CN109797433B - 单晶高温合金、热端部件及设备 - Google Patents

单晶高温合金、热端部件及设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及高温合金技术领域,公开了一种单晶高温合金、热端部件及设备。所述单晶高温合金,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:7.5‑8.5%;Hf:0.01‑0.05%;Al:5‑6.5%;Ti:0.01‑0.02%;Re:4.5‑5.5%;Nb:0.05%‑0.15%;余量为Ni和不可避免的杂质。相比于典型的第三代单晶合金N6、CMSX10、TMS75和DD9,本发明通过优化Cr、Mo、Al、Ti的含量,提升了高温合金的高温抗氧化性能;通过优化Co、W、Ta、Re、Hf、Nb的含量,提升了高温合金的蠕变强度和高温组织稳定性能;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

单晶高温合金、热端部件及设备
技术领域
本发明涉及高温合金技术领域,尤其涉及一种单晶高温合金、热端部件及设备。
背景技术
目前,单晶高温合金由于组织稳定、高温强度高、抗氧化及抗腐蚀性能良好等诸多优点,成为目前应用最为广泛的高温合金材料,被大量运用于制造各类燃气轮机、航空发动机等热端部件,如涡轮工作叶片、导向叶片、涡轮盘、燃烧室等。单晶合金的出现提高了叶片的承温能力及发动机的使用温度,大大促进了航空发动机的迅猛发展。
当前,镍基单晶高温合金的研究开发已至第五代,代表性的合金为日本NIMS的TMS系列合金。国际上成熟运用于发动机上的单晶高温合金也发展至第三代,以ReneN6、CMSX-10K及CMSX-10N为代表。但单晶高温合金在长期高温环境下抗氧化及热腐蚀性能较弱,容易出现TCP相析出和蠕变强度低的情况,导致现有单晶高温合金的高温抗氧化性能、蠕变强度和高温组织稳定性能不佳。
发明内容
鉴于此,本发明提供一种单晶高温合金、热端部件及设备,解决现有单晶高温合金的高温抗氧化性能、蠕变强度和高温组织稳定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:7.5-8.5%;Hf:0.01-0.05%;Al:5-6.5%;Ti:0.01-0.02%;Re:4.5-5.5%;Nb:0.05%-0.15%;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3.3-3.7%。
优选的,所述Co的质量百分比具体为5.8-6.3%。
优选的,所述Mo的质量百分比具体为0.35-0.45%。
优选的,所述Ta的质量百分比具体为7.7-8.3%。
优选的,所述Re的质量百分比具体为4.7-5.3%。
优选的,所述杂质的按质量百分比组成包括:O≤0.0010%;N≤0.0010%;S≤0.0002%;痕量元素≤0.01%。
优选的,所述的单晶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:8%;Hf:0.03%;Al:5.8%;Ti:0.15%;Re:5%;Nb:0.1%;余量为Ni和不可避免的杂质。
根据本发明另一个实施例,提供一种热端部件,所述部件的材质为上述的单晶高温合金。
根据本发明又一个实施例,还提供一种设备,所述设备包括上述的热端部件。
本发明提供的单晶高温合金、热端部件及设备,所述单晶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:7.5-8.5%;Hf:0.01-0.05%;Al:5-6.5%;Ti:0.01-0.02%;Re:4.5-5.5%;Nb:0.05%-0.15%;余量为Ni和不可避免的杂质。本实施例的单晶高温合金,相比于典型的第三代单晶合金N6、CMSX10、TMS75和DD9,通过优化Cr、Mo、Al、Ti的含量,提升了高温合金的高温抗氧化性能;通过优化Co、W、Ta、Re、Hf、Nb的含量,提升了高温合金的蠕变强度和高温组织稳定性能;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WZ30与四种第三代单晶高温合金的初熔温度对比的示意图。
图2为本发明一个实施例中WZ30与四种第三代单晶高温合金的热处理窗口及糊状区范围的对比的示意图。
图3为本发明一个实施例中WZ30与四种第三代单晶高温合金1000℃γ′含量对比的示意图。
图4为本发明一个实施例中WZ30与四种第三代单晶高温合金TCP相最大析出含量对比的示意图。
图5为本发明一个实施例中WZ30热处理态显微组织形貌的示意图。
图6为本发明一个实施例中1100℃下WZ30与第三代、第四代、第五代单晶循环氧化对比的示意图。
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:7.5-8.5%;Hf:0.01-0.05%;Al:5-6.5%;Ti:0.01-0.02%;Re:4.5-5.5%;Nb:0.05%-0.15%;余量为Ni和不可避免的杂质。
本发明实施例的单晶高温合金中,Cr的质量百分比优选为3-4%,更优选为3.3-3.7%,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。
Cr是镍基合金抗氧化和抗热腐蚀性的重要元素,Cr的抗氧化性主要局限于低于800℃的中温范围,对提高合金的高温抗氧化性作用较小,而高Cr会强烈促进TCP相的析出。将Cr的含量优化在3-4%,可保持合金的中温抗氧化性,并减少TCP相的析出。
本发明实施例的单晶高温合金中,Co的质量百分比优选为5.5-6.5%,更优选为5.8-6.3%,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。本发明优化Co的含量,以提高合金的组织稳定性。
本发明实施例的单晶高温合金中,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。本发明通过优化Mo的含量,减少TCP相的析出,增强高温合金的抗氧化性能。
本发明实施例的单晶高温合金中,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高温合金中,Ta的质量百分比优选为7.5-8.5%,更优选为7.7-8.3%,最优选为8%。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。本发明将W和Ta的整体质量百分比含量优化在14.5%左右,以提升合金的蠕变强度。
本发明实施例的单晶高温合金中,Re的质量百分比优选为4.5-5.5%,更优选为4.7-5.3%,最优选为5%。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。Re的添加能明显减慢蠕变扩散速率,提高蠕变性能,随着Re含量的增加,合金蠕变强度逐渐升高,但在4.5-5.5%之间增速最为显著,之后随添加量增多而强度增速放缓。考虑到Re元素作为稀有金属价格昂贵且密度大,本发明最优将Re质量百分比定为5%。
本发明实施例的单晶高温合金中,Hf的质量百分比优选为0.01-0.05%,更优选为0.02-0.04%,最优选为0.03%。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。本发明通过添加少量的Hf,提升了单晶高温合金的小角度晶界力学性能和单晶铸件合格率。
本发明实施例的单晶高温合金中,Al的质量百分比优选为5-6.5%,更优选为5.3-6.3%,最优选为5.8%。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。本发明通过Al形成强化相γ′,提升了合金的高温抗氧化性能。
本发明实施例的单晶高温合金中,Ti的质量百分比优选为0.01-0.02%,更优选为0.13-0.17%,最优选为0.15%。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。由于Ti对合金的抗氧化性能和铸造性能不利,本发明通过控制Ti含量并设计合理的Al+Ti整体百分比含量5.6~6%,可保证获得适量的γ′体积分数。
本发明实施例的单晶高温合金中,Nb的质量百分比优选为0.05%-0.15%,更优选为0.07%-0.12%,最优选为0.1%。本发明对元素Nb的来源没有特别限定,以本领域技术人员熟知的元素Nb的来源或市售的元素Nb即可;本发明对元素Nb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Nb的纯度即可。本发明通过加入少量Nb,降低基体的堆垛层错能,降低蠕变速率以提高蠕变性能。
本发明实施例的单晶高温合金中,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铼氯锂铑锌铒镥铷等痕量元素≤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:7.5-8.5%;Hf:0.01-0.05%;Al:5-6.5%;Ti:0.01-0.02%;Re:4.5-5.5%;Nb:0.05%-0.15%;余量为Ni和不可避免的杂质。本实施例的单晶高温合金,相比于典型的第三代单晶合金N6、CMSX10、TMS75和DD9,通过优化Cr、Mo、Al、Ti的含量,提升了高温合金的高温抗氧化性能;通过优化Co、W、Ta、Re、Hf、Nb的含量,提升了高温合金的蠕变强度和高温组织稳定性能;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热端部件,所述部件的材质为单晶高温合金,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:7.5-8.5%;Hf:0.01-0.05%;Al:5-6.5%;Ti:0.01-0.02%;Re:4.5-5.5%;Nb:0.05%-0.15%;余量为Ni和不可避免的杂质。
本发明所述热端部件包含的高温合金中的元素优选方案与前述实施例中单晶高温合金中的元素优选方案相同,在此不再一一赘述;本发明所述热端部件可用于各类燃气轮机、航空发动机等设备的重要部件,比如涡轮工作叶片、导向叶片、涡轮盘以及燃烧室等。本发明对所述发动机的型号没有特别限制,以本领域技术人员熟知的采用高温合金的型号即可。
本发明的热端部件,其材质为单晶高温合金,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:7.5-8.5%;Hf:0.01-0.05%;Al:5-6.5%;Ti:0.01-0.02%;Re:4.5-5.5%;Nb:0.05%-0.15%;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高温合金WZ30,相比于典型的第三代单晶合金N6、CMSX10、TMS75和DD9,通过优化Cr、Mo、Al、Ti的含量,提升了高温合金的高温抗氧化性能;通过优化Co、W、Ta、Re、Hf、Nb的含量,提升了高温合金的蠕变强度和高温组织稳定性能;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。通过单晶高温合金WZ30制备的热端部件,具有良好的高温抗氧化性能、蠕变强度和高温组织稳定性能。
本发明另一个实施例还提供一种设备,所述设备配置有上述的热端部件,所述设备为各类燃气轮机、航空发动机等。通过单晶高温合金WZ30制备的热端部件,使所述设备具有良好的高温抗氧化性能、蠕变强度和高温组织稳定性能,提升了设备的系统性能和高温稳定性。
参见表1,本发明实施例的单晶高温合金WZ30与典型的第三代单晶合金N6、CMSX10、TMS75和DD9的成分对比(按质量百分比)。
Figure BDA0001954273570000061
Figure BDA0001954273570000071
从表1中可见,与第三代单晶合金N6、CMSX10、TMS75和DD9相比,本发明的高温合金WZ30优化了Cr、Al、Ti、W、Ta、Re、Hf、Nb的含量,减少了Co、Mo的含量,并控制了杂质和微量元素的含量。
对本发明的单晶高温合金WZ30和第三代单晶合金N6、CMSX10、TMS75和DD9进一步进行性能检测。
参见图1本发明实施例中WZ30与四种第三代单晶高温合金初熔温度对比的示意图。初熔温度作为合金高温性能的重要指标,能显著影响合金的高温性能,初熔温度越高对合金越有利。由图可见,本发明合金WZ30与国内外主要4种单晶合金相比,初熔温度高于N6、TMS75及DD9,具有良好的高温力学性能。
参见图2本发明合金WZ30与四种第三代单晶高温合金热处理窗口及糊状区范围对比示意图。合金热处理窗口及糊状区区间对应显示了合金的加工性能。由图可见,虽然WZ30的热处理窗口与其他四种合金相比热处理窗口稍小,但远高于热处理窗口≥20℃的一般要求,且其糊状区区间远小于N6、TMS75及DD9,有利于WZ30单晶的生长。
参见图3本发明实施例中合金WZ30与四种第三代单晶高温合金1000℃γ′含量对比的示意图。γ′相作为高温合金中最重要的强化相,析出含量需控制在合理范围以获得合金最优性能,几代单晶高温合金γ′相质量百分比含量都在50~60%之间。由图可见,本发明合金WZ30γ′质量百分比含量控制在58%左右,高于其他四种合金的γ′质量百分比含量,在合理范围内较高的γ′相有利于提升高温力学性能。
参加图4本发明实施例合金WZ30与四种第三代单晶高温合金TCP相最大析出含量对比的示意图。TCP相破坏合金组织稳定性,影响合金使用温度,合金中需严格控制TCP相的析出。由图可见,本发明合金WZ30的μ相最大析出量低于N6、TMS75及DD9三种合金,而合金WZ30的P相最大析出量低于CMSX-10合金,具有良好的高温组织稳定性。
参见图5,本发明单晶高温合金WZ30制备的单晶试棒经热处理后显微组织形貌的示意图。由图可见,合金WZ30的单晶试棒表面无杂晶雀斑、表面质量优异。
参见表2,本发明单晶高温合金WZ30的力学拉伸性能测试参数。由图可见,合金WZ30在760和980℃温度下的屈服强度、抗拉强度、断后延伸率以及断面收缩率等参数优异,高温组织稳定性良好,具有很好的力学拉伸性能。
Figure BDA0001954273570000081
参见表2,本发明单晶高温合金WZ30的持久性能测试参数。由图可见,合金WZ30在980和1100℃温度下持久寿命和伸长率表现优异,具有良好的高温持久性能。
Figure BDA0001954273570000082
参见图6本发明合金WZ30在1100℃下与三种单晶高温合金的单晶循环氧化对比示意图。由图可见,在1100℃下,本发明合金WZ30和DD9经过200个氧化循环后,单位面积质量基本无变化,抗氧化性能相当;与单晶合金TMS138A和TMS196相比,抗氧化性明显提升。
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 (3)

1.一种单晶高温合金,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:8%;Hf:0.03%;Al:5.8%;Ti:0.15%;Re:5%;Nb:0.1%;余量为Ni和不可避免的杂质。
2.一种热端部件,其特征在于,所述部件的材质为如权利要求1所述的单晶高温合金。
3.一种设备,其特征在于,所述设备包括如权利要求2所述的热端部件。
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