CN112593121A

CN112593121A - 一种高强抗高温氧化无铼第二代镍基单晶高温合金及其热处理工艺

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Publication number: CN112593121A
Application number: CN202011442187.2A
Authority: CN
Inventors: 张少华; 姜祥伟; 王莉; 董加胜; 楼琅洪
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS
Priority date: 2020-12-08
Filing date: 2020-12-08
Publication date: 2021-04-02

Abstract

本发明公开了一种高强抗高温氧化无铼第二代镍基单晶高温合金及其热处理工艺，属于镍基单晶高温合金领域。该合金化学成分(wt.％)：Cr：6.0～8.0％，Co：8.0～10.0％，W：6.0～9.0％，Mo：1.0～3.0％，Nb：0～2％，Al：4.0～7.0％，Ti：0.5～1.5％，Ta：1.0～5.0％，C：0.02～0.06％，B：0.001～0.003％，Ce：0～0.02％，Y：0～0.01％，Hf：0～0.2％，其余为Ni。该合金具有优异的低温、中温和高温强度和抗氧化性能，持久、拉伸和低周疲劳性能与含3wt.％Re的第二代单晶高温合金Rene N5相当，合金达到了完全抗氧化级别。

Description

一种高强抗高温氧化无铼第二代镍基单晶高温合金及其热处理工艺

技术领域

本发明涉及镍基单晶高温合金领域，具体为一种高强抗高温氧化无铼第二代镍基单晶高温合金及其热处理工艺，该合金主要适用于高温下(1000-1100℃)承受高应力的零部件，如航空发动机的涡轮叶片，导向叶片等。

背景技术

镍基单晶高温合金以其优良的高温力学性能被广泛地用作先进航空发动机热端部件，其研发、制造和应用情况已成为衡量一个国家材料发展水平的重要标志之一。随着航空发动机的发展，对热端部件的承温能力不断提出更高的要求。其中Re元素的加入是提高合金承温能力的关键。然而，Re是稀有资源，且价格昂贵，一旦含Re合金大量使用，很快会造成Re的价格上涨，供应紧张，资源枯竭。因此，从降低合金成本，节约资源的角度考虑，国内外逐渐开始研制不含Re的高强合金。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强抗高温氧化无铼第二代镍基单晶高温合金及其热处理工艺，通过优化W，Mo，Nb，Ta等难熔金属元素含量来综合强化合金，使该镍基单晶高温合金具有优异的低、中和高温强度，优化Cr、Al等元素，使合金具有优异的抗高温氧化能力。其持久、拉伸和低周疲劳性能与含3wt.％Re的第二代单晶高温合金Rene N5或CMSX-4相当，合金在1100℃是完全抗氧化级别。

本发明的技术方案是：

一种高强抗高温氧化无铼第二代镍基单晶高温合金(DD425)，其化学成分(wt.％)如下：

Cr：6.0～8.0％，Co：8.0～10.0％，W：6.0～9.0％，Mo：1.0～3.0％，Nb：0～2.0％，Al：4.0～7.0％，Ti：0.5～1.5％，Ta：1.0～5.0％，C：0.02～0.06％，B：0.001～0.003％，Ce：0～0.02％，Y：0～0.01％，Hf：0～0.2％，其余为Ni。

优选的合金成分为(wt.％)：Cr：6.0～7.0％，Co：9.0～10.0％，W：7.0～8.5％，Mo：1.0～2.0％，Nb：0～1.0％，Al：5.5～6.5％，Ti：0.7～1.2％，Ta：3.5～4.5％，C：0.03～0.05％，B：0.001～0.003％，Ce：0～0.02％，Y：0～0.01％，Hf：0.1～0.2％，其余为Ni。

本发明合金DD425化学成分设计主要基于如下理由：

Cr是提高合金抗热腐蚀性能的关键元素，在合金中必须添加适量的Cr，但由于高强度合金中W、Mo等难熔金属元素高，大量加入Cr会降低合金的组织稳定性。本合金相对于典型二代单晶高温合金而言，由于去除了Re元素，因此适当提高了Cr含量，其控制在6.0～8.0wt.％。

Co对TCP相有抑制作用，但过高的Co含量会降低固溶温度，导致合金高温性能降低，为保证合金的高温性能，Co含量控制在8.0～10.0wt.％。

W是镍基高温合金的主要固溶强化元素，尤其在高温下的强化效果显著。W同时也大量固溶于γ’强化相，提高γ’相的热稳定性。在不添加Re元素的情况下，要充分发挥W的强化效果。但过量的W会导致组织不稳定，易形成TCP相，降低合金性能。因此控制W的含量在6.0～9.0wt.％。

Mo也是固溶强化元素，并能增加γ/γ’的错配度，使位错网密集，有效的阻碍位错运动，提高合金高温性能。Mo和W分别富集于枝晶间和枝晶干，同时加入有利于合金的综合强化。但过量的Mo也会导致有害相的析出，对合金的热腐蚀性能也有不利影响，因此控制Mo的含量在1.0～3.0wt.％。

Nb也是常见的固溶强化元素之一。Nb原子半径比W和Mo更大，因此固溶强化作用比W和Mo更明显。但对于γ’相强化的镍基单晶高温合金，Nb主要溶解于γ’相。由于Nb明显降低γ基体的堆垛层错能，所以明显降低蠕变速率，提高蠕变性能。同时，Nb还参与硼化物形成，Nb含量过高还会引起Laves相的析出，因此在合金中加入0～2wt.％的Nb。

Ta主要通过增加γ’相数量、提高γ’相强度和热稳定性来提高合金的高温强度，同时也有固溶强化作用。Ta对合金的抗氧化、抗热腐蚀性能也有有益作用，并且不引起TCP相的形成。但是Ta的密度比较大，因此在合金中加入1.0～5.0wt.％的Ta。

Al是在镍基高温合金中形成γ’相的基本元素，它的含量对合金高温性能起着重要作用，同时Al的含量对合金的抗氧化性能也至关重要，因此合金中必须加入一定量的Al，但过量的Al会降低合金的组织稳定性，导致有害相析出，因此将合金中Al的含量控制在4.0～7.0wt.％。

Ti也是形成γ’的基本元素，合金中加入Ti后，γ’相由Ni₃Al变为Ni₃(Al，Ti)。Ti对合金的抗热腐蚀性能也有有益作用，但Ti对提高合金高温力学性能帮助不明显。因此合金中的Ti控制在0.5～1.5wt.％。

C和B是高温合金中应用最广泛的微合金化元素，加C是为了净化合金液(脱氧)，对抗腐蚀性能也有益，并且可以减少出现再结晶的几率，以及降低热裂倾向；加B是为了强化单晶合金中不可避免的小角度晶界，但是C和B的加入会降低合金的初熔温度，而且过多量的C和B的加入在合金中会形成尺寸较大的碳化物及硼化物，这些对合金的蠕变及低周疲劳性能有不利的影响。因此，合金中的C含量控制在0.02～0.06wt.％，B含量控制在0.001～0.003wt.％。

Ce和Y稀土元素加入到合金中，主要有以下三种有益作用。作为净化剂有脱氧和脱硫的作用；作为微合金化元素偏聚与小角晶界和亚晶界，起强化作用；作为活性元素改善合金的抗氧化性能。因此合金中加入了少量的稀土元素。

Hf是单晶合金中重要的微合金化元素，可以明显地改善涂层与基体的相容性和粘结性而提高涂层寿命和抗氧化/腐蚀性能。同时，加人微量Hf对单晶合金的工艺性能和力学性能也有好处。然而，Hf会降低合金初熔温度，因此合金中Hf含量控制在0.1～0.2％。

上述各元素的合理配比以及合理的热处理制度是使本发明合金获得良好综合性能的保证。

本发明采用真空感应炉熔炼化学成分符合要求的母合金，然后利用高速凝固法(HRS)定向凝固工艺制备单晶部件，使用前须经过如下工艺热处理：

(1)温度1280-1290℃，时间6-10h，空冷至室温；

(2)温度1100-1110℃，时间4-6h，空冷至室温；

(3)温度840-870℃，时间20-30h，空冷至室温。

本发明的优点及有益效果说明如下：

1、与现有其他镍基单晶高温合金相比，本发明合金具有优异的持久、拉伸和低周疲劳性能，1070℃/160MPa下持久寿命达178h；1100℃/90MPa下持久寿命达410h。合金870℃屈服强度大于820MPa，断裂强度大于970MPa。950℃，应变比为R＝-1，应变幅为±0.5％时低周疲劳寿命达9800周次。可在高温高应力条件下使用。

2、本发明合金的持久、拉伸和低周疲劳性能与含3wt.％Re的第二代单晶高温合金Rene N5或CMSX-4相当，但由于不含贵重金属元素Re，合金成本降低70％以上。

3、本发明合金具有优异的抗高温氧化能力，合金1100℃循环氧化速率为0.055g/m²﹒h，属于完全抗氧化级别。

附图说明

图1为实施例1HRS工艺制备的合金铸态组织。

图2为实施例1HRS工艺制备的合金热处理态组织。

图3为实施例1HRS工艺制备的合金热处理态组织。

图4为本发明合金与Rene N5合金的Larson-Miller曲线比较图。

图5为本发明合金与CMSX-4合金的低周疲劳寿命曲线比较图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细的说明：

本发明实施例1-4合金成分具体见表1。各实施例首先采用真空感应炉熔炼化学成分符合要求的母合金，母合金精炼温度为1500±10℃，精炼时间为20分钟，浇注温度为1450±10℃。为了方便对比，表1中也列出了典型第二代镍基单晶高温合金CMSX-4、Rene N5的化学成分，表1中Ni含量一栏的“余”含义为“余量”。

然后利用高速凝固工艺(HRS)制备单晶部件，保温炉温度为1540±10℃，拉速为5±2mm/min。合金铸态和热处理态典型显微组织见图1-3。

单晶部件使用前经过如下工艺制度进行热处理：(1)1280℃，8h，A.C.；(2)1110℃，4h，A.C.；(3)850℃，24h，A.C.。

根据化学成分范围，制备了本发明合金的单晶试样，试样经过热处理和机加工后进行持久、拉伸、低周疲劳和抗氧化性能测试的结果见表2～5。本发明合金和Rene N5合金在几种条件下的持久Larson-Miller曲线见图4，低周疲劳寿命曲线见图5。可以看出，本合金不含Re，但持久、拉伸和低周疲劳性能与含Re的CMSX-4和Rene N5合金相当。合金1100℃循环氧化速率为0.055g/m²﹒h，属于完全抗氧化级别。

表1本发明实施例的合金成分(wt.％)

合金	C	B	Cr	Co	W	Mo	Nb	Ta	Al	Ti	Re	Ce	Y	Hf	Ni
																实施例1	0.04	0.003	6.84	9.5	8.2	1.3	0.5	3.0	5.7	1.2	--	0.02	0.01		余
实施例2	0.03	0.001	6.88	9.5	8.2	1.2	0.5	3.0	5.9	1.1	--	0.02	0.01		余
																实施例3	0.05	0.001	6.99	9.6	7.8	1.5	--	3.5	6.1	1	--	0.02	0.01	0.12	余
实施例4	0.05	0.001	6.86	9.56	7.5	1.5	--	4	6.5	0.9	--	0.02	0.01	0.12	余
																CMSX-4	--	--	6.5	9.0	6.0	0.6	--	6.5	5.6	1.0	3.0	--	--		余
Rene N5	--	--	7.0	8.0	5.0	2.0	--	7.0	6.2	--	3.0	--	--		余

表2实施例3合金的持久性能

温度/℃	应力MPa	寿命/h	延伸率/％
				1100	110	244	16
1100	90	410	10
				1070	160	178	20
1070	90	1868	8.2
				982	248	131	37
850	630	94	19

表3实施例3合金的低周疲劳性能

表4实施例4合金的拉伸性能

表5实施例4合金的循环氧化增重

氧化时间，h	氧化增重，g/m<sup>2</sup>	误差
			0	0	0
25	2.9675	0.08
			50	3.5887	0.6655
75	4.2098	0.6325
			100	6.3492	0.52103

Claims

1.一种高强抗高温氧化无铼第二代镍基单晶高温合金，其特征在于：按重量百分比计，所述镍基单晶高温合金的化学成分如下：

2.按照权利要求1所述的无铼二代镍基单晶高温合金，其特征在于：按重量百分比计，所述镍基单晶高温合金的化学成分如下：

Cr：6.0～7.0％，Co：9.0～10.0％，W：7.0～8.5％，Mo：1.0～2.0％，Nb：0～1.0％，Al：5.5～6.5％，Ti：0.7～1.2％，Ta：3.5～4.5％，C：0.03～0.05％，B：0.001～0.003％，Ce：0～0.02％，Y：0～0.01％，Hf：0.1～0.2％，其余为Ni。

3.按照权利要求1所述的无铼二代镍基单晶高温合金的热处理工艺，其特征在于：该镍基单晶高温合金合金的热处理工艺包括如下步骤：

(1)温度1275-1290℃，时间6-10h，空冷至室温；

(2)温度1100-1120℃，时间4-6h，空冷至室温；

(3)温度840-870℃，时间20-30h，空冷至室温。