CN109371288A - 低铼、高强度抗热腐蚀的镍基单晶高温合金及其制造方法 - Google Patents

低铼、高强度抗热腐蚀的镍基单晶高温合金及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低铼、高强度抗热腐蚀镍基单晶高温合金及制造方法，组成合金的化学成分重量百分比为：Cr：9.0～12.0％，Co：8.0～11.0％，Mo：0.2～1.5％，W：4.5～7.0％，Al：3.5～5.5％，Ti：2.0～4.0％，Ta：4.5～6.5％，Hf：0.1～0.3％，Re：1.2～2.0％，余量为Ni。高温持久性能优于PWA1483合金，Re元素较低，具有良好的抗热腐蚀性能。与目前已有的镍基单晶高温合金对比，本合金成分中Cr元素含量较高，具有较强的抗热腐蚀性能；合金具有良好的高温持久性能，高温性能优于PWA1483，982℃/100MPa蠕变时间≥5000h。

Description

低铼、高强度抗热腐蚀的镍基单晶高温合金及其制造方法
技术领域
本发明属于镍基单晶高温合金制造技术领域，具体涉及一种低铼、高强度抗热腐蚀的镍基单晶高温合金及其制造方法，主要适用于制备在承受高温、高压、高载荷及高腐蚀工况下的热端零部件，如重型燃气轮机高温叶片。
背景技术
目前，随着工业的发展，舰船动力燃机、地面工业燃气轮机以及适合海洋条件下的航空发动机具有巨大的市场空间，但是这些环境具有较强的腐蚀性，因此对燃气轮机和航空发动机的强度和抗腐蚀性能有较高的要求，需要具有高强度和抗腐蚀性能较强的材料作为支撑，才能推动重型燃机和航空发动机的发展。
目前镍基单晶高温合金已经发展到第五代，但是，这些镍基单晶高温合金主要适用于航空发动机涡轮叶片的制备。由于重型燃机用高温合金的长时稳定性、持久性能、蠕变与疲劳的交互作用和抗腐蚀性能比航空发动机用高温合金更加重要，因此航空发动机用高温合金不能简单的应用于重型燃机透平叶片，我国应用在重型燃气轮机用镍基单晶高温合金尚处于空白阶段，因此研发适用于重型燃机用镍基单晶高温合金意义重大。
由于Re元素在镍基单晶高温合金中起到重要的强化作用，因此随着Re元素含量的提高，镍基高温合金的耐热温度也随着提高。目前第三代镍基高温合金中的Re元素含量已提高到了6％。但是，Re元素为稀有元素，而且提高Re 元素含量会导致合金成本提高、密度增大、容易析出TCP相等缺陷，因此研发一种低铼、抗热腐蚀性能的镍基单晶高温合金是很有必要和急需的。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种低铼、高强度、抗热腐蚀的镍基单晶高温合金及其制造方法，该合金的持久性能和抗热腐蚀性能优于PWA1483合金，而且 Re元素含量低于3％，有效降低了制造成本。
本发明的技术方案是这样实现的：一种低铼、高强度抗热腐蚀镍基单晶高温合金，组成合金的化学成分重量百分比为：Cr：9.0～12.0％，Co：8.0～11.0％， Mo：0.2～1.5％，W：4.5～7.0％，Al：3.5～5.5％，Ti：2.0～4.0％，Ta：4.5～6.5％， Hf：0.1～0.3％，Re：1.2～2.0％，余量为Ni。
本发明所述的低铼、高强度抗热腐蚀镍基单晶高温合金，组成合金的化学成分重量百分比为：Cr：9.5～10.5％，Co：9.0～10.0％，Mo：0.5～1.0％，W：5.2～5.8％， Al：4.3～4.7％，Ti：2.75～3.15％，Ta：5.3～5.7％，Hf：0.12～0.18％，Re： 1.3～1.7％，余量为Ni。
本发明所述的低铼、高强度抗热腐蚀镍基单晶高温合金，组成合金的化学成分重量百分比为：Cr：9.8％，Co：9.6％，Mo：0.7％，W：5.4％，Al：4.5％， Ti：2.93％，Ta：5.5％，Hf：0.15％，Re：1.4％，余量为Ni。
本发明所述的低铼、高强度抗热腐蚀镍基单晶高温合金，组成合金的化学成分重量百分比为：Cr：9.6％，Co：10.0％，Mo：0.6％，W：5.8％，Al：4.5％， Ti：3.15％，Ta：5.5％，Hf：0.14％，Re：1.5％，余量为Ni。
本发明所述的低铼、高强度抗热腐蚀镍基单晶高温合金，组成合金的化学成分重量百分比为：Cr：10.5％，Co：9.5％，Mo：1.0％，W：5.62％，Al：4.4％， Ti：2.75％，Ta：5.7％，Hf：0.3％，Re：1.7％，余量为Ni。
本发明所述的低铼、高强度抗热腐蚀镍基单晶高温合金，Al和Ti的重量百分比≥6.5％。
一种低铼、高强度抗热腐蚀的镍基单晶高温合金的制造方法，所述方法包括以下步骤：
a.母合金熔炼：采用高纯金属组元在真空度小于1×10-3Pa的条件下熔炼合金；
b.镍基单晶合金制备：将定向凝固炉的真空降至1×10-3Pa，通过电磁感应加热合金，将合金熔炼温度保持在1550℃下保温10～30min，浇注到制备好的单晶试棒模壳内，按照1～20mm/min的速率抽拉，制备单晶试棒；
c.对单晶试棒进行热处理：固溶温度控制：顺序的加热到1255℃保持2h，继续加热到1265℃保持4h，然后加热到1270保持2h；
降温到1120℃保持4h进行稳定化处理；
最后降温到890℃保持16h进行时效处理。
本发明所述的低铼、高强度抗热腐蚀镍基单晶高温合金的制造方法，采用水冷铜坩埚进行真空感应熔炼，且母合金熔炼过程中避免受到其它元素污染。
本发明的有益效果为：提供了一种低铼、高强度、抗热腐蚀镍基单晶高温合金及其制造方法，该合金的高温持久性能优于PWA1483合金，Re元素较低，具有良好的抗热腐蚀性能。
与目前已有的镍基单晶高温合金对比，本合金成分中Cr元素含量较高，具有较强的抗热腐蚀性能；同时，Al、Ti和W元素等合理设计，使合金具有良好的高温持久性能，本发明合金的高温性能优于PWA1483，982℃/100MPa蠕变时间≥5000h。
由于设计的合金成分中Re等贵金属含量较低，在降低合金成本的同时，该合金的密度也低于PWA1483、Rene N5等合金，且保证材料高强度、抗热腐蚀性能。同时本发明的合金热处理工艺，减少了残余共晶和元素偏析，提高了合金的力学性能。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在进行低铼、高强度抗热腐蚀镍基单晶高温合金的制造时，主要包括以下步骤：
合金成分设计：在设计镍基单晶高温高温合金成分时，主要参考以下原则。
a、电子空位数≤2.38(配合Mdt控制合金的TCP相析出量)；
b、Mdt≤0.998(配合电子空位数控制合金的TCP相析出量)；
c、Al+Ti总量≥6.5％(保证一定的强化相析出量，保证合金强度)；
通过以上原则筛选出一些符合条件的合金成分。对于筛选出的合金成分，采用Jmat-Pro选出在982℃/100Mpa条件下，蠕变时间≥5000h的优化合金成分。本发明的主要元素含量为：Cr：9.0～12.0％，Co：8.0～11.0％，Mo：0.2～1.5％， W：4.5～7.0％，Al：3.5～5.5％，Ti：2.0～4.0％，Ta：4.5～6.5％，Hf：0.1～0.3％， Re：1.2～2.0％，其余为Ni；优化镍基单晶高温合金的最佳成分为：Cr：9.5～10.5％， Co：9.0～10.0％，Mo：0.5～1.0％，W：5.2～5.8％，Al：4.3～4.7％，Ti：2.75～3.15％， Ta：5.3～5.7％，Hf：0.12～0.18％，Re：1.3～1.7％，其余为Ni。
母合金熔炼：采用高纯金属组元在高真空条件下冶炼合金，熔炼过程中避免合金受到其它元素污染。
镍基单晶合金制备：本发明单晶合金试样采用选晶法或籽晶法通过 Bridgeman定向凝固制备，具体制备方法如下：将定向凝固炉的真空降至1×10-3Pa，通过电磁感应加热合金，将合金熔炼温度保持在1550℃下保温 10～30min，浇注到制备好的单晶试棒模壳内，按照1～20mm/min的速率抽拉，制备单晶试棒。
镍基单晶高温合金热处理：该合金的具体热处理工艺为：固溶，1255℃/2h →1265℃/4h→1270/2h，稳定化处理，1120℃/4h，时效：890℃/16h。
实施例1：
设计合金的化学成分重量百分比为：Cr：9.8％，Co：9.6％，Mo：0.7％，W： 5.4％，Al：4.5％，Ti：2.93％，Ta：5.5％，Hf：0.15％，Re：1.4％，余量为 Ni。
母合金熔炼：采用高纯金属组元在真空度小于1×10-3Pa的条件下熔炼合金。
镍基单晶合金制备：将定向凝固炉的真空降至1×10-3Pa，通过电磁感应加热合金，将合金熔炼温度保持在1550℃下保温15min，浇注到制备好的单晶试棒模壳内，按照6mm/min的速率抽拉，制备单晶试棒。
对单晶试棒进行热处理：固溶温度控制：顺序的加热到1255℃保持2h，继续加热到1265℃保持4h，然后加热到1270保持2h；
降温到1120℃保持4h进行稳定化处理。
最后降温到890℃保持16h进行时效处理。并得到低铼、高强度、抗热腐蚀镍基单晶高温合金。
实施例2：
设计合金的化学成分重量百分比为：Cr：9.6％，Co：10.0％，Mo：0.6％，W： 5.8％，Al：4.5％，Ti：3.15％，Ta：5.5％，Hf：0.14％，Re：1.5％，余量为Ni。
a.母合金熔炼：采用高纯金属组元在真空度小于1×10-3Pa的条件下熔炼合金。
b.镍基单晶合金制备：将定向凝固炉的真空降至1×10-3Pa，通过电磁感应加热合金，将合金熔炼温度保持在1550℃下保温25min，浇注到制备好的单晶试棒模壳内，按照15mm/min的速率抽拉，制备单晶试棒。
c.对单晶试棒进行热处理：
固溶温度控制：顺序的加热到1255℃保持2h，继续加热到1265℃保持4h，然后加热到1270保持2h。
降温到1120℃保持4h进行稳定化处理。
最后降温到890℃保持16h进行时效处理。
实施例3：
设计合金的化学成分重量百分比为：Cr：10.5％，Co：9.5％，Mo：1.0％，W： 5.62％，Al：4.4％，Ti：2.75％，Ta：5.7％，Hf：0.3％，Re：1.7％，余量为Ni。
a.母合金熔炼：采用高纯金属组元在真空度小于1×10-3Pa的条件下熔炼合金。
b.镍基单晶合金制备：将定向凝固炉的真空降至1×10-3Pa，通过电磁感应加热合金，将合金熔炼温度保持在1550℃下保温30min，浇注到制备好的单晶试棒模壳内，按照20mm/min的速率抽拉，制备单晶试棒。
c.对单晶试棒进行热处理：固溶温度控制：顺序的加热到1255℃保持2h，继续加热到1265℃保持4h，然后加热到1270保持2h；降温到1120℃保持4h 进行稳定化处理；最后降温到890℃保持16h进行时效处理。
本发明合金的化学成分设计主要基于如下理由：
Re元素对合金中γ/γ′错配度影响较小，而W元素对合金中γ/γ′错配度影响较大。这也决定了Re元素的加入比W元素的加入更有利于提高合金的蠕变持久性能，但是其作用相并不是特别显著；就合金成本来看，以W代Re的成分设计方案更有利降低合金成本，而对合金的持久性能影响不大。本发明中Re 元素含量在1.2～2.0％，通过一定范围内以W代Re的设计方案，不仅保证合金的高温性能，而且大大降低了合金成本。
为提高合金的抗热腐蚀性能，合金成分中Cr元素含量较高，达到9～12％。增加Cr元素含量可以提高合金的抗热腐蚀性能，但是保证其他主要强化元素含量(Al、Ti、W、Ta等固溶强化)，Cr元素控制在9～12％区间较为合适，既提高了合金的抗热腐蚀性能，又增加了合金的固溶强化效果。
Co元素可以提高合金的相稳定性，而且可以使合金元素在热处理固溶阶段均匀化，减少合金元素偏析问题，充分发挥合金元素的作用，因此本发明将Co 元素含量控制在8～11％。
在高温强度方面，本发明设计的镍基单晶高温成分中显著特点是(Al+Ti) 元素含量较高，通过控制Al+Ti总量高于6.5％以使强度符合要求。同时，加入适量固溶强化元素Co、W增加合金的高温强度；另外，此Ta元素防止叶片在制备过程中形成雀斑，将Ta元素含量控制在4.5～6.5％，可以提升单晶叶片成型率，而且降低杂晶的生产倾向。
在对蠕变时间方面，按元素单位百分含量的影响算：W>Mo>Co，当这些强化元素的含量增加时，合金的蠕变时间均增加，其中W作用非常显著。由于W 元素为TCP相主要的形成元素，且W元素含量过高易产生雀斑等缺陷，所以W 元素在本发明中的重量比例为4.5～7.0％较为合理。
在合金设计时，Hf元素不仅可以提高合金的铸造性能，而且可以增加合金与涂层的结合性能，因此将Hf含量控制在0.1～0.3％以较为合理。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种低铼、高强度抗热腐蚀镍基单晶高温合金，其特征在于：组成合金的化学成分重量百分比为：Cr：9.0～12.0％，Co：8.0～11.0％，Mo：0.2～1.5％，W：4.5～7.0％，Al：3.5～5.5％，Ti：2.0～4.0％，Ta：4.5～6.5％，Hf：0.1～0.3％，Re：1.2～2.0％，余量为Ni。
2.根据权利要求1所述的低铼、高强度抗热腐蚀镍基单晶高温合金，其特征在于，组成合金的化学成分重量百分比为：Cr：9.5～10.5％，Co：9.0～10.0％，Mo：0.5～1.0％，W：5.2～5.8％，Al：4.3～4.7％，Ti：2.75～3.15％，Ta：5.3～5.7％，Hf：0.12～0.18％，Re：1.3～1.7％，余量为Ni。
3.根据权利要求1所述的低铼、高强度抗热腐蚀镍基单晶高温合金，其特征在于，组成合金的化学成分重量百分比为：Cr：9.8％，Co：9.6％，Mo：0.7％，W：5.4％，Al：4.5％，Ti：2.93％，Ta：5.5％，Hf：0.15％，Re：1.4％，余量为Ni。
4.根据权利要求1所述的低铼、高强度抗热腐蚀镍基单晶高温合金，其特征在于，组成合金的化学成分重量百分比为：Cr：9.6％，Co：10.0％，Mo：0.6％，W：5.8％，Al：4.5％，Ti：3.15％，Ta：5.5％，Hf：0.14％，Re：1.5％，余量为Ni。
5.根据权利要求1所述的低铼、高强度抗热腐蚀镍基单晶高温合金，其特征在于，组成合金的化学成分重量百分比为：Cr：10.5％，Co：9.5％，Mo：1.0％，W：5.62％，Al：4.4％，Ti：2.75％，Ta：5.7％，Hf：0.3％，Re：1.7％，余量为Ni。
6.根据权利要求1-5任一所述的低铼、高强度抗热腐蚀镍基单晶高温合金，其特征在于，Al和Ti的重量百分比≥6.5％。
7.根据权利要求6所述的低铼、高强度抗热腐蚀镍基单晶高温合金的制造方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
a.母合金熔炼：采用高纯金属组元在真空度小于1×10-3Pa的条件下熔炼合金；
b.镍基单晶合金制备：将定向凝固炉的真空度降至1×10-3Pa，通过电磁感应加热合金，将合金熔炼温度保持在1550℃保温10～30min，浇注到制备好的单晶试棒模壳内，按照1～20mm/min的速率抽拉，制备单晶试棒；
c.对单晶试棒进行热处理：
固溶温度控制：顺序的加热到1255℃保持2h，继续加热到1265℃保持4h，然后加热到1270保持2h；
降温到1120℃保持4h进行稳定化处理；
最后降温到890℃保持16h进行时效处理。
8.根据权利要求7所述的低铼、高强度抗热腐蚀镍基单晶高温合金的制造方法，其特征在于：采用水冷铜坩埚进行真空感应熔炼，且母合金熔炼过程中避免受到其它元素污染。
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