CN103173865B - 一种低成本镍基单晶高温合金及其制备方法 - Google Patents

一种低成本镍基单晶高温合金及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN103173865B
CN103173865B CN201110440685.8A CN201110440685A CN103173865B CN 103173865 B CN103173865 B CN 103173865B CN 201110440685 A CN201110440685 A CN 201110440685A CN 103173865 B CN103173865 B CN 103173865B
Authority
CN
China
Prior art keywords
alloy
single crystal
nickel
preparation
low
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201110440685.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN103173865A (zh
Inventor
申健
张健
楼狼洪
张少华
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institute of Metal Research of CAS
Original Assignee
Institute of Metal Research of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institute of Metal Research of CAS filed Critical Institute of Metal Research of CAS
Priority to CN201110440685.8A priority Critical patent/CN103173865B/zh
Publication of CN103173865A publication Critical patent/CN103173865A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN103173865B publication Critical patent/CN103173865B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Abstract

本发明公开了一种低成本镍基单晶高温合金及其制备方法，按重量百分比计，合金成分包括：C0.1～0.18％，Cr4.3～5.6％，Co8～10％，W10.9～12.5％，Mo0.9～1.3％，Nb1.2～1.6％，Al5.65～6.25％，Ti0.9～1.3％，Hf0.01～0.1％，B0.001～0.015％，Ce0.0005～0.025％，Y0.0005～0.025％，Ni余量。该合金制备成本低，可在铸态下直接使用，同时具有较高的蠕变强度、抗疲劳性能和良好的组织稳定性，并具有良好的单晶铸造性能、焊接性能和涂层性能。

Description

一种低成本镍基单晶高温合金及其制备方法
技术领域
本发明属于镍基单晶高温合金及其制备技术领域，具体涉及一种低成本镍基单晶高温合金及其制备方法，该合金适用于制作航空发动机燃气涡轮转子叶片和导向叶片及其他高温部件。
背景技术
在整个高温合金领域中，镍基高温合金占有特殊重要的地位。与铁基和钴基高温合金相比，镍基高温合金具有更高的高温强度和组织稳定性，广泛应用于制作航空喷气发动机和工业燃气轮机的热端部件。由于垂直于受力方向的横向晶界是高温下材料的薄弱环节，消除横向晶界可以显著提高合金的综合性能，因此铸造高温合金由等轴晶发展到定向柱晶，为了进一步提高性能又发展了没有晶界的单晶高温合金。
单晶高温合金作为各种航空发动机和燃气轮机的涡轮叶片材料是未来几十年的发展趋势。八十年代以来各国就开始争相发展自己的单晶高温合金，为研制大推重比的先进发动机作好材料准备，到目前为止，已经有四代单晶高温合金相继问世。而我国在单晶高温合金的研制方面，还处于落后状态。目前研制的单晶合金主要是第一代单晶合金，如DD402、DD8、DD10等，第二代单晶合金仅有DD6，这使我国在先进航空发动机研制中，关键热端涡轮叶片的选材困难很大，因此国内急需研制先进的单晶材料以满足先进发动机的需求。
单晶高温合金成分发展的特点是将晶界强化元素C、B等完全去除，或者是微量使用，增加难熔元素的含量。例如：以CMSX系列单晶合金为例，难熔元素的加入量，第一代为14.6wt％，第二代为16.4wt％，而第三代高达20.7wt％。常规的难熔元素为W和Mo，随着单晶高温合金的发展又加入了难熔元素Ta，Re和Ru。随着这些新型难熔元素的加入合金的成本也成倍增加。
目前已知的单晶高温合金都需要进行热处理才能使用，并且热处理工艺也变得越来越复杂，例如CMSX-10单晶高温合金，热处理制度为：固溶处理：1315℃/1h+1329℃/2h+1335℃/2h+1340℃/2h+1346℃/2h+1352℃/2h+1357℃/3h+1360℃/5h+1363℃/10h+1365℃/15h，氦气冷却；时效处理：1150℃/4h空冷+870℃/24h空冷+760℃/30h空冷。这种复杂的热处理工艺使得单晶高温合金的生产成本大大增加，并且不利于节约能源。同时由于单晶高温合金在高温固溶处理时极易诱发再结晶缺陷，再结晶严重降低单晶合金的性能，在生产中单晶高温合金中是不允许出现再结晶的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低成本镍基单晶高温合金一种低成本镍基单晶高温合金及其制备方法，该合金制备成本低，可在铸态下直接使用，同时具有较高的蠕变强度、抗疲劳性能和良好的组织稳定性，并具有良好的单晶铸造性能、焊接性能和涂层性能。
本发明的技术方案如下：
一种低成本镍基单晶高温合金(DD26)，按重量百分比计，合金成分包括：
C0.1～0.18％，Cr4.3～5.6％，Co8～10％，W10.9～12.5％，Mo0.9～1.3％，Nb1.2～1.6％，Al5.65～6.25％，Ti0.9～1.3％，Hf0.01～0.1％，B0.001～0.015％，Ce0.0005～0.025％，Y0.0005～0.025％，Ni余量。
本发明优选的合金成分为(以重量百分比计)：
C0.1～0.18％，Cr4.3～5.6％，Co8～10％，W11.2～12.2％，Mo1.1～1.2％，Nb1.2～1.6％，Al5.65～6.25％，Ti0.9～1.3％，Hf0.04～0.1％，B0.001～0.015％，Ce0.0005～0.025％，Y0.0005～0.025％，Ni余量。
本发明合金可以利用纯金属元素在真空感应熔炼炉中熔炼为母合金，母合金再通过定向凝固设备(高速凝固法，Highratesolidification或液态金属冷却法，Liquidmetalcooling)重熔，利用螺旋选晶法或籽晶法定向凝固成单晶铸件。为了进一步提高综合性能，本发明合金也可以进行简单的热处理后使用。
本发明合金成分设计原理如下：
发明合金中不含有Re和Ta等贵重金属元素，主要依靠难熔元素W和Mo提高材料的高温强度，而W和Mo元素又是TCP有害相的形成元素，综合考虑确定W元素的成分范围：10.9％～12.5％，Mo元素的成分范围为：0.9～1.3％。众所周知传统单晶高温合金的设计思路是一代单晶高温合金完全消除晶界强化元素(C和B元素)，二至四代单晶高温合金中加入微量晶界强化元素C和B(一般不超过0.05％)，而本合金是通过加入适量C元素来提高合金的高温强度，同时C元素在合金熔炼过程中可以有效的净化合金(脱氧)，对抗腐蚀性能也有益，并且改善单晶合金的铸造工艺性。同时C元素的加入也可以降低TCP相的形成倾向。通过研究发现当本合金中C含量大于0.18％时合金的持久性能降低。合金的C含量为：0.1～0.18％时可以获得较好的综合性能。B元素可以强化单晶合金中不可避免的小角度晶界，B的含量确定为：0.001～0.015％。本合金中还加入了微量的Hf元素，可以明显地改善涂层与基体的相容性和粘结性而提高涂层寿命，同时对单晶合金的工艺性能和力学性能也有好处，Hf元素的含量确定为：0.01～0.1％。Nb元素主要进入镍基高温合金的主要强化相(γ′相)中，提高γ′相的稳定性，并强化固溶体。此外，还能提高合金的焊接工艺性能。Nb元素的含量确定为：1.2～1.6％。稀土元素在合金熔炼过程中可以降低合金中的O、S、N、Sn等有害元素的含量，起到净化合金的作用，同时稀土元素可以提高合金的组织稳定性，提高合金长期时效后的持久性能。并且由于稀土元素可以降低熔融合金的粘度，从而提高合金的铸造工艺性能。但是稀土元素在熔炼过程中挥发比较严重，因此规定本合金的稀土加入量为：Ce0.0005～0.025％，Y0.0005～0.025％，并且单晶合金稀土含量可以不做分析。
本发明的有益技术效果为：
1、本发明研制的单晶合金中不含有Ta，Re和Ru，只加入W和Mo，同时本合金通过加入适量的C和B元素来提高合金的高温强度，极大的降低了合金的成本。
2、本发明合金使用温度在1100℃以下，并可以不经热处理铸态直接使用，进一步节约成本的同时，可以完全避免单晶合金在热处理过程中出现再结晶的危险。
3、本发明合金具有良好的组织稳定性和单晶铸造工艺性能，其性能与目前国内一代单晶高温合金相当。
附图说明
图1为本发明实施例1单晶试棒组织图；其中，(a)为LMC法制备的合金铸态组织；(b)为HRS法制备的合金铸态组织；(c)为LMC法制备的合金热处理态组织；(d)为LMC法制备的合金热处理态组织。
图2为本发明实施例5铸态合金与国内一代单晶高温合金DD3、DD402、DD4的持久性能比较。
图3为本发明实施例8铸态合金900℃长期时效后的组织。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明进一步描述。
实施例1
本发明合金(No.1合金)成分见表1，通过液态金属冷却(LMC)定向凝固工艺制备单晶试棒。其铸态组织和热处理态组织如图1(a、c和d)所示。通过高速凝固工艺(HRS)制备的单晶试棒铸态组织如图1(b)所示。
表1单晶合金成分(wt％)
实施例2
本发明合金(No.2合金)成分见表2，制备工艺采用LMC法。该合金的密度为：8.48g/cm3。合金(铸态)的热导率、比热容、热扩散率见表3。
表2单晶合金成分(wt％)
表3单晶合金热导率、比热容、热扩散率
实施例3
本发明合金(No.3合金)成分见表4，单晶试棒制备工艺同实施例2。铸态合金的持久性能见表5。
表4单晶合金成分(wt％)
表5单晶合金持久性能
温度(℃) 持久应力(MPa) 寿命(h) 塑性(％)
650 800 1298 30.4
700 700 532 29.4
760 700 15 40.6
850 560 19 37.0
900 400 115 18.3
975 255 85 42.6
1000 235 53 45.0
实施例4
本发明合金(No.4合金)成分见表6，单晶试棒制备工艺同实施例2。铸态合金的持久性能见表7，拉伸性能见表8。
表6单晶合金成分(wt％)
表7持久性能
温度(℃) 持久应力(MPa) 寿命(h) 塑性(％)
650 840 285 18.6
700 730 95 40.5
760 650 317 26.7
850 545 61 33.6
900 390 158 43.4
975 200 212 49.4
1000 220 70 25.2
1010 200 73 51.5
1030 200 34 22.2
1100 120 42 40.0
表8拉伸性能
θ/℃ σ0.2/MPa σb/MPa δ/％ ψ/％
20 825.5 1015 33.4 33.3
450 780 870 25 19
600 860 975 17 16
700 755 835 34 30.5
760 905 985 18 14
850 850 890 31 24.5
900 720 880 25 22
1000 515 660 36 36
1050 455 560 40.5 40
实施例5
本发明合金(No.5合金)成分见表9，单晶试棒制备工艺同实施例2。铸态合金的硬度为：HRC40。铸态合金的持久性能与国内一代单晶高温合金DD3、DD402、DD4水平相当，如图2所示。铸态合金不同温度的持久强度见表10。表11为典型的一代单晶高温合金DD3，DD4和DD402的高温持久强度。对比表10和表11的数据可以看出本发明的合金持久强度水平与一代单晶高温合金相当。
表9单晶合金成分(wt％)
表10不同温度的持久强度
θ/℃ σ10/MPa σ100/MP σ500/MP σ1000/MP σ2000/MP
700 781 736 704 691 681
760 715 660 632 617 606
850 575 535 505 497 489
900 691 419 297 255 220
975 408 237 164 139 118
1000 349 202 138 117 99
1050 241 144 100 85 74
表11一代单晶高温合金的高温持久强度
实施例6
本发明合金(No.6合金)成分见表12，单晶试棒制备工艺同实施例2。铸态单晶合金的高温旋转弯曲疲劳结果见表13。
表12单晶合金成分(wt％)
表13高温旋转弯曲疲劳试验结果
实施例7
本发明合金(No.7合金)成分见表14，单晶试棒制备工艺同实施例2。铸态单晶合金的冷热疲劳结果见表15，可以看出冷热疲劳性能明显优于国外的PWA1483单晶合金。铸态单晶合金的弹性模量见表16。
表14单晶合金成分(wt％)
表15冷热疲劳
表16弹性模量
温度(℃) 杨氏模量E(GPa) 剪切模量G(GPa)
24 141 125
100 138 123
200 134 120
300 131 117
400 128 114
500 125 111
600 122 108
700 118 105
800 113 102
900 106 97.4
1000 97.7 92.7
实施例8
本发明合金(No.8合金)成分见表17，单晶试棒制备工艺同实施例2。铸态单晶合金在900℃下长期时效2000小时没有出现TCP相，如图3所示。长期时效对铸态单晶合金的持久性能影响见表18。
表17单晶合金成分(wt％)
表18铸态合金900℃长期时效后的持久性能(975℃/255MPa)
长期时效时间(h) 寿命(h) 延伸率(％)
300 83 39
600 75 57
1000 115 45
1500 77 58
2000 68 59
实施例9
本发明合金(No.9合金)成分见表19，单晶试棒制备工艺同实施例2。合金经过热处理后的持久性能见表20。
表19单晶合金成分(wt％)
表20热处理态持久性能
条件 寿命(h) 延伸(％)
975℃/255MPa 110 50
1000℃/235MPa 60 40
1010℃/220MPa 56 32
1030℃/200MPa 48 38
1050℃/170MPa 50 37
实施例10
本发明合金(No.10合金)成分见表21，单晶试棒制备工艺采用HRS法。铸态单晶合金持久性能和室温拉伸性能见表22和23。
表21单晶合金成分(wt％)
表22HRS法制备合金的持久性能
表23HRS法制备合金的室温拉伸性能
σ0.2/MPa σb/MPa δ/％ ψ/％
702 802 12 12.4
720 873 11.6 11.1

Claims (4)

1.一种低成本镍基单晶高温合金，其特征在于：按重量百分比计，合金成分包括：
C0.1～0.18％，Cr4.3～5.6％，Co8～10％，W10.9～12.5％，Mo0.9～1.3％，Nb1.2～1.6％，Al5.65～6.25％，Ti0.9～1.3％，Hf0.01～0.1％，B0.001～0.015％，Ce0.0005～0.025％，Y0.0005～0.025％，Ni余量。
2.根据权利要求1所述的镍基单晶高温合金，其特征在于：按重量百分比计，合金成分包括：
C0.1～0.18％，Cr4.3～5.6％，Co8～10％，W11.2～12.2％，Mo1.1～1.2％，Nb1.2～1.6％，Al5.65～6.25％，Ti0.9～1.3％，Hf0.04～0.1％，B0.001～0.015％，Ce0.0005～0.025％，Y0.0005～0.025％，Ni余量。
3.一种如权利要求1或2所述的镍基单晶高温合金的制备方法，其特征在于：采用真空感应熔炼炉熔炼母合金，母合金再通过定向凝固设备重熔，利用螺旋选晶法或籽晶法定向凝固成单晶铸件。
4.根据权利要求3所述的镍基单晶高温合金的制备方法，其特征在于：对单晶铸件进行热处理后使用。
CN201110440685.8A 2011-12-23 2011-12-23 一种低成本镍基单晶高温合金及其制备方法 Active CN103173865B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201110440685.8A CN103173865B (zh) 2011-12-23 2011-12-23 一种低成本镍基单晶高温合金及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201110440685.8A CN103173865B (zh) 2011-12-23 2011-12-23 一种低成本镍基单晶高温合金及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN103173865A CN103173865A (zh) 2013-06-26
CN103173865B true CN103173865B (zh) 2016-01-20

Family

ID=48634033

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201110440685.8A Active CN103173865B (zh) 2011-12-23 2011-12-23 一种低成本镍基单晶高温合金及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN103173865B (zh)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105200521B (zh) * 2014-05-28 2018-05-25 中国科学院金属研究所 一种无铼低密度高性能镍基单晶高温合金及其热处理工艺
US10508360B2 (en) 2015-01-20 2019-12-17 United Technologies Corporation Multifunctional nanocellular single crystal nickel for turbine applications
CN106011540B (zh) * 2015-09-28 2019-12-31 江苏大学 一种低铼第三代镍基单晶合金及其制备方法
CN107630152A (zh) * 2016-07-18 2018-01-26 中国科学院金属研究所 一种含钇和铪的镍基等轴晶合金及其热处理工艺和应用
CN110343848A (zh) * 2019-08-02 2019-10-18 兰州理工大学 一种熔融锌脆化回收镍基单晶高温合金废料的方法
CN112122398A (zh) * 2020-09-03 2020-12-25 北京钢研高纳科技股份有限公司 一种镍基高温合金薄壁铸件的热校形工艺及镍基高温合金薄壁铸件
CN112877781A (zh) * 2021-01-13 2021-06-01 中国航发北京航空材料研究院 镍基单晶合金、其制备方法、用途和热处理方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU1412342C (ru) * 1986-12-02 1994-11-30 Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов Сплав на основе никеля
SU475868A1 (ru) * 1974-03-22 1994-12-30 А.Т. Туманов Сплав на основе никеля
SU1487468A1 (ru) * 1987-07-13 1995-12-10 Н.М. Гриц Сплав на основе никеля
CN1786228A (zh) * 2005-12-22 2006-06-14 沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司 含铪镍基铸造高温合金k488返回料合金真空熔炼工艺
CN101538664A (zh) * 2008-03-19 2009-09-23 中国科学院金属研究所 一种低密度高熔点镍基高温合金及其制备工艺

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU475868A1 (ru) * 1974-03-22 1994-12-30 А.Т. Туманов Сплав на основе никеля
RU1412342C (ru) * 1986-12-02 1994-11-30 Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов Сплав на основе никеля
SU1487468A1 (ru) * 1987-07-13 1995-12-10 Н.М. Гриц Сплав на основе никеля
CN1786228A (zh) * 2005-12-22 2006-06-14 沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司 含铪镍基铸造高温合金k488返回料合金真空熔炼工艺
CN101538664A (zh) * 2008-03-19 2009-09-23 中国科学院金属研究所 一种低密度高熔点镍基高温合金及其制备工艺

Also Published As

Publication number Publication date
CN103173865A (zh) 2013-06-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103173865B (zh) 一种低成本镍基单晶高温合金及其制备方法
Xu et al. Progress in application of rare metals in superalloys
CN108385010B (zh) 一种低密度、高组织稳定性的钴基高温合金及其制备方法
CN100460542C (zh) 一种无铼第二代镍基单晶高温合金
CN102732750B (zh) 一种低成本、低密度镍基单晶高温合金
JP3184882B2 (ja) Ｎｉ基単結晶合金とその製造方法
CN105420554B (zh) 一种抗热蚀定向凝固镍基高温合金及制备方法
CN100482824C (zh) 一种含铼镍基单晶高温合金及其制备工艺
CN108441741B (zh) 一种航空航天用高强度耐腐蚀镍基高温合金及其制造方法
CN102433466A (zh) 一种含稀土元素的镍钴基高温合金及其制备方法
CN109576534B (zh) 一种低钨含量γ′相强化钴基高温合金及其制备工艺
WO2023197976A1 (zh) 一种单晶高温合金及其制备方法和应用
CN114214532B (zh) 一种精确控制亚稳组织稳定化实现γ-TiAl合金细化的方法
CN109136654A (zh) 一种低铼抗热腐蚀长寿命高强度第二代镍基单晶高温合金及其热处理工艺
CN111455221B (zh) 增材制造用钴基高温合金及其制备方法和应用、增材制造产品
CN114164356B (zh) 一种高强度镍基单晶高温合金
CN113564717B (zh) 一种Ni3Al基单晶高温合金及其制备方法
CN114164357B (zh) 一种低成本、低密度镍基单晶高温合金
WO2010082632A1 (ja) Ｎｉ基単結晶超合金
CN105296809A (zh) 一种高强度沉淀强化钴基单晶高温合金及其制备方法
CN103132148B (zh) 一种低密度、低成本、高强镍基单晶高温合金
CN115011844B (zh) 一种含铼无钨低比重镍基单晶高温合金及其热处理工艺
CN114231767B (zh) 一种抗热腐蚀镍基高温合金的σ相析出控制方法
CN101974708A (zh) 一种抗热蚀定向凝固镍基铸造高温合金
CN112877781A (zh) 镍基单晶合金、其制备方法、用途和热处理方法

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
CB03 Change of inventor or designer information
CB03 Change of inventor or designer information

Inventor after: Shen Jian

Inventor after: Zhang Jian

Inventor after: Loulanghong

Inventor after: Zhang Shaohua

Inventor before: Shen Jian

Inventor before: Zhang Jian

Inventor before: Lou langhong

Inventor before: Zhang Shaohua