型第一代单晶高温合金相当力学性能的同时，具有低密度、低成本等特点。
本发明提供了一种低密度、低成本、高强镍基单晶高温合金，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：8.5～11.0%，Co：4.0～6.0%，Mo：2.0～4.0%，Ta：1.5～3.0%，Al：4.0～6.0%，Ti：4.0～6.0%，Hf：0～0.2%，其余为Ni。
本发明提供的低密度、低成本、高强镍基单晶高温合金，按重量百分比计，优化后的合金成分范围满足下述要求：
Cr：9.5～10.5%，Co：4.5～5.5%，Mo：2.5～3.5%，Ta：1.7～2.5%，Al：4.5～5.5%，Ti：4.5～5.5%，Hf：0～0.15%，其余为Ni。
本发明提供的低密度、低成本、高强镍基单晶高温合金，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≤0.002，N≤0.001，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DD436）的化学成分设计主要基于如下理由：
Cr在Ni基高温合金中最主要的作用是增加抗氧化和耐蚀能力，但是合金中Cr含量过高时会引起拓扑密排相（TCP）的析出。所以该镍基单晶高温合金中Cr含量为8.5～11.0wt.%。
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4.0～6.0%wt.%。
Mo是高温合金中最重要的固溶强化元素，但它是促进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。因此，限制Mo的含量为2.0～4.0wt.%。
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，同时Ti和Al含量的增加，有利于降低合金的密度。所以，合金的Al和Ti含量都控制在4.0～6.0wt.%。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，且增加合金的密度。结合这些因素本发明控制Ta含量在1.5～3.0wt.%。
适量Hf的加入可提高合金的工艺性能和力学性能，增加基体与涂层的结合力，但过量Hf的加入会降低合金的初熔温度，因此，将Hf含量控制在0-0.2wt.%。
本发明所述镍基单晶高温合金利用纯Ni、Co、Cr、Mo、Ta、Ti、Al、Hf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，本发明发展了一种低密度、低成本、高强镍基单晶高温合金，其密度仅为7.96 g/cm3，力学性能达到了典型第一代高强单晶高温合金CMSX-2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，本发明合金具有低密度、低成本特点；
（2）本发明合金的持久性能与典型第一代单晶高温合金CMSX-2相当，982℃/232MPa下持久寿命>80h；760℃/800MPa下持久寿命>145h；
（3）本发明合金在1100℃完全抗氧化；
（4）本发明合金在900℃长期时效组织稳定。
附图说明
图1为本发明合金与第一代单晶高温合金CMSX-2的Larson-Miller曲线比较图；
图2为本发明合金在1100℃的氧化曲线；
图3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1-6：
本发明镍基单晶高温合金试样的化学成分均参见表1。
Figure 2011103971530100002DEST_PATH_IMAGE001
实施例7：
本发明实施例2合金的密度测量值为7.96 g/cm3。
实施例8：
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CMSX-2的Larson-Miller曲线比较见图1。本发明合金的持久性能与CMSX-2相当。
Figure 301322DEST_PATH_IMAGE002
实施例9：
本发明实施例1合金的1100℃氧化曲线见图2。
实施例10：
本发明实施例4合金的拉伸性能见表3。
Figure 2011103971530100002DEST_PATH_IMAGE003
实施例11：
本发明实施例5合金的低周疲劳性能见表4。
Figure 123785DEST_PATH_IMAGE004
实施例12：
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6合金长期时效后组织见图3。

Claims (3)

1.一种低密度、低成本、高强镍基单晶高温合金，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：9.0～11.0%，Co：4.0～6.0%，Mo：2.0～4.0%，Ta：1.5～3.0%，Al：4.0～6.0%，Ti：4.0～6.0%，Hf：0～0.2%，其余为Ni。
2.按照权利要求1所述的低密度、低成本、高强镍基单晶高温合金，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：9.5～10.5%，Co：4.5～5.5%，Mo：2.5～3.5%，Ta：1.7～2.5%，Al：4.5～5.5%，Ti：4.5～5.5%，Hf：0～0.15%，其余为Ni。
3.按照权利要求1或2所述的低密度、低成本、高强镍基单晶高温合金，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≤0.002，N≤0.001，S≤0.004，P≤0.018，Si≤0.2，Pb≤0.0005，Bi≤0.00005。
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