CN108715952A

CN108715952A - 一类镍基单晶高温合金Nideal 3

Info

Publication number: CN108715952A
Application number: CN201810547719.5A
Authority: CN
Inventors: 张宇; 马启慧; 陈晨; 王清; 董红刚; 董闯
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2018-05-31
Filing date: 2018-05-31
Publication date: 2018-10-30

Abstract

一类镍基单晶高温合金Nideal 3，属于高温合金技术领域。该类合金命名为Nideal 3，合金成分(质量分数)为Co：7.86 wt%、Al：5.75 wt%、Cr：5.54 wt%、W：4.9 wt%、Ta：4.82 wt%、Mo：2.56 wt%、Ti：1.28 wt%；还选用了总原子质量分数控制在0.5 wt%以内的稀有元素。Nideal 3合金具有长持久寿命，并且属于廉价高温合金。

Description

一类镍基单晶高温合金Nideal 3

技术领域

本发明涉及一类镍基单晶高温合金的成分，属于高温合金技术领域。

背景技术

高温合金主要是指以镍、钴和为铁基，能在600 °C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 °C)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 °C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。随着高温性能的提高，合金的变形也变得困难。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。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TMD-5和TMD-K35。定向凝固柱晶高温合金的晶界方向与应力方向平行，因此提高和镍基高温合金的性能。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。第一代单晶高温合金以TMS-12和TMS-6为代表，为廉价合金。第二代单晶合金在第一代单晶合金的基础上，加入3wt%的Re元素，如TMS-145，承温能力提高了大约30 °C。同时，第三代单晶合金(TMS-75和TMS-80)加入6wt%的Re，性能进一步提高。但为了抑制TCP的析出，第四代单晶合金开始，加入Ru，如TMS-138(第四代单晶)，TMS-196(第五代单晶)和TMS-238(第六代单晶)，同样高温性能也得到提高。但高代次单晶合金，成本较高。为了控制成本，本发明研发出一种性能优异的廉价高温合金。

发明内容

本发明是一种第一代镍基单晶高温合金的合金成分，属于廉价高温合金，命名为Nideal 3合金。

本发明采用的技术方案是：一种廉价镍基单晶高温合金的合金成分，属于高温合金技术领域。该类合金命名为Nideal 3。合金成分(质量分数)为Co：7.86 wt%、Al：5.75wt%、Cr：5.54 wt%、W：4.9 wt%、Ta：4.82 wt%、Mo：2.56 wt%、Ti：1.28 wt%。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，其总原子质量分数控制在0.5 wt%以内。 Nideal 3合金，具有长持久寿命，并且属于廉价高温合金。

本发明的有益效果是：一种廉价镍基单晶高温合金的合金，命名为Nideal 3。合金成分(质量分数)为Co：7.86 wt%、Al：5.75 wt%、Cr：5.54 wt%、W：4.9 wt%、Ta：4.82 wt%、Mo：2.56 wt%、Ti：1.28 wt%。还包括Mg、Si、C、B以及La、Ce、Y稀土中的一种或几种，其总原子质量分数控制在0.5 wt%以内。该类合金具有长持久寿命，Nideal 3单晶样品进行1000 °C/219 MPa的持久测试，持久寿命为50.9小时。与现有第一代镍的单晶高温合金DD407和DD408进行对比，结果发现，DD407的1000 °C/219 MPa的持久寿命为46小时，而DD408的1000 °C/208 MPa的持久寿命为50小时，因此，Nideal 3单晶合金的的持久强度高于DD407和DD408。并且该合金属于廉价高温合金。

Nideal 3合金与之前的合金(Nideal合金、Nideal 2合金和Nideal 4合金)相比，成分完全不同。首先，与Nideal合金和Nideal 2合金相比，Nideal 3没有Re元素和Ru元素，成本上占有优势。其次，Nideal 3合金的Ni与Co的原子百分比总和为75 at.%，高于Nideal4合金的含量 70.6 at.%，并且其他元素含量也与Nideal4不同。最后，Nideal 3的合金配比跟更合理。

具体实施方式

以下实施例将对本发明予以进一步说明。

根据成分要求，熔炼出母合金，成分为：Co：7.86 wt%、Al：5.75 wt%、Cr：5.54wt%、W：4.9 wt%、Ta：4.82 wt%、Mo：2.56 wt%、Ti：1.28 wt%。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，其总原子质量分数控制在0.5 wt%以内。

将母合金制备出单晶合金，属于第一代镍基单晶高温合金，然后进行标准热处理。

对标准热处理之后的Nideal 3单晶合金进行1000 °C/219 MPa的持久测试，并与第一代单晶合金DD407和DD408合金进行对比。结果发现，Nideal 3单晶合金1000 °C/219MPa的持久寿命为50.9小时，而DD407的1000 °C/219 MPa的持久寿命为46小时，而DD408的1000 °C/208 MPa的持久寿命为50小时。DD407和DD408属于成熟合金，都是第一代镍基单晶高温合金。而Nideal 3单晶合金的持久强度高于DD407和DD408。

实施例1

根据成分要求，熔炼出母合金，成分为：Co：7.86 wt%、Al：5.75 wt %、Cr：5.54 wt%、W：4.9 wt%、Ta：4.82 wt %、Mo：2.56 wt %、Ti：1.28 wt %。对于Mg、Si、C、B以及La、Ce、Y等稀土元素暂时没有添加。

真空感应熔炼，制备出Nideal 3合金的母合金，并控制实验误差。实际测试成分为：Co：7.80 wt%、Al：5.39 wt%、Cr：5.43 wt%、W：4.92 wt%、Ta：4.71 wt%、Mo：2.65 wt%、Ti：1.17 wt%。

利用选晶法将Nideal 3母合金制备成Nideal 3单晶合金。利用金相法，测试出Nideal 3单晶合金的初熔温度为1330 °C，因此Nideal 3的固溶温度确定为1315 °C。(初熔温度降低15 °C作为固溶温度)

对镍基单晶高温合金Nideal 3合金进行标准热处理，标准热处理工艺为1310 °C/2h+1315 °C/4h(空冷)+1150 °C/4h(空冷)+870 °C/24h(空冷)。

对标准热处理之后的Nideal3单晶样品进行1000 °C/219 MPa的持久测试，持久寿命为50.9小时。与现有第一代镍的单晶高温合金DD407和DD408进行对比，结果发现，DD407的1000 °C/219 MPa的持久寿命为46小时，而DD408的1000 °C/208 MPa的持久寿命为50小时。因此，Nideal 3单晶合金的的持久强度高于DD407和DD408。

其中，根据原子比例分析， Nideal3的名义成分(分析镍基高温合金，统一用名义成分，就是设计合金的成分)为(Ni,Co)₇₅Al_12.5(Cr,Mo,W)_9.375(Ti,Ta)_3.125at.%，与DD407(成分为(Ni,Co,Fe)_71.9Al_12.7(Cr,Mo,W)_11.8(Ti,Ta,Nb)_3.6at.%)相比，Nideal3去除了Nb和Fe元素，同时降低了(Cr,Mo,W)元素的含量，成分更加合理。因此，在1000 °C/219 MPa持久测试中，Nideal 3 (50.9小时)的持久寿命高于DD407的持久寿命(46小时)。此外，与DD408 (成分为(Ni,Co)_67.4Al_8.3(Cr, W)_19.4(Ti,Ta)₅at.%)相比，Nideal 3提高了Al含量，并增加了Mo元素，促进了强化相的析出，因此Nideal 3的持久性能(1000 °C/219 MPa/50.9小时)高于DD408的持久性能(1000 °C/208 MPa/50小时)。

Claims

1.一类镍基单晶高温合金Nideal 3，其特征在于：以质量分数计该合金成分为Co：7.86wt%、Al：5.75 wt%、Cr：5.54 wt%、W：4.9 wt%、Ta：4.82 wt%、Mo：2.56 wt%、Ti：1.28 wt%，稀有元素：小于等于0.5 wt%；所述稀有元素为Mg、Si、C、B、La、Ce、Y中的一种或几种。