CN112176224A - 一种综合性能优异的高强镍基单晶高温合金 - Google Patents

一种综合性能优异的高强镍基单晶高温合金 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种综合性能优异的高强镍基单晶高温合金，属于镍基单晶高温合金技术领域。按重量百分比计，该合金化学成分为：Cr：5.5～7.5％，Co：5.0～7.0％，Mo：0.5～1.0％，W：7.5～10.0％，Ta：5.5～7.0％，Al：5.5～6.7％，Ti：0～1.0％，Re：1.0～2.0％，Si：0～0.15％，C：0～0.1％，Hf：0～0.2％，其余为Ni，Nv≤2.1。该合金不仅具有较高的高温力学性能、良好的组织稳定性，还具有优良的抗氧化性能，以及相对较好的抗热腐蚀性能。特别适用于航天、航空发动机高温部件。

Description

一种综合性能优异的高强镍基单晶高温合金
技术领域
本发明涉及镍基单晶高温合金技术领域，具体涉及一种综合性能优异的高强镍基单晶高温合金，主要适用于在高温复杂条件下承受较高应力的零部件材料。
背景技术
镍基单晶高温合金具有优良的高温性能，是目前制造先进航空发动机和燃气轮机叶片的主要材料。20世纪80年代以来，相继发展和应用了第一代、第二代、第三代和第四代单晶高温合金，相应的每代单晶高温合金使用温度都被提高了近25℃。但是，随着单晶高温合金的不断发展，Re和Ru等贵重难熔元素含量不断增多，合金成本和密度也不断增加。同时，Re元素的不断添加还明显恶化了合金组织稳定性。为了降低合金成本和提高其组织稳定性，从21世纪开始，人们又发展了系列无Re高强二代单晶合金。但是，与含Re二代单晶合金相比，无Re二代单晶合金1000℃以上的高温力学性能相对较低。另外，对比研究发现，无Re二代单晶合金的抗热腐蚀性能也明显不如含Re二代单晶合金。
针对上述背景，考虑到近海洋环境下使用的长寿命涡扇/涡轴/涡桨发动机可能存在一定的热腐蚀环境，人们期望获得一种综合性能优异的高强镍基单晶高温合金。该合金不仅具有较高的高温力学性能、良好的组织稳定性，还具有优良的抗氧化性能，以及相对较好的抗热腐蚀性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种综合性能优异的高强镍基单晶高温合金，该合金不仅具有较高的高温力学性能、良好的组织稳定性，还具有优良的抗氧化性能，以及相对较好的抗热腐蚀性能。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种综合性能优异的高强镍基单晶高温合金，所述合金的组成成分构成和各成分的质量百分含量满足下述要求：
Cr：5.5～7.5％，Co：5.0～7.0％，Mo：0.5～1.0％，W：7.5～10.0％，Ta：5.5～7.0％，Al：5.5～6.7％，Ti：0.3～1.2％，Re：1.0～2.0％，Si：0～0.15％，C：0～0.1％，Hf：0～0.2％，其余为Ni，Nv≤2.1。
本发明提供的综合性能优异的高强镍基单晶高温合金，按重量百分比计，优化后的合金成分范围满足下述要求：
Cr：6.0～6.8％，Co：5.5～6.5％，Mo：0.5～0.8％，W：7.5～8.5％，Ta：5.7～6.5％，Al：5.5～6.3％，Ti：0.4～1.0％，Re：1.2～1.7％，Si：0.04～0.1％，C：0.02～0.06％，Hf：0.05～0.15％，其余为Ni，Nv≤2.1。
本发明提供的综合性能优异的高强镍基单晶高温合金，所述镍基单晶高温合金中，杂质的成分和质量百分含量满足下述要求：O≤0.001，N≤0.001，S≤0.001，Zr≤0.0075，Mn≤0.01，P≤0.005，Cu≤0.05，Mg≤0.008，Se≤0.0003，Pb≤0.0002，Te≤0.00005，Bi≤0.00003，Sn≤0.0015。
本发明合金(合金牌号取名为DD4515)的化学成分设计主要基于如下理由：
本合金研制的思路是探索适中的Re含量，提高合金的抗热腐蚀性能和组织稳定性；通过提高γ'相含量和难熔元素(尤其是Re)的分配比，提高合金高温力学性能。
Re是高温合金中有效的固溶强化元素，能降低高温蠕变、持久过程中的元素扩散速率，显著提高合金的力学性能。同时，Re提高了Cr和Ti元素的活度，促进了单晶合金Cr2O3和NiTiO3的形成，抑制NiO的形成，保证合金表面Cr2O3膜的完整致密性，从而延长合金的热腐蚀孕育期，提高单晶合金的热腐蚀性能。当Re含量≥1.0％时，合金热腐蚀动力学曲线还明显具有多阶段抛物线规律。但是，过量的Re也会促进TCP相析出。另外，Re作为战略资源，价格较贵。近期研究发现，当γ'相体积分数达到65％以上时，Si元素的添加可明显改变Re、W元素的分配比，即促进更多的Re和W偏聚在γ基体。因此，将Re的含量控制在1.0～2.0％。
W、Mo、Ta是除Re元素之外最重要的难熔元素。W和Mo主要偏聚在γ基体，而Ta主要偏聚在γ'相中。另外，研究发现Ta元素的添加还可以促进W和Mo元素的偏析。同时，Ta元素增加γ'相的点阵常数，而W和Mo元素则增加γ相的点阵常数，通过三者的有机结合，可改变合金的高温错配度，进而提高合金的高温力学性能。
W、Mo是高温合金中最重要的固溶强化元素。但它们都是促进TCP相形成元素，对于合金的组织稳定性十分不利。另外，高Mo的合金，常发生灾难性的腐蚀。因此，合金Mo含量为0.5～1.0％，W含量为7.5～10.0％。
适量Si的加入可提高合金的抗氧化性能，同时改变难熔元素在γ和γ'两相中的分配比(促进更多的Re和W元素进入γ基体)，进而提高合金的高温力学性能。但过量Si的加入会降低合金的组织稳定性，因此，将C含量控制在0-0.15％。
Al、Ti、Ta是高温合金中最主要的沉淀强化γ'相形成元素。Al还能明显提高合金的抗氧化性能。随着Al含量增加，合金γ'强化相的体积分数明显增加。所以，为了最大程度增加γ'相体积分数，合金的Al含量控制在5.5～6.7％。Ti还有利于提高合金的抗热腐蚀性能，但高Ti合金的抗氧化性能相对较差。所以，合金的Ti含量控制在0.3～1.2％。Ta除了有效地提高合金的热强性以外，同时还能增加合金的抗氧化性能、耐腐蚀性能和铸造性能，但Ta过高，合金中共晶含量高，使合金的热处理变得极为困难。结合这些因素本发明控制Ta含量在5.5～7.0％。
Cr在Ni基高温合金中最主要的作用是增加抗氧化和耐蚀能力，但是合金中Cr含量过高时会引起拓扑密排相(TCP)的析出。所以该镍基单晶高温合金中Cr含量为5.5～7.5％。
Co对TCP相有抑制作用，扩大热处理窗口，但过高的Co含量会降低固溶温度，导致合金高温性能的降低，为保证合金的高温性能，Co含量控制在5.0～7.0％。
适量C的加入可提高合金的铸造性能，降低合金的再结晶倾向，特别是C的加入生成小尺寸颗粒状碳化物能够强化晶界，从而提高单晶合金的小角晶界容限，进而提高合金的成品率。但过量C的加入会降低合金的性能，因此，将C含量控制在0-0.1％。
适量Hf的加入可提高氧化膜的塑性和粘附力，明显增加合金的抗循环氧化性能，改善涂层与基体的相容性。因此，将Hf含量控制在0～0.2％。
本发明高强镍基单晶高温合金不仅具有较高的高温力学性能、良好的组织稳定性，还具有优良的抗氧化性能，以及相对较好的抗热腐蚀性能。
本发明的优点及有益效果说明如下：
(1)与现有的典型第二代高强镍基单晶高温合金相比，本发明合金Re含量较低，合金成本相对较低。
(2)与现有的无Re第二代高强镍基单晶高温合金相比，本发明合金具有相对较好的抗热腐蚀性能和高温力学性能。
(3)本发明合金的持久性能达到典型第二代高强单晶高温合金水平，980℃/248MPa下持久寿命>200h，1000℃/235MPa下持久寿命>100h。
(4)本发明合金在900℃长期时效组织稳定。
附图说明
图1为本发明合金与现有技术中第一代单晶高温合金CMSX-2和第二代单晶高温合金CMSX-4的Larson-Miller曲线比较图；
图2为不同Re含量对本发明合金900℃热腐蚀性能的影响；
图3为本发明合金900℃长期时效2000h后显微组织。
具体实施方式
以下实施例将对本发明予以进一步的说明，但并不因此而限制本发明。
具体制备方法要求：采用真空感应炉熔炼，先浇注成化学成分符合要求的母合金，然后再制备单晶试棒，使用前须经过热处理。
实施例1-3：
本发明镍基单晶高温合金试样的化学成分均参见表1。本发明合金利用纯Ni、Co、Cr、W、Mo、Ta、Ti、Al、Re、Si、C、Hf等元素在真空感应炉中熔炼(精炼温度：1520±10℃，精炼时间20min，精炼期真空度≤3Pa)，并浇注成化学成分符合要求的母合金，然后再通过定向凝固设备(高速凝固法或液态金属冷却法，1550℃浇注，定向凝固抽拉速率为3mm/min))重熔、利用螺旋选晶器或仔晶法定向凝固成单晶试棒。使用前需经过热处理。热处理制度为：1290℃/2h/AC+1320℃/6h/AC+1150℃/4h/AC+900℃/20h/AC(AC：空冷)。
为了方便对比，表1中也列出了典型第一代镍基单晶高温合金CMSX-2和典型的第二代单晶高温合金CMSX-4的化学成分。
表1本发明合金(实施例1-8)和CMSX-2、CMSX-4的化学成分组成列表(wt.％)
合金 Cr Co W Mo Ta Al Ti Re Si C Hf Ni
实施例1 7.2 5.5 8.3 0.6 6.5 6.1 0.5 1.3 0.04 0.04 0.1 余
实施例2 5.9 6.4 7.6 0.9 6.0 5.6 0.9 1.8 0.07 0.02 0.07 余
实施例3 6.6 6.0 7.8 0.5 6.1 5.9 0.9 1.5 0.04 0.03 0.13 余
实施例4 7.1 6.0 7.6 0.6 6.0 5.7 1.0 1.5 0.04 0.03 0.1 余
实施例5 7.1 6.0 7.6 0.6 6.0 5.7 1.0 0 0.04 0.03 0.1 余
实施例6 7.1 6.0 7.6 0.6 6.0 5.7 1.0 2.8 0.04 0.03 0.1 余
CMSX-2 8.0 5.0 8.0 0.6 6.0 5.6 1.0 - - - - 余
CMSX-4 6.5 9 6.0 0.6 6.5 5.6 1.0 3.0 - 0.05 0.1 余
注：表中Ni含量一栏的“余”含义为“余量”。
本发明实施例1、例2合金和典型的第一代镍基单晶高温合金CMSX-2和典型的第二代单晶高温合金CMSX-4的Larson-Miller曲线比较见图1。本发明合金的持久性能接近CMSX-4合金，明显高于CMSX-2合金。
本发明实施例4、例5和例6合金的900℃热腐蚀性能的比较见图2。含1.5％Re合金的热腐蚀性能与含3％Re合金相当，明显优于无Re合金。
本发明合金完全热处理后，进行900℃长期时效实验，长期时效2000h后没有TCP相析出。本发明实施例5合金长期时效后组织见图3。

Claims (4)

1.一种综合性能优异的高强镍基单晶高温合金，其特征在于：按重量百分比计，该合金化学成分如下：
Cr：5.5～7.5％，Co：5.0～7.0％，Mo：0.5～1.0％，W：7.5～10.0％，Ta：5.5～7.0％，Al：5.5～6.7％，Ti：0.3～1.2％，Re：1.0～2.0％，Si：0～0.15％，C：0～0.1％，Hf：0～0.2％，其余为Ni。
2.按照权利要求1所述的综合性能优异的高强镍基单晶高温合金，其特征在于：该合金中，Nv≤2.1。
3.按照权利要求2所述的综合性能优异的高强镍基单晶高温合金，其特征在于：按重量百分比计，该合金化学成分如下：
Cr：6.0～6.8％，Co：5.5～6.5％，Mo：0.5～0.8％，W：7.5～8.5％，Ta：5.7～6.5％，Al：5.5～6.3％，Ti：0.4～1.0％，Re：1.2～1.7％，Si：0.04～0.1％，C：0.02～0.06％，Hf：0.05～0.15％，其余为Ni。
4.按照权利要求1-3任一所述的综合性能优异的高强镍基单晶高温合金，其特征在于：按重量百分比计，所述镍基单晶高温合金中杂质的含量要求为：O≤0.001，N≤0.001，S≤0.001，Zr≤0.0075，Mn≤0.01，P≤0.005，Cu≤0.05，Mg≤0.008，Se≤0.0003，Pb≤0.0002，Te≤0.00005，Bi≤0.00003，Sn≤0.0015。
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