CN109554579A - 一种镍基合金、其制备方法与制造物品 - Google Patents

一种镍基合金、其制备方法与制造物品 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种镍基合金、其制备方法与制造物品，镍基合金由以下元素组成：5.25wt％～6.2wt％的铝；5.0wt％～7.0wt％的铬；5.0wt％～7.0wt％的钴；0.5wt％～2.5wt％的钼；7.0wt％～9.0wt％的钨；0.0wt％～1.0wt％的钛；7.0wt％～9.0wt％的钽；0.0wt％～0.25wt％的铪；0.0wt％～0.05wt％的碳；0.0wt％～0.01wt％的硼；余量的镍。本申请通过添加上述元素并调整上述元素的含量，使得到的镍基合金在合金密度、合金成本、组织稳定性、高温强度等方面实现了很好的平衡，具有优异的综合性能。

Description

一种镍基合金、其制备方法与制造物品
技术领域
本发明涉及镍基合金技术领域，尤其涉及一种镍基合金、其制备方法与制造物品。
背景技术
高温合金是为高温环境服役(650℃以上)发展起来的一类合金；该类合金通常以Fe、Co或Ni元素为基体，还添加有大量主合金元素Cr、Al、Ti、Ta、Nb、Mo、W或Re等以及微量元素C、B、Zr或Hf等。高温合金主要应用在燃气涡轮发动机(包括航空涡轮发动机和地面燃气涡轮发动机)、火箭推进器和核反应堆等的热端部件。相比铁基(铁镍基)高温合金和钴基高温合金，镍基高温合金本身具有较良好的抗氧化性，并且具有兼顾强度和韧性的面心立方晶体结构，以及更高的相稳定性等，因此在发动机热端部件上的应用更为广泛。
从微观组织上看，镍基高温合金主要由连续的γ基体相和离散的γ′沉淀相构成；γ相和γ′相均为面心立方结构，相界面完全共格，但晶格常数存在微小的差异，存在晶格错配度。当镍基高温合金的成分设计不合理时，合金在高温长时服役条件下容易析出富含Cr、Mo、W或Re元素的拓扑密排相(TCP相)，例如σ相、μ相和P相等。TCP相本身较脆，并且抽取了大量固溶强化元素，因此会大幅度降低合金的高温强度。在设计设计时应当避免TCP相的出现。
高温合金的发展与燃气涡轮发动机的发展密不可分。燃气涡轮发动机属于热机的一种，提高燃气的温度有利于增加燃气涡轮发动机的整体性能，例如增加燃烧效率，从而增加推重比，减少二氧化碳的排放量。因此先进燃气涡轮发动机的发展要求不断提高燃烧室、高压导向叶片和高压涡轮叶片等热端部件的服役温度，促进了高温合金的不断发展。
涡轮叶片在服役时受燃气的推动而围绕涡轮轴高速旋转，由于自身重量的原因将在叶片上产生显著的离心应力，因此首先要求叶片材料在高温下能够长时间承受应力的作用，即具有良好的高温抗蠕变性能。其次，燃气中残留氧气的存在要求叶片材料具有良好的高温抗氧化性；长时间的高温作用要求叶片材料具有良好的组织稳定性，即不会析出降低高温强度的脆性TCP相。此外，叶片材料重要的物理和力学性能还包括密度、抗热腐蚀性能、抗疲劳性能等。
从微观结构上看，通过变形或传统铸造方式制造的高温合金由不同晶体取向的晶粒构成，晶粒之间存在晶界。相比晶粒内部，晶界实际上属于一种晶体面缺陷，其原子的错排非常严重，具有较高密度的空位和位错。在高温热激活的作用下，晶界容易发生明显的软化，其结合强度显著低于晶粒内部。因此在高温下受到载荷时，垂直于载荷方向的晶界(横向晶界)更容易成为裂纹起源或裂纹扩展通道，导致材料的高温强度显著降低。
通过定向凝固工艺消除横向晶界后，镍基高温合金的高温强度可以得到显著提高，由此发展出了定向凝固高温合金；进一步通过单晶工艺完全消除晶界后，又发展出了单晶高温合金。由于不存在晶界，单晶高温合金大幅度减少了晶界强化元素C、B、Zr和Hf等的加入。限制这些元素的含量后，合金的熔点得到了大幅度提高，因而可以采用更高温度的固溶热处理完全消除凝固时形成的铸态组织，得到细小均匀的沉淀相分布，从而再次提高合金的高温强度。
在单晶工艺的基础上，人们发现加入Re元素可以显著提高合金的高温蠕变抗性，这主要归因于Re元素显著降低了高温下的元素扩散，抑制了沉淀相的粗化。现今用于制造高压涡轮叶片的镍基单晶高温合金普遍含有Re元素。按照含Re量的不同，镍基单晶高温合金通常分为第1代(不含Re)、第2代(约3wt％Re)、第3代(约6wt％Re)和第4代(约4wt％Re和4wt％Ru)合金。然而，Re是一种极其稀有的金属元素，并且价格极为高昂，这导致含Re合金的制造成本大幅度上升，并且面临Re元素供应链中断的风险。因此，现今镍基单晶高温合金的发展必须注重减少合金中Re的含量，甚至不加Re。
然而，已有的镍基单晶高温合金AM3、CMSX-2和René N4等虽然不含Re，但其高温蠕变强度显著低于含3wt％Re的CMSX-4和René N5合金。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供一种镍基合金，本申请提供的镍基合金可在合金密度、合金成本、组织稳定性、高温强度等方面实现很好的平衡，具有优异的综合性能。
有鉴于此，本申请提供了一种镍基合金，由以下元素组成：
5.25wt％～6.2wt％的铝；
5.0wt％～7.0wt％的铬；
5.0wt％～7.0wt％的钴；
0.5wt％～2.5wt％的钼；
7.0wt％～9.0wt％的钨；
0.0wt％～1.0wt％的钛；
7.0wt％～9.0wt％的钽；
0.0wt％～0.25wt％的铪；
0.0wt％～0.05wt％的碳；
0.0wt％～0.01wt％的硼；
余量的镍。
优选的，所述铝的含量为5.6wt％～5.9wt％。
优选的，所述铬的含量为5.8wt％～6.2wt％。
优选的，所述钴的含量为5.9wt％～6.5wt％。
优选的，所述钼的含量为1.4wt％～1.6wt％。
优选的，所述钨的含量为7.8wt％～8.2wt％。
优选的，所述钛的含量为0.4wt％～0.6wt％。
优选的，所述钽的含量为7.7wt％～8.3wt％。
优选的，由以下元素组成：5.65wt％的铝，6.1wt％的铬，6wt％的钴，1.5wt％的钼，8wt％的钨，0.6wt％的钛，8.2wt％的钽与余量的镍。
优选的，由以下元素组成：5.75wt％的铝，6.1wt％的铬，6.2wt％的钴，1.6wt％的钼，8wt％的钨，0.4wt％的钛，8.2wt％的钽与余量的镍。
优选的，由以下元素组成：5.76wt％的铝，5.9wt％的铬，6.2wt％的钴，1.5wt％的钼，8.0wt％的钨，0.6wt％的钛，8.0wt％的钽，0.1wt％的铪，0.03wt％的碳，0.003wt％的硼与余量的镍。
本申请还提供了所述的镍基合金的制备方法，包括以下步骤：
A)按照成分配比制备镍基母合金铸锭；
B)将所述镍基母合金铸锭重熔，再制备镍基合金铸件；
C)将所述镍基合金铸件进行热处理，得到镍基合金。
优选的，所述镍基合金铸件包括使用熔模铸造法制备的等轴晶铸件、基于布里奇曼法定向凝固制备的柱状晶铸件或基于布里奇曼法定向凝固制备的单晶铸件。
优选的，所述热处理具体为：
将所述镍基合金铸件在1280～1340℃进行2～12h的固溶处理，随后进行空冷；再在1050～1150℃进行2～8h的高温时效处理，随后进行空冷；然后在850～950℃进行12～20h的低温时效处理，随后进行空冷。
本申请还提供了一种应用于燃气涡轮发动机的制造物品，由上述方案所述的镍基合金制备而成。
优选的，所述制造物品为燃气涡轮发动机涡轮叶片。
本申请提供了一种镍基合金，其由以下元素组成：5.25wt％～6.2wt％的铝；5.0wt％～7.0wt％的铬；5.0wt％～7.0wt％的钴；0.5wt％～2.5wt％的钼；7.0wt％～9.0wt％的钨；0.0wt％～1.0wt％的钛；7.0wt％～9.0wt％的钽；0.0wt％～0.25wt％的铪；0.0wt％～0.05wt％的碳；0.0wt％～0.01wt％的硼；余量的镍。在本申请的镍基合金中，上述含量的Al可促使合金中析出大约55～70％体积分数的γ′-Ni3Al沉淀相，同时保证高温下合金表面生成Al2O3膜的连续性；适当含量的Cr可为合金提供良好的抗氧化和抗热腐蚀性能，同时避免TCP相的析出，且有利于其它强固溶强化元素的加入，有利于提高合金的高温强度；Co在镍中可以形成连续的置换固溶体，降低γ基体相的层错能，并一定程度上提高合金的固相线温度和γ′相的溶解温度；由此本申请提供的镍基合金通过提高难熔元素Mo、W和Ta的总含量，添加多种合金元素并控制其含量，而使镍基合金在不含Re的情况下，在合金密度、合金成本、组织稳定性以及高温强度等方面实现很好的平衡，具有优异的综合性能。
附图说明
图1为本发明提供的镍基合金的制备流程图；
图2为本发明实施例提供的镍基合金与现有技术中合金的成本对比柱形图；
图3为本发明实施例提供的镍基合金与现有技术中合金的密度对比柱形图；
图4为本发明实施例提供的镍基合金与现有技术中合金的平均电子空位数Nv对比柱形图；
图5为本发明实施例提供的镍基合金与现有技术中合金的平均d轨道能级Md对比柱形图；
图6为本发明实施例提供的镍基合金与现有技术中合金的热力学参数与结构参数对比柱形图；
图7为本发明实施例7制备的镍基合金的微观金相照片。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
针对现有技术中镍基合金中不含Re，但高温蠕变强度不高的问题，本发明提供了一种镍基合金，该种镍基合金通过平衡合金元素的强化作用发展了一种不含Re，但高温强度特别是高温蠕变强度接近含Re元素的镍基单晶高温合金，同时兼顾了其他重要性能，比如具有良好的相稳定性和抗氧化性能等。具体的，本申请所述镍基高温合金，由以下元素组成：
5.25wt％～6.2wt％的铝；
5.0wt％～7.0wt％的铬；
5.0wt％～7.0wt％的钴；
0.5wt％～2.5wt％的钼；
7.0wt％～9.0wt％的钨；
0.0wt％～1.0wt％的钛；
7.0wt％～9.0wt％的钽；
0.0wt％～0.25wt％的铪；
0.0wt％～0.05wt％的碳；
0.0wt％～0.01wt％的硼；
余量的镍。
在本申请的镍基合金中，铝(Al)是形成γ′相的主要元素，为合金带来显著的沉淀强化效果。此外，Al元素在高温下容易在合金表面生成致密的Al2O3薄膜，阻碍氧元素向合金内部的扩散，从而能提高合金的抗氧化性。本申请所述的铝含量为5.25wt％～6.2wt％，该含量范围内的铝可促使合金中析出大约55～70％体积分数的γ′-Ni3Al沉淀相，同时保证高温下合金表面生成Al2O3膜的连续性。在某些具体实施例中，所述铝的含量为5.3wt％～5.9wt％；在某些具体实施例中，所述铝的含量为5.6wt％～5.9wt％。
铬(Cr)主要偏析在γ基体相中，起少量的固溶强化作用；Cr本身具有较高的抗氧化性和抗热腐蚀性能，其存在亦可促进高温下Al2O3膜的形成，提高合金的抗氧化性；但过高的Cr含量导致合金中容易析出TCP相，且限制了强固溶强化元素Re、W和Mo等的加入，不利于合金的高温强度。经调整，本申请所述铬的含量为5.0wt％～7.0wt％；在某些具体实施例中，所述铬的含量为5.0wt％～6.5wt％；在某些具体实施例中，所述铬的含量为5.8wt％～6.2wt％。
钴(Co)在镍中可以形成连续的置换固溶体，降低γ基体相的层错能，并一定程度上提高合金的固相线温度和γ′相的溶解温度；但Co相对Ni的资源较少，且价格较高，过量的Co也容易导致TCP相的形成。经调整，本申请所述钴的含量为5.0wt％～7.0wt％；在某些具体实施例中，所述钴的含量5.5wt％～6.8wt％；在某些具体实施例中，所述钴的含量为5.9wt％～6.5wt％。
钼(Mo)主要偏析在γ基体相中，起显著的固溶强化作用，提高合金的高温强度。此外，Mo相对W的密度较低，可缓解难熔元素加入对合金密度的不利影响。但Mo本身抗氧化性能和抗热腐蚀性均较差，并且过高的Mo含量容易促进TCP相的析出。经调整，本申请所述钼的含量为0.5wt％～2.5wt％；在某些具体实施例中，所述钼的含量为1.0wt％～2.0wt％；在某些具体实施例中，所述钼的含量为1.4wt％～1.6wt％。
钨(W)的强化行为与Mo十分相似，也主要偏析在γ基体相中，但W相对Mo具有更低的扩散速率，能有效地减小γ′相的粗化速率，增加蠕变寿命。在Re不存在的条件下，W是最主要的固溶强化元素，可部分替代Re的强化作用，但过高的W同样会造成合金容易析出TCP相。经调整，本申请所述钨的含量为7.0wt％～9.0wt％；在某些具体实施例中，所述钨的含量为7.2wt％～8.8wt％；在某些具体实施例中，所述钨的含量为7.8wt％～8.2wt％。
钛(Ti)主要偏析在γ′相中，能替代Al的位置形成更多的γ′相，起到沉淀强化作用。Ti相对Al可以更有效地提高γ′相的固溶温度以及γ′相的晶格常数，并且通过增加γ′相的反相畴界能而提供额外的强化效果。但是，过量的Ti对合金的铸造性能不利，并且造成Cr和Mo在γ相中的偏析程度增加，从而增加合金析出TCP相的风险。经调整，本申请所述钛的含量为0.0wt％～1.0wt％；在某些具体实施例中，所述钛的含量为0.2wt％～0.7wt％；在某些具体实施例中，所述钛的含量为0.4wt％～0.6wt％。
钽(Ta)在单晶高温合金中的作用与Ti相似，主要偏析在γ′相中，增加γ′相的体积分数，但相对Ti元素具有更高的高温强化效果，能明显提高合金的γ′相的固溶温度、固相线温度、拉伸强度和蠕变抗性。然而，相对其它合金元素，Ta本身是一种比较贵的金属，且密度较高，过高的Ta造成合金密度和成本的大幅增加。经调整，本申请所述钽的含量为7.0wt％～9.0wt％；在某些具体实施例中，所述钽的含量为7.2wt％～8.8wt％；在某些具体实施例中，所述钽的含量为7.7wt％～8.3wt％。
铪(Hf)在单晶高温合金中以微量元素的形式存在。微量的Hf可以有效地吸附合金中的有害杂质元素S，从而增加合金的强度和韧性，同时还可以增加涂层的粘附性，从而提高合金的环境抗性。但是，Hf能显著地降低合金的熔点，降低合金的热处理窗口。经调整，本申请所述铪的含量为0.0wt％～0.25wt％；在某些具体实施例中，所述铪的含量为0.05wt％～0.20wt％；在某些具体实施例中，所述铪的含量为0.08wt％～0.12wt％。
碳(C)、硼(B)元素在单晶高温合金中同样以微量元素的形式存在。它们倾向于偏析在合金的亚晶界处，并与Ti、Ta、Mo、W等合金元素形成碳化物或硼化物，强化亚晶界，从而降低合金的亚晶界开裂倾向；但C和B能显著降低合金的熔点。经调整，本申请所述碳的含量为0.0wt％～0.05wt％；硼含量为0.0wt％～0.01wt％。在某些具体实施例中，所述碳的含量为0.02wt％～0.04wt％；所述硼的含量为0.002wt％～0.004wt％。
在某些具体实施例中，所述镍基合金由以下元素组成：5.65wt％的铝，6.1wt％的铬，6.2wt％的钴，1.5wt％的钼，8wt％的钨，0.6wt％的钛，8.2wt％的钽与余量的镍。
在某些具体实施例中，所述镍基合金由以下元素组成：5.65wt％的铝，6.1wt％的铬，6wt％的钴，1.5wt％的钼，8wt％的钨，0.6wt％的钛，8.2wt％的钽与余量的镍。
在某些具体实施例中，所述镍基合金由以下元素组成：5.75wt％的铝，6.1wt％的铬，6.2wt％的钴，1.6wt％的钼，8wt％的钨，0.4wt％的钛，8.2wt％的钽与余量的镍。
在某些具体实施例中，所述镍基合金由以下元素组成：5.75wt％的铝，6.1wt％的铬，6wt％的钴，1.6wt％的钼，8wt％的钨，0.4wt％的钛，8.2wt％的钽与余量的镍。
在某些具体实施例中，所述镍基合金由以下元素组成：5.65wt％的铝，5.9wt％的铬，6.2wt％的钴，1.6wt％的钼，8wt％的钨，0.6wt％的钛，8wt％的钽与余量的镍。
在某些具体实施例中，所述镍基合金由以下元素组成：5.65wt％的铝，5.9wt％的铬，6wt％的钴，1.6wt％的钼，8wt％的钨，0.6wt％的钛，8wt％的钽与余量的镍。
在某些具体实施例中，所述镍基合金由以下元素组成：5.76wt％的铝，5.9wt％的铬，6.2wt％的钴，1.5wt％的钼，8.0wt％的钨，0.6wt％的钛，8.0wt％的钽，0.1wt％的铪，0.03wt％的碳，0.003wt％的硼与余量的镍。
本申请还提供了镍基合金的制备方法，包括以下步骤：
A)按照上述镍基合金的成分配比制备镍基母合金铸锭；
B)将所述镍基母合金铸锭重熔，再制备镍基合金铸件；
C)将所述镍基合金铸件进行热处理，得到镍基合金。
上述镍基合金的制备方法中，镍基母合金铸锭中的具体组成上述已进行了详细说明，此处不进行赘述。
在上述制备镍基合金的过程中，所述制备镍基母合金铸锭的方法按照本领域技术人员熟知的方法进行，示例的，本申请按照成分配比将原料放入真空熔炼炉中熔炼，以得到镍基母合金铸锭。
按照本发明，然后将镍基母合金铸锭进行重熔，所述重熔按照本领域熟知的方式进行即可，示例的，本申请在真空设备中进行镍基母合金铸锭的重熔；再制备镍基合金铸件，所述镍基合金铸件可根据需要通过定向凝固法制备成柱状晶铸件，也可通过螺旋选晶法或籽晶法制备成单晶铸件。
本申请最后将镍基合金铸件进行热处理，所述热处理按照镍基合金熟知的方式进行即可；在本申请中，所述热处理按照固溶处理-冷却-高温时效处理-冷却-低温时效处理-冷却的步骤依次进行，具体的，所述固溶处理的温度为1280～1340℃，时间为2～12h，所述高温时效处理的温度为1050～1150℃，时间为2～8h，所述低温时效处理的温度为850～950℃，时间为12～20h，所述冷却的方式为空冷或强制气淬。
在具体实施例中，所述镍基合金通过真空感应熔炼+定向凝固工艺制备成型的，所述方法制备流程图如图1所示，具体为(1)通过真空感应熔炼制备上述成分的合金材料，得到成分精确控制的母合金铸锭；(2)将铸锭材料重熔，通过定向凝固工艺制备成单晶铸件或定向铸件；(3)通过机加工获得尺寸合适的铸件；(4)通过热处理消除合金中的铸态组织，获得最优的微观组织。
根据本发明的实施方案，本申请所述镍基合金的形成方式为制造物品，所述物品可应用于燃气涡轮发动机，更具体的可应用于燃气涡轮发动机涡轮叶片，其由包括以下元素的合金制备得到：5.25wt％～6.2wt％的铝；5.0wt％～7.0wt％的铬；5.0wt％～7.0wt％的钴；0.5wt％～2.5wt％的钼；7.0wt％～9.0wt％的钨；0.0wt％～1.5wt％的钛；7.0wt％～9.0wt％的钽；0.0wt％～0.25wt％的铪；0.0wt％～0.05wt％的碳；0.0wt％～0.01wt％的硼；余量的镍。
在某些具体实施例中，所述制造物品由包含以下元素的合金制备得到：5.65wt％的铝，6.1wt％的铬，6.2wt％的钴，1.5wt％的钼，8wt％的钨，0.6wt％的钛，8.2wt％的钽与余量的镍。
在某些具体实施例中，所述制造物品由包含以下元素的合金制备得到：5.65wt％的铝，6.1wt％的铬，6wt％的钴，1.5wt％的钼，8wt％的钨，0.6wt％的钛，8.2wt％的钽与余量的镍。
在某些具体实施例中，所述制造物品由包含以下元素的合金制备得到：5.75wt％的铝，6.1wt％的铬，6.2wt％的钴，1.6wt％的钼，8wt％的钨，0.4wt％的钛，8.2wt％的钽与余量的镍。
在某些具体实施例中，所述制造物品由包含以下元素的合金制备得到：5.75wt％的铝，6.1wt％的铬，6wt％的钴，1.6wt％的钼，8wt％的钨，0.4wt％的钛，8.2wt％的钽与余量的镍。
在某些具体实施例中，所述制造物品由包含以下元素的合金制备得到：5.65wt％的铝，5.9wt％的铬，6.2wt％的钴，1.6wt％的钼，8wt％的钨，0.6wt％的钛，8wt％的钽与余量的镍。
在某些具体实施例中，所述制造物品由包含以下元素的合金制备得到：5.65wt％的铝，5.9wt％的铬，6wt％的钴，1.6wt％的钼，8wt％的钨，0.6wt％的钛，8wt％的钽与余量的镍。
在某些具体实施例中，所述制造物品由包含以下元素的合金制备得到：5.76wt％的铝，5.9wt％的铬，6.2wt％的钴，1.5wt％的钼，8.0wt％的钨，0.6wt％的钛，8.0wt％的钽，0.1wt％的铪，0.03wt％的碳，0.003wt％的硼与余量的镍。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的镍基合金进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例
本申请镍基高温合金在合金密度、合金成本、组织稳定性、高温强度等方面实现了很好的平衡，具有优异的综合性能。为了进一步说明本申请的效果，本申请列举了7个具体实施例，并将其中6种与5种现有合金进行了对比。7个实施例合金成分和5种现有合金成分如表1所示；在实施例中，所述镍基高温合金的制备方法具体为：
1)将按照表1所示成分配比的原料放入真空感应熔炼炉熔炼合金，制备成母合金铸锭；
2)在真空设备中将母合金铸锭重熔，然后在耐火材料形成的模壳中，通过定向凝固法制备成柱状晶铸件，或通过螺旋选晶法或籽晶法制备成单晶铸件；
3)将所述铸件在1280～1340℃进行2～12h的固溶处理，随后进行空冷；再在1050～1150℃进行2～8h的高温时效处理，随后进行空冷；然后在850～950℃进行12～20h的低温时效处理，随后进行空冷，最终得到组织均匀的镍基高温合金。
表1实施例与现有技术提供的镍基高温合金成分数据表(wt％)
1)合金成本相对含Re合金大幅度降低
按照合金的原材料成分配比，同时按照2017年12月各原材料的市场价格，计算了各合金的原材料成本。本申请镍基合金的6个实施例与5种现有合金的成本如图2所示。由图2可以看出，相对约含3wt％的CMSX-4和René N5合金，6个实施例的成本降低了近75％；相对不含Re的AM3、CMSX-2和René N4合金，6个实施例的成本略高，但大致在同一价格水平；由此说明本申请镍基合金的成本得到了很好的控制。
2)合金的密度控制在合理的范围
合金密度是决定转动件工作时受到离心应力大小的主要因素之一，因此是设计必须考虑的要素。图3为本申请合金的6个实施例与5种现有合金的计算密度的比较柱形图；由于采用大量的难熔元素W+Mo+Ta来替代Re的强化效果，本申请合金的密度相较不含Re的AM3、CMSX-2和René N4合金均较高，然而相对含Re的CMSX-4和René N5合金，密度增加幅度平均仅约为0.8％，说明合金的密度依然控制在合理的范围。
3)具有良好的组织稳定性
本申请合金在长期高温时效下具有良好的组织稳定性，不容易析出有害的TCP相。图4为按照PHACOMP方法，本申请合金的6个实施例与5种现有合金平均电子空位数Nv的比较柱形图；图5所示为按照New PHACOMP方法，本申请合金的6个实施例与5种现有合金平均d轨道能级Md的比较柱形图。由图4可以看出，本申请合金的Nv值明显低于现有合金AM3、RenéN4、CMSX-4和René N5的计算值，与合金CMSX-2相当；由图5可以看出，本申请合金的Md值与合金AM3相当，明显低于合金René N4，略高于合金CMSX-2、René N5和CMSX-4的计算值；由此综合说明，本申请的合金具有良好的组织稳定性。
4)具有优异的抗高温蠕变性能
本申请从4个方面来考虑合金的高温抗蠕变性能：(1)合金的相变温度；(2)合金的固溶强化程度；(3)合金的沉淀强化相数量；(4)合金的晶格错配度。
镍基高温合金的3个重要相变温度为：①γ′相固溶温度，即随温度升高，γ′相完全溶解到γ相中的临界温度；②固相线温度，即随温度升高，合金开始熔化的临界温度；③液相线温度，即随温度升高，合金完全熔化的临界温度。γ′相固溶温度越高，则高温下未溶解的γ′相越多，合金的高温沉淀强化效果越高；固相线、液相线温度越高，表明合金本身的耐温能力越高。图6(a)为本申请合金的6个实施例与5种现有合金的γ′相固溶温度、固相线温度和液相线温度计算值的对比柱形图，由图6(a)可以看出，本申请合金的6个实施例的γ′相固溶温度均明显高于5个现有合金；固相线、液相线温度温度与合金CMSX-2、CMSX-4和René N5相当，略高于合金AM3和René N4。
合金的固溶强化程度主要考察3个强固溶强化元素Re、W和Mo的作用。本申请采用一个固溶强化因子ISSS来评价合金的固溶强化程度；ISSS越高，表明合金的固溶强化程度越高。图6(b)为本申请合金的6个实施例与5种现有合金ISSS计算值的对比柱形图；由图6(b)可以看出，由于大量W和Mo的加入，6个实施例的ISSS明显高于合金CMSX-2、René N4和AM3的计算值，但由于不含Re，实施例的ISSS均低于合金CMSX-4、René N5的计算值。
合金的沉淀强化程度主要考察服役温度下合金中γ′相的分数，其值越高，说明合金沉淀强化的潜力越大。图6(c)为通过Thermo-Calc计算，本申请合金的6个实施例与5种现有合金分别在850℃、900℃、1050℃和1100℃下的γ′相摩尔分数对比柱形图；由图6(c)可以看出，在相同温度下，6个实施例的γ′相摩尔分数均不低于合金CMSX-2、AM3、René N4、CMSX-4和René N5的相应值。
与合金蠕变强度相关的另一个关键参数是γ/γ′相的晶格错配度。研究表明，晶格错配度为负，且绝对值越高时，有利于蠕变强度的增加，但过高的错配度将导致γ/γ′的两相共格结构失稳，反而丧失共格强化效果。图6(d)为本申请合金的6个实施例与5种现有合金晶格错配度计算值的对比柱形图，由图6(d)可以看出，本申请合金的晶格错配度为负，其绝对值与合金René N4和CMSX-4相当，高于合金CMSX-2，但低于合金AM3和René N5。
5)观察实施例7的微观组织与持久性能
如图7所示，图7为实施例7制备的镍基合金的微观组织照片，表2为实施例7制备的镍基合金的持久性能数据表；
表2实施例7制备的镍基合金的持久性能数据表
测试条件 持久寿命，h 延伸率，％ 断面收缩率，％
850℃/650MPa 132 25 26
982℃/248MPa 117 30 50
1040℃/145MPa 337 42 57
1040℃/145MPa 251 42 55
上述实施例制备得到的镍基合金形成的制造物品，具体应用于燃气涡轮发动机涡轮叶片，也具有上述镍基合金同样的性能。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (16)

1.一种镍基合金，由以下元素组成：
5.25wt％～6.2wt％的铝；
5.0wt％～7.0wt％的铬；
5.0wt％～7.0wt％的钴；
0.5wt％～2.5wt％的钼；
7.0wt％～9.0wt％的钨；
0.0wt％～1.0wt％的钛；
7.0wt％～9.0wt％的钽；
0.0wt％～0.25wt％的铪；
0.0wt％～0.05wt％的碳；
0.0wt％～0.01wt％的硼；
余量的镍。
2.根据权利要求1所述的镍基合金，其特征在于，所述铝的含量为5.6wt％～5.9wt％。
3.根据权利要求1所述的镍基合金，其特征在于，所述铬的含量为5.8wt％～6.2wt％。
4.根据权利要求1所述的镍基合金，其特征在于，所述钴的含量为5.9wt％～6.5wt％。
5.根据权利要求1所述的镍基合金，其特征在于，所述钼的含量为1.4wt％～1.6wt％。
6.根据权利要求1所述的镍基合金，其特征在于，所述钨的含量为7.8wt％～8.2wt％。
7.根据权利要求1所述的镍基合金，其特征在于，所述钛的含量为0.4wt％～0.6wt％。
8.根据权利要求1所述的镍基合金，其特征在于，所述钽的含量为7.7wt％～8.3wt％。
9.根据权利要求1所述的镍基合金，其特征在于，由以下元素组成：5.65wt％的铝，6.1wt％的铬，6wt％的钴，1.5wt％的钼，8wt％的钨，0.6wt％的钛，8.2wt％的钽与余量的镍。
10.根据权利要求1所述的镍基合金，其特征在于，由以下元素组成：5.75wt％的铝，6.1wt％的铬，6.2wt％的钴，1.6wt％的钼，8wt％的钨，0.4wt％的钛，8.2wt％的钽与余量的镍。
11.根据权利要求1所述的镍基合金，其特征在于，由以下元素组成：5.76wt％的铝，5.9wt％的铬，6.2wt％的钴，1.5wt％的钼，8.0wt％的钨，0.6wt％的钛，8.0wt％的钽，0.1wt％的铪，0.03wt％的碳，0.003wt％的硼与余量的镍。
12.权利要求1～11任一项所述的镍基合金的制备方法，包括以下步骤：
A)按照成分配比制备镍基母合金铸锭；
B)将所述镍基母合金铸锭重熔，再制备镍基合金铸件；
C)将所述镍基合金铸件进行热处理，得到镍基合金。
13.根据权利要求12所述的制备方法，其特征在于，所述镍基合金铸件包括使用熔模铸造法制备的等轴晶铸件、基于布里奇曼法定向凝固制备的柱状晶铸件或基于布里奇曼法定向凝固制备的单晶铸件。
14.根据权利要求12所述的制备方法，其特征在于，所述热处理具体为：
将所述镍基合金铸件在1280～1340℃进行2～12h的固溶处理，随后进行空冷；再在1050～1150℃进行2～8h的高温时效处理，随后进行空冷；然后在850～950℃进行12～20h的低温时效处理，随后进行空冷。
15.一种应用于燃气涡轮发动机的制造物品，由权利要求1～11任一项所述的镍基合金制备而成。
16.根据权利要求15所述的制造物品，其特征在于，所述制造物品为燃气涡轮发动机涡轮叶片。
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