CN108070741A - 一种镍基单晶高温合金系列Nideal4合金系列及其应用 - Google Patents

Abstract

一种镍基单晶高温合金系列Nideal 4合金系列及其应用，属于高温合金技术领域。该合金成分系列包括类Ni元素、形成γ′析出相的元素、形成γ基体元素和Al元素，类Ni元素选用Ni、Co、Re、Ru、Ir、Fe、Pt、Pd、Os、Rh、Tc中的一种或几种，占比70.6±1.5at.％。形成γ′析出相的元素选用Ti、V、Nb、Ta、Zr、Hf中的一种或几种，占比2.9±0.1at.％。形成γ基体元素选用Cr、Mo、W中的一种或几种，占比14.7±0.2at.％，Al元素的原子百分比总量为11.8±0.2at.％。在主要合金的成分确定之后，还选用Mg、Si、C、B以及La、Ce、Y稀土中的一种或几种，占比0.5at.％以内。由理想配比构建的该类合金系列称为Nideal 4合金系列，具有高承温能力和长持久寿命。

Description

一种镍基单晶高温合金系列Nideal4合金系列及其应用

技术领域

本发明涉及一种镍基单晶高温合金系列Nideal 4合金系列及其应用，属于高温合金技术领域。

背景技术

高温合金主要是指以铁、钴和镍为基，能在600℃上的环境下依然能保持较高性能的一种高温结构材料。这种材料具有较长的持久寿命、良好的抗氧化能力、较高的承温能力和抗腐蚀能力以及良好的疲劳性能和断裂韧性。随着工业的高速发展，高温合金在各个领域中展现了良好的应用前景，尤其在航空发动机和燃气轮机的相关高温部件。

按照制备工艺，高温合金可分为变形高温合金、铸造高温合金和粉末冶金高温合金(包括氧化物弥散强化高温合金)。按照金属材料基体，主要分为铁基高温合金、钴基高温合金和镍基高温合金。铁基高温合金由于组织稳定性和抗氧化性相对较差，高温强度不足，不能在更高的温度下使用，只能在中温条件(600～800℃)条件下使用。而钴是一种重要的战略性资源，世界大多数国家钴资源稀缺。因此，以镍为基体的镍基高温合金成为目前高温合金中应用最广的一类合金，其在650～1000℃范围内具有较高的强度和较强的抗氧化性。镍基高温合金具有许多优点，首先可以固溶较多的合金元素，且能保持较好的稳定性；其次可以形成γ′-Ni₃Al超点阵，与基体完全共格，实现高温强化。最后含有铬的镍基高温合金具有更高的抗氧化、抗腐蚀能力。

其中，镍基高温合金的发展开始于变形高温合金。如Nimonic 80和Waspaloy，这两类合金在1000小时寿命/137MPa下的承温能力分别为740℃和854℃。然后，提高承温能力的同时变形抗力也增加。为了突破变形工艺的束缚，科研人员研发出了等轴晶铸造合金，如René80和Mar-M246，1000小时寿命/137MPa下的承温能力分别为945℃和985℃，提高了将近100℃。实践发现，镍基高温合金叶片的工作寿命受垂直于应力轴晶界(横向晶界)的影响，因此通过定向凝固技术，消除横向晶界，研发出定向凝固柱晶高温合金，如Mar-M247和Mar-M200Hf，承温能力提高到了960℃和980℃。定向凝固柱晶高温合金的晶界方向与应力方向平行，因此提高镍基高温合金的承温能力。但晶界在高温条件下是薄弱环节。因此，通过相关技术手段去除晶界，制备出单晶高温合金，如Nasair 100,承温能力达到1020℃。为了控制成本并保证承温能力，本发明研发出一种性能优异的单晶高温合金。

发明内容

本发明基于现有镍基高温合金的成分，找出镍基高温合金的成分规律和性能参数，最终确定具有高结构稳定性的镍基单晶高温合金的成分系列，并命名为Nideal 4合金系列。

本发明采用的技术方案是：一种镍基单晶高温合金系列Nideal 4合金系列，主要合金的成分包括类Ni元素、形成γ′析出相的元素、形成γ基体元素和Al元素，所述类Ni元素选用Ni、Co、Re、Ru、Ir、Fe、Pt、Pd、Os、Rh、Tc中的一种或几种，选用元素的原子百分比总量为70.6±1.5，所述形成γ′析出相的元素选用Ti、V、Nb、Ta、Zr、Hf中的一种或几种，选用元素的原子百分比总量为2.9±0.1，所述形成γ基体元素选用Cr、Mo、W中的一种或几种，选用元素的原子百分比总量为14.7±0.2，所述Al元素的原子百分比总量为11.8±0.2，所述成分需同时满足；在所述主要合金的成分确定之后，还可以选用Mg、Si、C、B以及La、Ce、Y等稀土元素中的一种或几种，原子百分比总量应控制在所述主要合金成分的原子百分比总量的0.5以内。

所述的一类镍基单晶高温合金的成分系列应用于航空发动机的镍基单晶高温合金的成分构建。

本发明的有益效果是：这种镍基单晶高温合金的成分应用于航空发动机的镍基单晶高温合金的成分系列构建。合金元素分为主要合金元素和其他元素。主要合金元素包括类Ni元素(Ni、Co、Re、Ru、Ir、Fe、Pt、Pd、Os、Rh或Tc)、形成γ′析出相的元素(Ti、V、Nb、Ta、Zr或Hf)、形成γ基体元素(Cr、Mo或W)和元素Al。其中类Ni元素原子百分比总量为70.6±1.5，形成γ′析出相的元素的原子百分比总量为2.9±0.1，形成γ基体元素的原子百分比总量为14.7±0.2,元素Al的原子百分比总量为11.8±0.2，。此外，主要合金化元素确定之后，还可以添加少量其它元素，包括Mg、Si、C或B以及La、Ce、Y等稀土元素，其原子百分比总量应控制在上述主要合金元素总含量的原子百分比0.5以内。该合金系列命名为Nideal 4合金系列，高承温能力和长持久寿命的高结构稳定性的廉价镍基单晶高温合金。

附图说明

图1为主要合金化元素的合金矢量法比较。图1中每一个点表示原子百分比含量为90的Ni元素与原子百分比含量为10的合金化元素的混合，如Al表示原子百分比为90的Ni与原子百分比为10的Al的混合。按照合金化元素的向量分布特征，可归出Al(其合金矢量基本水平方向)、形成γ′析出相元素(Ti、V、Nb、Ta、Zr或Hf，合金矢量最靠近Al)、形成γ基体元素(Cr、Mo或W，位于中间位置)、以及类Ni元素(Ni、Co、Fe、Re、Ru、Ir、Os、Rh或Tc，与指向Al的矢量的夹角最大)。

图2为表1中镍基高温合金的成分点在一种伪三元成分图上的分布。图中三元指类Ni元素(Ni、Co、Re、Ru、Ir、Fe、Pt、Pd、Os、Rh或Tc)、形成γ′析出相的元素Al、以及其它元素(含形成γ′析出相的元素Ti、V、Nb、Ta、Zr或Hf以及形成γ基体元素Cr、Mo或W)。具体合金成分见表1。镍基高温合金在发展过程中，从变形合金发展到等轴晶铸造合金，然后是定向凝固合金和单晶合金。镍基高温合金在发展的过程中，合金的承温能力再不断提高。其中，单晶合金Nasair 100就是从定向凝固合金Mar-M247发展而来，合金的初熔点从1240℃上升到1330℃，并且在1000小时寿命/137MPa下的承温能力提高了近50℃。合金在发展的过程中，类Ni元素的原子百分比总量趋近于70.6％，70.6％为单晶高温合金的成分下边界，Nideal4合金系列的类Ni元素原子百分含量确定为70.6％，而Al元素趋近于11.8％。其它元素总量趋近于17.6％。

图3为表1中镍基高温合金的成分点在一种伪三元成分图上的分布，但是将形成γ′析出相的元素合并，与形成基体γ的元素Cr、Mo、W和类Ni元素作图，可以发现，镍基高温合金在向高代次单晶合金发展的过程中，形成基体γ的元素的原子百分比总量趋近于14.7％。之前的图2表明，除了Al和类Ni之外的其它元素的原子百分比总量趋近于17.6，因此除了Al之外的其它形成γ′析出相的元素的原子百分比总量趋近于2.9(2.9＝17.6-14.7)。镍基高温合金在向单晶合金发展的过程中，发展的过程中一直靠近于本发明涉及的Nideal 4合金系列的成分点。

图4为典型镍基高温合金的承温能力和成分分布图。即镍基高温合金在1000小时持久寿命/137MPa下的承温能力，同时也反应了镍基高温合金的发展历程。镍基高温合金在发展的过程中，合金的承温能力在不断的提高，同时，合金的成分点一直靠近与Nideal 4合金系列成分点，即两条原子百分比14.7成分线的交点。图4中可以发现，Nasair 100合金的Al原子含量为12.7at.％，高于Nideal 4合金系列(11.8±0.2at％)。

具体实施方法

以下实施例将对本发明予以进一步说明。

本实施例从定向凝固合金Mar-M247到单晶合金Nasair 100的演化过程。

①定向凝固合金Mar-M247的初熔点为1240℃(Pierre Caron,Aerosp.SciTechnol.1999)，并且在1000小时持久寿命/137MPa下的承温能力为976℃(金涛，金属学报，2015)。Mar-M247的标准成分质量百分比为：

Ni-10Co-8Cr-0.6Mo-10W-5.5Al-1Ti-3Ta-1.5Hf-0.03Zr-0.15C-0.015B，并转换成原子百分比。

②将Mar-M247主要合金化元素分类并与Nideal 4合金系列成分做出比较。其Ni元素Ni_0.86Co_0.14、形成γ′析出相元素Al、其它形成γ′析出相元素Ti_0.56Ta_0.44和形成γ基体元素Cr_0.72Mo_0.03W_0.25的原子百分比总量分别为：72.9、12.1、2.2和12.8。可见，该合金系列与Nideal 4合金系列仍然有一定的成分距离，体现在：类Ni元素比Nideal 4合金系列的成分70.6高出2.3，Al比Nideal 4合金系列的成分11.8高出0.3，其他形成γ′析出相元素比Nideal 4合金系列的成分2.9欠缺0.7，γ基体的元素比Nideal 4合金系列的成分14.7欠缺1.9。因此从Nideal4合金系列成分的角度出发，Mar-M247应该具有较大的成分改良空间。Nasair 100合金的初熔点为1240℃，并且在1000小时持久寿命/137MPa下的承温能力为976℃。

③以类似的方式分析第一代单晶合金牌号Nasair 100的成分，其标准质量百分比成分为Ni-9Cr-1Mo-10.5W-5.75Al-1.2Ti-3.3Ta。转化成原子百分比，可得其类Ni元素Ni的原子百分比为70.4(相对于Mar-M247下降了2.5，比Nideal 4合金系列的成分70.6仍然欠缺0.2)，Al元素原子百分比为12.7(相对于Mar-M247的12.1高出0.6，比Nideal 4合金系列的成分11.8高出0.9)，其他形成γ′析出相元素Ti_0.58Ta_0.42的原子百分比增加到2.6(相对于Mar-M247的2.2增加了0.4，比Nideal 4合金系列的成分2.9仅欠缺0.3)，形成γ基体的元素Cr_0.72Mo_0.04W_0.24的原子百分比为14.3，但相对于Mar-M247的12.8升高1.5，比Nideal 4合金系列的14.7欠缺0.4。总的来讲，Nasair100合金成分更加接近Nideal 4合金系列的成分，Nasair 100初熔点为1330℃(比Mar-M247的初熔点1340℃高出90℃)，并且在1000小时持久寿命/137Mpa下的承温能力1020℃(比Mar-M247的承温能力976℃高出44℃)。

镍基高温合金主要合金化元素成分，如表1所示。

具体制备方法

①根据前面步骤，确定基于第一代单晶合金Nasair 100的Nideal 4合金系列的原子成分为：Ni_70.6Al_11.8(Ti_0.58Ta_0.42)_2.9(Cr_0.72Mo_0.04W_0.24)_14.7，其中四类合金元素均与Nasair100一致，但是其相对含量换成理想的百分比。换算成质量百分比，形成新的Nideal 4合金系列的一种标准配方：Ni-5.29Al-1.34Ti-3.66Ta-9.14Cr-0.94Mo-10.78W。

②真空感应熔炼，制备出Nideal 4合金系列合金的母合金，测试实际成分并与名义成分进行比较，并控制实验误差。

③利用选晶法将Nideal 4合金系列的母合金制备成Nideal 4合金系列的单晶合金。利用DTA和金相法，测试合金的初熔点。根据合金的初熔点确定Nideal 4合金系列的热处理制度。其中固溶温度一般比初熔温度低5～10℃，同时确保炉膛温度准确。

④对镍基单晶高温合金Nideal 4合金系列进行热处理，并进行相关性能测试，根据测试结果再次调整成分和热处理工艺，并最终得到性能优异的镍基单晶高温合金，确定合金成分与热处理工艺的匹配。

Claims (2)

1.一种镍基单晶高温合金系列Nideal 4合金系列，其特征在于：Nideal 4合金系列包括类Ni元素、形成γ′析出相的元素、形成γ基体元素和Al元素，所述类Ni元素选用Ni、Co、Re、Ru、Ir、Fe、Pt、Pd、Os、Rh、Tc中的一种或几种，类Ni元素的原子百分比总量为70.6±1.5；所述形成γ′析出相的元素选用Ti、V、Nb、Ta、Zr、Hf中的一种或几种，形成γ′析出相的元素的原子百分比总量为2.9±0.1；所述形成γ基体元素选用Cr、Mo、W中的一种或几种，形成γ基体元素的原子百分比总量为14.7±0.2；所述Al元素的原子百分比总量为11.8±0.2；所述合金Nideal 4合金系列还包括其他微、少量元素，所述其他微、少量元素选用Mg、Si、C、B、La、Ce、Y、中的一种或几种，其他微、少量元素的原子百分比总量小于等于0.5。

2.根据权利要求1所述的一种镍基单晶高温合金Nideal 4合金系列的应用，其特征在于：合金Nideal4合金系列应用于航空发动机。