CN109628799A - 单晶镍基高温合金及航空发动机涡轮部件 - Google Patents

单晶镍基高温合金及航空发动机涡轮部件 Download PDF

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张建庭
尧健
龙安平
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
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Abstract

本发明涉及高温合金技术领域，公开了一种单晶镍基高温合金及航空发动机涡轮部件。所述单晶镍基高温合金，按质量百分比组成包括：Cr：3‑4％；Co：5.5～6.5％；Mo：0.3‑0.5％；W：6‑7％；Ta：6.5‑7.5％；Hf：0.08‑0.12％；Al：5‑6％；Ru：4.7‑5.3％；Re：6.1‑6.7％；余量为Ni和不可避免的杂质。相比于典型的第五代单晶合金TMS173和TMS196，通过增加Co、W和Ta的含量，增强了高温合金的固溶能力、热强度和铸造性能；通过减少Mo的含量，增强了高温合金的热稳定性，减少TCP相的析出；通过将Cr的含量控制在TMS173和TMS196之间，实现了高温合金的抗氧化能力和热稳定性的平衡；通过控制杂质和微量元素的含量，减少了杂质及微量元素对于高温合金力学性能的影响。

Description

单晶镍基高温合金及航空发动机涡轮部件
技术领域
本发明涉及高温合金技术领域，尤其涉及一种用于航空发动机涡轮部件的单晶镍基高温合金。
背景技术
航空发动机高压涡轮叶片由于处于温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位而被列为航空发动机的第一关键部件。随着航空发动机涡轮进口温度的不断提高，对叶片材料的要求越来越苛刻。现役的F119航空发动机涡轮进口温度达1900～2050K，最新一代发动机的涡轮进口温度预计将达2100～2200K，对涡轮叶片材料的承温能力提出了更高的要求。
由于先进单晶高温合金中难熔元素的大量添加，导致合金过饱和度增大，在高温热暴露和蠕变过程中会析出大量TCP相，如σ相、μ相、P相等。由于TCP相的析出损失了基体内主要固溶强化元素和γ’析出强化元素，对合金高温力学性能造成影响。而且TCP相呈长针状或薄片状，往往是裂纹的发源地和裂纹快速扩展的通道，TCP相易沿晶界析出，使合金发生沿晶脆性断裂，强度降低。因此合金设计时抑制或减少TCP相的析出是较大的考量因素。从第四代单晶合金开始引入了新合金元素Ru，可以有效提高合金的组织稳定性和蠕变性能。现有典型的第五单晶合金TMS173和TMS196，TMS173由于较低的Cr含量，长期高温环境下其抗氧化及热腐蚀性能较弱，而TMS196适当增加了Cr以改善抗氧化能力，但容易出现针状TCP相的析出，导致现有第五代单晶合金的抗氧化能力、热稳定性、热强度和铸造性能不佳。
发明内容
鉴于此，本发明提供一种单晶镍基高温合金及航空发动机涡轮部件，解决现有单晶合金的抗氧化能力、热稳定性、热强度和铸造性能不佳的技术问题。
根据本发明的一个实施例，提供一种单晶镍基高温合金，按质量百分比组成包括：Cr：3-4％；Co：5.5～6.5％；Mo：0.3-0.5％；W：6-7％；Ta：6.5-7.5％；Hf：0.08-0.12％；Al：5-6％；Ru：4.7-5.3％；Re：6.1-6.7％；余量为Ni和不可避免的杂质。
优选的，所述Cr的质量百分比具体为3.3-3.8％。
优选的，所述Co的质量百分比具体为5.7-6.3％。
优选的，所述Mo的质量百分比具体为0.35-0.45％。
优选的，所述W的质量百分比具体为6.2-6.8％。
优选的，所述Ta的质量百分比具体为6.7-7.3％。
优选的，所述杂质的按质量百分比组成包括：O≤0.0010％；O≤N≤0.0010％；S≤0.0002％。
优选的，所述杂质的按质量百分比组成包括：痕量元素≤0.01％。
优选的，所述的单晶镍基高温合金按质量百分比组成具体为：Cr:3.5％；Co:6％；
Mo:0.4％；W:6.5％；Ta：7％；Hf：0.1％；Al：5.6％；Ru：5％；Re：6.4％。
根据本发明另一个实施例，还提供一种航空发动机涡轮部件，所述部件的材质为上述的单晶镍基高温合金。
本发明提供的单晶镍基高温合金及航空发动机涡轮部件，所述单晶镍基高温合金按质量百分比组成包括：Cr：3-4％；Co：5.5～6.5％；Mo：0.3-0.5％；W：6-7％；Ta：6.5-7.5％；Hf：0.08-0.12％；Al：5-6％；Ru：4.7-5.3％；Re：6.1-6.7％；余量为Ni和不可避免的杂质。本实施例的单晶镍基高温合金，相比于典型的第五代单晶合金TMS173和TMS196，通过增加Co、W和Ta的含量，增强了高温合金的固溶能力、热强度和铸造性能；通过减少Mo的含量，增强了高温合金的热稳定性，减少TCP相的析出；通过将Cr的含量控制在TMS173和TMS196之间，实现了高温合金的抗氧化能力和热稳定性的平衡；通过控制杂质和微量元素的含量，减少了杂质及微量元素对于高温合金力学性能的影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一个实施例中WZ50和五代单晶的γ’溶解温度对比的示意图。
图2为本发明一个实施例中WZ50和五代单晶的γ’体积分数对比的示意图。
图3为本发明一个实施例中WZ50和五代单晶的糊状区的示意图。
图4为本发明一个实施例中WZ50和五代单晶的热处理窗口的示意图。
图5为本发明一个实施例中WZ50和五代单晶的μ相析出最大值的示意图。
图6为本发明一个实施例中WZ50和五代单晶的P相析出最大值的示意图。
图7为本发明一个实施例中WZ50和五代单晶的μ相析出温度范围的示意图。
图8为本发明一个实施例中WZ50和五代单晶的P相析出温度范围的示意图。
图9为本发明一个实施例中WZ50单晶铸造试棒的示意图。
图10为本发明一个实施例中WZ50的单晶取向劳厄检测的示意图。
图11为本发明一个实施例中WZ50在1100℃/130MPa持久寿命实验数据的示意图。
图12为本发明一个实施例中WZ50在1100℃经700h热暴露的示意图。
图13为本发明一个实施例中DD9在1100℃下200h热暴露的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步更详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以结合具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
本发明所用原料，对其来源没有特别限制，在市场上购买的或是按照本领域技术人员熟知的制备方法制备得到即可。
本发明所述单晶镍基高温合金及其制备的物品，对其制备方法和其它原料的来源没有特别限制，按照本领域技术人员熟知的制备方法制备得到或是在市场上购买的即可。
本发明公开了一种单晶镍基高温合金，按质量百分比组成包括：Cr：3-4％；Co：5.5～6.5％；Mo：0.3-0.5％；W：6-7％；Ta：6.5-7.5％；Hf：0.08-0.12％；Al：5-6％；Ru：4.7-5.3％；Re：6.1-6.7％；余量为Ni和不可避免的杂质。
本发明实施例的单晶镍基高温合金中，Cr的质量百分比优选为3-4％，更优选为3.3-3.8％，最优选为3.5％。本发明对元素Cr的来源没有特别限定，以本领域技术人员熟知的元素Cr的来源或市售的元素Cr即可；本发明对元素Cr的纯度没有特别限制，以本领域技术人员熟知的用于制备高温合金的元素Cr的纯度即可。本发明通过将Cr控制在TMS173和TMS196之间，实现了高温合金抗氧化能力和热稳定性的平衡。
本发明实施例的单晶镍基高温合金中，Co的质量百分比优选为5.5～6.5％，更优选为5.7-6.3％，最优选为6％。本发明对元素Co的来源没有特别限定，以本领域技术人员熟知的元素Co的来源或市售的元素Co即可；本发明对元素Co的纯度没有特别限制，以本领域技术人员熟知的用于制备高温合金的元素Co的纯度即可。本发明通过增加Co的含量，提升了高温合金基体的固溶能力。
本发明实施例的单晶镍基高温合金中，Mo的质量百分比优选为0.3-0.5％，更优选为0.35-0.45％，最优选为0.4％。本发明对元素Mo的来源没有特别限定，以本领域技术人员熟知的元素Mo的来源或市售的元素Mo即可；本发明对元素Mo的纯度没有特别限制，以本领域技术人员熟知的用于制备高温合金的元素Mo的纯度即可。本发明通过减少Mo的含量，增强高温合金的热稳定性，减少TCP相的析出。
本发明实施例的单晶镍基高温合金中，W的质量百分比优选为6-7％，更优选为6.2-6.8％，最优选为6.5％。本发明对元素W的来源没有特别限定，以本领域技术人员熟知的元素W的来源或市售的元素W即可；本发明对元素W的纯度没有特别限制，以本领域技术人员熟知的用于制备高温合金的元素W的纯度即可。
本发明实施例的单晶镍基高温合金中，Ta的质量百分比优选为6.5-7.5％，更优选为6.7-7.3％，最优选为7％。本发明对元素Ta的来源没有特别限定，以本领域技术人员熟知的元素Ta的来源或市售的元素Ta即可；本发明对元素Ta的纯度没有特别限制，以本领域技术人员熟知的用于制备高温合金的元素Ta的纯度即可。本发明通过提高W和Ta的含量，增加高温合金的热强度和铸造性能。
本发明实施例的单晶镍基高温合金中，Hf的质量百分比优选为0.08-0.12％，最优选为0.1％。本发明对元素Hf的来源没有特别限定，以本领域技术人员熟知的元素Hf的来源或市售的元素Hf即可；本发明对元素Hf的纯度没有特别限制，以本领域技术人员熟知的用于制备高温合金的元素Hf的纯度即可。
本发明实施例的单晶镍基高温合金中，Al的质量百分比优选为5-6％，最优选为5.6％。本发明对元素Al的来源没有特别限定，以本领域技术人员熟知的元素Al的来源或市售的元素Al即可；本发明对元素Al的纯度没有特别限制，以本领域技术人员熟知的用于制备高温合金的元素Al的纯度即可。
本发明实施例的单晶镍基高温合金中，Ru的质量百分比优选为4.7-5.3％，最优选为5％。本发明对元素Ru的来源没有特别限定，以本领域技术人员熟知的元素Ru的来源或市售的元素Ru即可；本发明对元素Ru的纯度没有特别限制，以本领域技术人员熟知的用于制备高温合金的元素Ru的纯度即可。
本发明实施例的单晶镍基高温合金中，Re的质量百分比优选为6.1-6.7％，最优选为6.4％。本发明对元素Re的来源没有特别限定，以本领域技术人员熟知的元素Re的来源或市售的元素Re即可；本发明对元素Re的纯度没有特别限制，以本领域技术人员熟知的用于制备高温合金的元素Re的纯度即可。
本发明实施例的单晶镍基高温合金中，余量为Ni和不可避免的杂质，本发明对元素Ni的来源没有特别限定，以本领域技术人员熟知的元素Ni的来源或市售的元素Ni即可；本发明对元素Ni的纯度没有特别限制，以本领域技术人员熟知的用于制备高温合金的元素Ni的纯度即可。所述杂质的按质量百分比组成包括：O≤0.0010％；N≤0.0010％；S≤0.0002％，铋铊碲铅硒锑镓汞钌砷锗钕锶钡金锇钍溴钬钯铥镉铟铂锡钙碘钾铀铯铱镨钇镱铈镧氯锂铑锌铒镥铷等痕量元素总量≤0.01％。本发明通过控制杂质、微量元素的含量，减少了杂质及微量元素对于高温合金力学性能的影响。
本发明实施例提供的单晶镍基高温合金，按质量百分比组成包括：Cr：3-4％；Co：5.5～6.5％；Mo：0.3-0.5％；W：6-7％；Ta：6.5-7.5％；Hf：0.08-0.12％；Al：5-6％；Ru：4.7-5.3％；Re：6.1-6.7％；余量为Ni和不可避免的杂质。本实施例的单晶镍基高温合金，相比于典型的第五代单晶合金TMS173和TMS196，通过增加Co、W和Ta的含量，增强了高温合金的固溶能力、热强度和铸造性能；通过减少Mo的含量，增强了高温合金的热稳定性，减少TCP相的析出；通过将Cr的含量控制在TMS173和TMS196之间，实现了高温合金的抗氧化能力和热稳定性的平衡；通过控制杂质和微量元素的含量，减少了杂质及微量元素对于高温合金力学性能的影响。
本发明另一个实施例提供一种航空发动机涡轮部件，所述部件的材质为单晶镍基高温合金，其按质量百分比组成包括：Cr：3-4％；Co：5.5～6.5％；Mo：0.3-0.5％；W：6-7％；Ta：6.5-7.5％；Hf：0.08-0.12％；Al：5-6％；Ru：4.7-5.3％；Re：6.1-6.7％；余量为Ni和不可避免的杂质。
本发明所述航空发动机涡轮部件包含的高温合金中的元素优选方案与前述单晶镍基高温合金中的元素优选方案相同，在此不再一一赘述；本发明所述航空发动机涡轮部件优选用于高压涡轮发动机。本发明对所述发动机的型号没有特别限制。
本发明的航空发动机涡轮部件，其材质为单晶镍基高温合金，其按质量百分比组成包括：Cr：3-4％；Co：5.5～6.5％；Mo：0.3-0.5％；W：6-7％；Ta：6.5-7.5％；Hf：0.08-0.12％；Al：5-6％；Ru：4.7-5.3％；Re：6.1-6.7％；余量为Ni和不可避免的杂质。本发明通过上述合金比例制备的单晶镍基高温合金WZ50，相比于典型的第五代单晶合金TMS173和TMS196，通过增加Co、W和Ta的含量，增强了高温合金的固溶能力、热强度和铸造性能；通过减少Mo的含量，增强了高温合金的热稳定性，减少TCP相的析出；通过将Cr的含量控制在TMS173和TMS196之间，实现了高温合金的抗氧化能力和热稳定性的平衡；通过控制杂质和微量元素的含量，减少了杂质及微量元素对于高温合金力学性能的影响。
参见表1，本发明实施例的单晶镍基高温合金WZ50与典型的第五代单晶合金TMS173和TMS196成分对比(按质量百分比)。
W％ Cr Co Mo W Ta Hf Al Ru Re Ni
WZ50 3.5 6 0.4 6.5 7 0.1 5.6 5 6.4 余量
TMS173 3 5.6 2.8 5.6 5.6 0.1 5.6 5 6.9 余量
TMS196 4.6 5.6 2.4 5 5.6 0.1 5.6 5 6.4 余量
从表1中可见，与单晶合金TMS173和TMS196相比，本发明的高温合金WZ50增加了Co、W和Ta的含量，减少了Mo的含量，并将Cr的含量控制在TMS173和TMS196之间，同时控制杂质和微量元素的含量。
对本发明的单晶镍基高温合金WZ50和现有第五代单晶合金TMS173和TMS196进一步进行比较。
参见图1、图2本实施例中WZ50和五代单晶的γ’溶解温度、γ’溶解体积对比的示意图。由图可见，本发明WZ50的γ’溶解温度高于TMS173和TMS196，且体积分数与后二者接近，保证了WZ50优异的高温力学性能，同时三种合金的糊状区温度均小于60℃，保证了优异的单晶铸造能力。
图3、图4为本发明实施例中WZ50和五代单晶的糊状区和热处理窗口的示意图。由图可见，虽然WZ50的热处理窗口比TMS173和TMS196小一些，但仍远远大于经验要求的50℃，满足固溶能力和热稳定性的要求。
图5、图6为本发明实施例中WZ50和五代单晶的μ相析出最大值、P相析出最大值的示意图。由图可见，WZ50的μ相和P相均小于TMS173和TMS196，其高温组织更稳定，热稳定性更佳。
图7、图8为本发明实施例中WZ50和五代单晶的μ相析出温度范围、P相析出温度范围的示意图。由图可见，现WZ50的析出温度比TMS173和TMS196更窄，减少了TCP相的析出，提升了合金的热稳定性。
参见图9，本发明单晶镍基高温合金WZ50制备的单晶试棒表面无杂晶雀斑、表面质量优异。
参见图10，本发明单晶镍基高温合金WZ50劳厄检测单晶取向为2.2°，铸造性能优异。
参见图11，本发明合金WZ50在1100℃/130MPa持久寿命大于700h，是现有的二代单晶DD5的4倍左右，是现有的三代单晶DD9的2.5倍左右，持久寿命更长。
参见图12和图13，本发明合金WZ50和DD9在1100℃经热暴露试验的高倍组织图，本发明合金WZ50经700h热暴露并未观察到TCP相析出，而现有三代单晶DD9经200h的热暴露即出现大量的针状TCP相，可见本发明的合金WZ50具有良好的高温组织稳定性。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种单晶镍基高温合金，其特征在于，按质量百分比组成包括：
Cr：3-4％；Co：5.5～6.5％；Mo：0.3-0.5％；W：6-7％；Ta：6.5-7.5％；Hf：0.08-0.12％；Al：5-6％；Ru：4.7-5.3％；Re：6.1-6.7％；余量为Ni和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的单晶镍基高温合金，其特征在于，所述Cr的质量百分比具体为3.3-3.8％。
3.根据权利要求1所述的单晶镍基高温合金，其特征在于，所述Co的质量百分比具体为5.7-6.3％。
4.根据权利要求1所述的单晶镍基高温合金，其特征在于，所述Mo的质量百分比具体为0.35-0.45％。
5.根据权利要求1所述的单晶镍基高温合金，其特征在于，所述W的质量百分比具体为6.2-6.8％。
6.根据权利要求1所述的单晶镍基高温合金，其特征在于，所述Ta的质量百分比具体为6.7-7.3％。
7.根据权利要求1所述的单晶镍基高温合金，其特征在于，所述杂质的按质量百分比组成包括：O≤0.0010％；N≤0.0010％；S≤0.0002％。
8.根据权利要求1所述的单晶镍基高温合金，其特征在于，所述杂质的按质量百分比组成包括：痕量元素≤0.01％。
9.根据权利要求1所述的单晶镍基高温合金，其特征在于，按质量百分比组成具体为：
Cr:3.5％；Co:6％；Mo:0.4％；W:6.5％；Ta：7％；Hf：0.1％；Al：5.6％；Ru：5％；Re：6.4％。
10.一种航空发动机涡轮部件，其特征在于，所述部件的材质为如权利要求1所述的单晶镍基高温合金。
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