CN103132148B - 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
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。
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。
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。
实施例11:
本发明实施例5合金的低周疲劳性能见表4。
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 (2)
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;
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。
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;
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