CN104911407A - 一种含Re/Ru高承温能力高蠕变抗力单晶镍基超合金 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种含Re/Ru高承温能力高蠕变抗力单晶镍基超合金，属于特殊用途的新材料，该合金以重量百分比计组成如下：5.6—6.4％Al，7.2—8.2％Ta，2.2—3.2％Cr，2.5—3.5％Mo，6.5—7.5％Co，3.8—4.6％W，4.2—4.8％Re，2.8—3.5％Ru，0.05—0.15％Hf，其余为镍。该合金具有良好的高温抗氧化性能，具有高的承温能力、蠕变强度和持久寿命等优点，适用于生产航空发动机、燃气轮机热端部件叶片的单晶镍基超合金。

Description

一种含Re/Ru高承温能力高蠕变抗力单晶镍基超合金

技术领域：

本发明涉及一种含Re/Ru高承温能力高蠕变抗力镍基高温合金，该合金特别适于制造先进航空发动机、燃气轮机的热端单晶部件。

背景技术：

单晶镍基超合金是在普通铸造和定向凝固工艺的基础上发展起来的。定向凝固形成的单晶合金，消除了垂直和平行于施加应力轴方向的晶界，不存在高温晶界弱化、纵向晶界裂纹等问题，提高了合金的热疲劳性能。其合金化特点是不加入晶界强化元素，合金成分简单，大大提高了合金的初熔温度，可采用更高的固溶处理温度，有效地调整γ′强化相的形貌、体积分数和尺寸分布。单晶镍基超合金与同成分的定向凝固合金、多晶铸造合金相比，持久寿命的比值约为9：4：1，单晶超合金有最高的承温能力和持久寿命。

高承温能力高蠕变抗力镍基超合金用于制造单晶部件，特别是适用于制造先进航空发动机和燃汽轮机的涡轮叶片。由于该合金在高温下保持有较高的蠕变强度、疲劳强度及抗氧化能力，因此采用该合金制备燃气轮机的单晶叶片部件，可保证材料的高温强度，提高燃汽轮机的工作效率。

单晶合金含有混晶增强元素，诸如：Re、Ru、W、Mo、Co、Cr，以及γ′强化相形成元素，诸如Al、Ta和Ti。贵重金属元素Re，可明显提高合金的承温能力和蠕变抗力，贵重金属元素Ru可有效抑制TCP相的析出。

目前国际上第四代单晶镍基超合金的Re和Ru含量一般为6％和3％，成本较高，不适宜工业生产。

发明内容：

发明目的：

本发明提供一种含Re/Ru高承温能力高蠕变抗力单晶镍基超合金，其目的是使用该单晶超合金制造先进航空发动机和燃汽轮机的单晶叶片，提高叶片部件的蠕变抗力和纵向、横向疲劳强度，同时得到良好的抗氧化能力。

技术方案：

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种含Re/Ru高承温能力高蠕变抗力单晶镍基超合金，其特征在于：该合金以重量百分比计组成如下：5.6-6.4％Al，7.2-8.2％Ta，2.2-3.2％Cr，2.5-3.5％Mo，6.5-7.5％Co，3.8-4.6％W，4.2-4.8％Re，2.8-3.5％Ru，0.05-0.12％Hf，其余为镍。

该合金γ′相的析出温度范围是800℃～1100℃。

该合金经八级热处理后，规则立方体γ′相的体积分数达70％。

该合金经八级热处理后，在1040℃～1150℃不同应力条件下，长时间拉伸蠕变后，立方体γ′相沿垂直于应力轴方向转变成N-型筏状结构，在筏状γ′相之间的γ基体相中析出大量细小立方γ′相，并分别均匀分布在γ基体相中。

该合金在1100℃恒温氧化300小时，由外氧化引起的合金次表层发生元素贫化区的尺寸为14μm。

八级热处理工艺，具体如下：1280℃×1h+1300℃×1h+1310℃×6h+1315℃×15h+1320℃×15h+1325℃×10h，A.C.+1150℃×4h，A.C.+870℃×24h，A.C.。

优点及效果：

本发明是一种含Re/Ru高承温能力高蠕变抗力单晶镍基超合金，具有如下优点：

(1)本发明的合金中添加了较高成分的难熔元素(W，Ta，Mo，Re，Ru)，但在高温蠕变过程中无TCP相析出，其中，元素Re和Ru的相互作用使合金具有较高的热稳定性和热疲劳抗性。

(2)本发明合金中无晶界强化元素，诸如Zr、Ce等，可使合金成分简单，提高合金的固溶处理温度，进而有效地调整γ′强化相的形貌、体积分数和尺寸分布。由于制备的单晶部件无晶界，可使单晶部件的纵向、横向力学性能和疲劳强度得到较大幅度的改进。

(3)本发明在高温蠕变过程中，合金中无TCP相析出。

(4)本发明所述合金γ′相的析出温度范围是800℃～1100℃，当工作温度在1040℃～1150℃区间，合金中仍能保持γ′相有高的体积分数。

(5)该合金经八级热处理后，规则立方体γ′相的体积分数达70％。

(6)该合金经八级热处理后，在1040℃～1150℃不同应力条件下，长时间拉伸蠕变后，立方体γ′相沿垂直于应力轴方向转变成N-型筏状结构，在筏状γ′相之间的γ基体相中析出大量细小立方γ′相，并分别均匀分布在γ基体相中。

(7)该合金在高温蠕变期间，具有较好的抗高温氧化能力。在1100℃恒温氧化300小时，由外氧化引起的合金次表层发生元素贫化区的尺寸为14μm。

(8)目前国际上第四代单晶镍基超合金的Re和Ru含量一般为6％和3％，成本较高，采用本发明的合金成分，Re的平均含量降至4.5％wt，可明显降低合金的制造成本。

具体实施方式：

本发明属于一种特殊用途的新材料，适用于生产航空发动机、燃气轮机热端部件叶片的单晶镍基超合金，特别是涉及一种含Re/Ru元素的高承温能力和高蠕变抗力单晶镍基超合金。

单晶部件的生产采用如下步骤进行：

(1)合金经成分设计后，在真空感应炉中制备母合金；

(2)在真空定向凝固炉中制取单晶部件；

(3)采用八级热处理工艺，具体如下：1280℃×1h+1300℃×1h+1310℃×6h+1315℃×15h+1320℃×15h+1325℃×10h,A.C.+1150℃×4h,A.C.+870℃×24h,A.C.。

本发明涉及一种含Re/Ru高承温能力高蠕变抗力单晶镍基超合金，该合金以重量百分比计组成如下：5.6—6.4％Al，7.2—8.2％Ta，2.2—3.2％Cr，2.5—3.5％Mo，6.5—7.5％Co，3.8—4.6％W，4.2—4.8％Re，2.8—3.5％Ru，0.05-0.12％Hf，其余为镍。

合金中添加了4.5％wt的贵重金属元素Re和3％wt的贵重金属元素Ru，并且在高温蠕变过程中，合金中无TCP相析出。

上述单晶镍基超合金γ′相的析出温度范围是800℃～1100℃，当工作温度在1040℃～1150℃区间，合金中仍能保持γ′相有高的体积分数。

上述单晶镍基超合金经八级热处理后，规则立方体γ′相的体积分数达70％。

上述单晶镍基超合金经八级热处理后，在1040℃～1150℃不同应力条件下，长时间拉伸蠕变后，立方体γ′相沿垂直于应力轴方向转变成N-型筏状结构，在筏状γ′相之间的γ基体相中析出大量细小立方γ′相，并分别均匀分布在γ基体相中。

上述单晶镍基超合金在高温蠕变期间，具有较好的抗高温氧化能力。在1100℃恒温氧化300小时，由外氧化引起的合金次表层发生元素贫化区的尺寸为14μm。

本发明所涉及的合金中，γ′强化相的析出温度是800℃～1100℃，γ′强化相的溶解温度是1257℃～1330℃，即：该合金的热处理窗口是：1257℃～1330℃。由此制定出该合金的热处理工艺是：1280℃×1小时，1300℃×1小时，1310℃×6小时(均匀化处理)；1315℃×10小时，1320℃×10小时，1325℃×10小时A.C(固溶处理)；1150℃×4小时，A.C(一级时效处理)；870℃×24小时，A.C(二级时效处理)。由于该单晶合金有较高的固溶处理温度，可有效地调整γ′强化相的形貌、体积分数和尺寸分布。

该合金为负错配度合金，在高温蠕变期间立方γ′强化相沿垂直于应力轴方向形成N-型筏状结构。合金在1040℃—1115℃条件下，长时间拉伸蠕变后，原立方γ′相转变成粗大筏状结构，在筏状γ′相之间的γ基体相中均存在诸多细小立方γ′相，且均匀分布，并保持有高的体积分数。这是该合金在高温蠕变期间具有较高承温能力、蠕变抗力和较长持久寿命的主要原因。

该合金在1040℃大气条件下的恒温和循环氧化期间，由于合金表面的外氧化，导致合金次表层各元素的外扩散，并使合金的次表层出现元素的贫化区。由于元素的外扩散速率较小，合金经500小时恒温氧化后，元素贫化区的尺寸仅为12μm，合金经725小时恒温氧化后，元素贫化区的尺寸为14μm；合金在1100℃大气条件下的恒温氧化300小时，元素贫化区的尺寸仅为14μm，远小于参比合金的元素贫化区尺寸。

将化学成分为：5.6—6.4％Al，7.2—8.2％Ta，2.2—3.2％Cr，2.5—3.5％Mo，6.5—7.5％Co，3.8—4.6％W，4.2—4.8％Re，2.8—3.5％Ru，0.05-0.12％Hf，

其余为镍和杂质的合金，在真空感应炉中制备母合金，用选晶法在定向凝固炉中制取单晶部件。采用均匀化处理使枝晶间低熔点元素充分扩散，可避免在高温固溶处理期间发生合金的初溶。合金经高温固溶处理，一级时效处理和二级时效处理后，合金中的立方γ′相尺寸约0.38μm～0.42μm，其组织形貌是规则的立方γ′相共格嵌镶在γ基体相中，γ′相的体积分数约达70％。

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的说明，但本发明的保护范围不受实施例的限制。

实施例1

表1列出本发明合金与参比合金的化学成分的对比。

	Al	Ta	Cr	Mo	Co	W	Re	Ru	Hf	Ni
											N4	6.0	5.0	3.3	4.0	7.0	4.0	6.5	4.0	---	Bal
DD03	6.2	7.5	2.8	3.1	7.1	4.2	4.3	3.1	0.08	Bal

表1

表1中，DD03为本发明的合金成分，N4为参比合金的化学成分。

对上述合金采用横断面为2mm×4.5mm的片状试样进行性能测试，表2列出本发明合金与参比合金(标准试样)经完全热处理后，持久寿命的对比。

表2

	蠕变温度(℃)	蠕变应力(MPa)	蠕变寿命(h)
				N4	1100	137	329
DD03	1100	137	321
				DD03	1085	137	386
DD03	1115	137	166
				DD03	1040	160	725
DD03	1085	137	386
				DD03	1070	140	527

表3列出本发明合金与参比合金在相同温度，经相同氧化时间后，合金次表层中的元素贫化层尺寸比较。

表3

	氧化温度(℃)	氧化时间(h)	贫化层尺寸(μm)
				N4	1100	100	12
DD03	1100	300	14

实施例2

表4为采用本专利合金成分上限制备的单晶镍基超合金，该合金以重量百分比计组成如下表4所示：

	Al	Ta	Cr	Mo	Co	W	Re	Ru	Hf	Ni
											DD03	6.4	8.2	3.2	3.5	7.5	4.6	4.8	3.5	0.12	Bal

表4

表5列出本发明表4中合金经完全热处理后的持久寿命。

表5

	蠕变温度(℃)	蠕变应力(MPa)	蠕变寿命(h)
				DD03	1100	137	335
DD03	1085	137	397

表6列出本发明表4中合金经300h氧化时间后，合金次表层中的元素贫化层尺寸比较。

表6

	氧化温度(℃)	氧化时间(h)	贫化层尺寸(μm)
				DD03	1100	300	12.4

实施例3

表7为采用本专利合金成分下限制备的单晶镍基超合金，该合金以重量百分比计组成：

	Al	Ta	Cr	Mo	Co	W	Re	Ru	Hf	Ni
											DD03	5.6	7.2	2.2	2.5	6.5	3.8	4.2	2.8	0.05	Bal

表7

表8列出本发明表7中合金经完全热处理后的持久寿命。

表8

	蠕变温度(℃)	蠕变应力(MPa)	蠕变寿命(h)
				DD03	1100	137	311
DD03	1085	137	369

表9列出本发明表7中合金经300h氧化时间后，合金次表层中的元素贫化层尺寸比较。

表9

	氧化温度(℃)	氧化时间(h)	贫化层尺寸(μm)
				DD03	1100	300	14.5

结论：

本发明中无晶界强化元素，消除了合金中的低熔点化合物，提高了合金的固溶处理温度。合金中γ′相的析出温度为800℃～1150℃，合金在1100℃仍能使γ′强化相的体积分数达到70％，且提高γ′相固溶强化程度。高温蠕变期间合金中γ′相转变成筏状结构，并在γ基体中析出大量细小立方γ′相，可提高位错在基体中运动的阻力，同时合金具有良好的高温抗氧化性能，该单晶超合金具有高的承温能力、蠕变强度和持久寿命。

Claims (6)

1.一种含Re/Ru高承温能力高蠕变抗力单晶镍基超合金，其特征在于：该合金以重量百分比计组成如下：5.6-6.4％Al，7.2-8.2％Ta，2.2-3.2％Cr，2.5-3.5％Mo，6.5-7.5％Co，3.8-4.6％W，4.2-4.8％Re，2.8-3.5％Ru，0.05-0.12％Hf，其余为镍。

2.根据权利要求1所述的含Re/Ru高承温能力高蠕变抗力单晶镍基超合金，其特征在于：该合金γ′相的析出温度范围是800℃～1100℃。

3.根据权利要求1所述的含Re/Ru高承温能力高蠕变抗力单晶镍基超合金，其特征在于：该合金经八级热处理后，规则立方体γ′相的体积分数达70％。

4.根据权利要求1所述的含Re/Ru高承温能力高蠕变抗力单晶镍基超合金，其特征在于：该合金经八级热处理后，在1040℃～1150℃不同应力条件下，长时间拉伸蠕变后，立方体γ′相沿垂直于应力轴方向转变成N-型筏状结构，在筏状γ′相之间的γ基体相中析出大量细小立方γ′相，并分别均匀分布在γ基体相中。

5.根据权利要求1所述的含Re/Ru高承温能力高蠕变抗力单晶镍基超合金，其特征在于：该合金在1100℃恒温氧化300小时，由外氧化引起的合金次表层发生元素贫化区的尺寸为14μm。

6.根据权利要求3或4所述的含Re/Ru高承温能力高蠕变抗力单晶镍基超合金，其特征在于：八级热处理工艺，具体如下：1280℃×1h+1300℃×1h+1310℃×6h+1315℃×15h+1320℃×15h+1325℃×10h，A.C.+1150℃×4h，A.C.+870℃×24h，A.C.。