CN112609107A - 一种mc碳化物晶须强化的定向凝固镍基高温合金及其制备方法 - Google Patents

一种mc碳化物晶须强化的定向凝固镍基高温合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种MC碳化物晶须强化的定向凝固镍基高温合金及其制备方法，属于高温合金技术领域。该合金成分(wt.％)：C 0.1～1.0％，Cr 6.0～12.0％，Co 4.0～12.0％，Al 4.0～6.5％，W 6.0～12.0％，Mo 1.0～5.0％，Nb 1.0～5.0％，Ta 11.0～15.0％，B≤0.02wt.％，Ni余。制备方法：采用真空感应炉冶炼母合金，然后在定向凝固炉内真空度0.5Pa～10‑3Pa熔化合金，1500～1650℃时浇铸，保温10～20min后定向抽拉凝固得到定向凝固试样及叶片。本发明合金初熔温度高，综合性能优异，持久性能好，使用寿命长，合金成本低。

Description

一种MC碳化物晶须强化的定向凝固镍基高温合金及其制备 方法
技术领域
本发明涉及高温合金技术领域，具体涉及一种MC碳化物晶须强化的定向凝固镍基高温合金及其制备方法。
背景技术
镍基高温合金具有优异的抗高温氧化和抗高温腐蚀性能，在500℃以下几乎不氧化，常温下不易受潮气、水及某些盐类水溶液的侵蚀，抗氧化性比钴基高温合金好。由于喷气式发动机的出现，真空冶炼技术的应用，合金化理论研究的进步，工艺技术的革新，从六十年代初开始，铸造高温合金突飞猛进向前发展，各种类型的合金在多种类型发动机上得到广泛应用。但是，铸造高温合金在强度提高的同时，塑性下降，明显地表现出蠕变断裂前延伸率降低的特点，这主要是由于蠕变裂纹沿晶萌生并扩展。涡轮叶片组织中的晶界，特别是垂直于应力轴的横向晶界是薄弱环节，在高温和应力作用下，裂纹首先在垂直于应力轴的横向晶界上萌生，然后发展至完全断裂。因此有必要强化晶界或消除横向晶界，以延长蠕变寿命，这就导致了定向凝固高温合金的发展。
定向凝固高温合金叶片中，一方面平行于应力轴向的晶界定向排列并与凝固方向平行，使晶界不再成为断裂源；另一方面，由于定向凝固工艺中，合金的凝固方向为低模量的择优生长的[001]方向，因此使零件的热疲劳抗力明显提高；同时，采用定向凝固技术制备的生长方向与应力轴平行的柱状晶组织的叶片，由于合金中往往添加C、Ta、B、Zr、Hf等晶界强化元素以强化晶界状态，因此零件的横向塑性和热疲劳性能也得到提高。
在镍基高温合金的发展中定向共晶自生技术一直是人们关注的焦点。定向共晶高温合金是定向凝固条件下合金与定向晶须或层片状强化相从合金熔体中同时生长并在凝固后保持规则排列的合金。由于强化相与基体相在凝固过程中同时形成，故又称“原生复合材料”。Lemkey等人第一次证明了用定向凝固的方法获得的以体积百分比为11％的Al3Ni定向排列晶须为强化相的铝基共晶复合材料具有较好的高温强度和组织稳定性，与后来在Ni基和Co基共晶合金上的实验结果确认了该类材料在高温构件领域应用的可行性。
采用在高温下具有高强度、高模量的定向晶须作增强相，高温镍基或铁基高温合金为基体，可制成在更高温度下具有更高强度和模量的新材料，是发展燃气涡轮叶片、燃烧室等高温部件材料的重要方向，这也是目前定向共晶高温合金研究与开发最为活跃的领域之一。用于制造涡轮叶片时(工作温度达900℃以上，应力可达300MPa)，共晶高温合金与普通的铸造高温合金相比有很大的优势，高强度的强化相与塑性基体定向复合，周期性的相间排列，可获得强度和塑性的理想综合；同时强化相的伸展方向与工作载荷方向一致，最大限度地发挥了其强化效果。由于共晶复合体是在接近热力学平衡条件下直接从合金熔体中生长出来的，其组织稳定性可保持到更高的温度，超过普通合金的固溶强化、沉淀强化、晶界强化的极限温度0.6～0.7Tm，将其使用温度提高到0.85～0.9Tm。世界上各著名飞机发动机公司都曾着力研究开发高温共晶复合材料发动机叶片。
发明内容
本发明的目的在于提供一种MC碳化物晶须强化的定向凝固镍基高温合金及其制备方法，所制备的定向凝固镍基高温合金初熔温度高、综合性能优越、比重小，且成本较低。。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是如下：
一种MC碳化物晶须强化的定向凝固镍基高温合金，按重量百分含量计，该合金化学成分如下：
C 0.1～1.0％，Cr 6.0～12.0％，Co 4.0～12.0％，Al 4.0～6.5％，W 6.0～12.0％，Mo 1.0～5.0％，Nb 1.0～5.0％，Ta 11.0～15.0％，Ni余。
该合金还可以包含B元素，B≤0.02wt.％。
所述MC碳化物晶须强化的定向凝固镍基高温合金的制备方法，包括如下步骤：
1)采用真空感应炉冶炼母合金，冶炼坩埚选用CaO或MgO坩埚；
2)在定向凝固炉上制备定向凝固合金，过程为：将步骤(1)制备的母合金装入CaO或MgO坩埚内，在真空度5×10-1～10-3Pa条件下熔化合金，在1500～1650℃时进行浇铸，保温10～20min后定向抽拉凝固。
步骤(1)冶炼母合金的过程为：首先按所述合金成分将除铝以外的其他原料(碳、镍、铬、钴、钨、钼、铌、钽合金元素)装入坩埚中，真空度在5×10-1～10－2Pa间熔化合金；熔化完毕后，在1550～1650℃精炼1～5min，然后停电、结膜、破膜加入铝，均匀搅拌，在1450～1600℃浇铸成母合金锭。
步骤(1)中，当合金组分中含B时，装料时B以镍硼中间合金的方式装入坩埚。
本发明合金设计机理如下：
1、本发明主要是加入较多的铝形成高体积分数的γ′相来提高其强度；通过加入适量的铌和钽可以增加γ′相的体积分数，提高γ-γ′的晶格错配度，进一步增强了γ′相的强化作用，同时还形成γ″相增强其室温和中温性能。合金中加入少量的碳和硼，一方面来强化晶界；另一方面碳与铌、钽等形成MC碳化物，在定向凝固条件下耦合生成[001]方向晶须，提高合金力学性能。铬、钴、钨、钼等合金元素还可固溶强化合金，提高γ′相的体积分数；合金中硼的含量较低且不含钛，使得该合金初熔温度高，冷热疲劳性能好；另外，本发明合金试样采用定向凝固技术制备，消除了横向晶界，提高了合金的强度和初熔温度。
本发明具有如下优点：
1.本发明合金初熔温度高。差热分析(DTA)表明：本发明所述合金初熔温度为1362℃，高于DZ411、DZ417G和DZ422合金分别达65℃、76℃、55℃，也高于DZ40M、K640等合金。
2.本发明合金抗氧化性能好。本发明合金在1100℃达到完全抗氧化级。
3.本发明冷热疲劳性能好。本发明合金的裂纹扩展速率不超过DZ40M的1/2。
4.本发明合金工艺性能好。本发明合金可铸成壁厚小至0.4mm的带有复杂内腔的无余量定向凝固叶片。
5.本发明合金成本低。本发明合金不含铼，铪等贵重元素，价格远低于第二代定向高温合金。
6.本发明合金强度高。本发明合金在所有温度上，合金拉伸和持久强度均远高于典型第二代定向高温合金。
7.本发明合金在军用高推重比航空发动机或陆用工业燃气轮机涡轮叶片上具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为MC碳化物晶须强化定向凝固合金显微组织。
具体实施方式
实施例1
本实施例合金成分见表1：
表1实施例1合金化学成分(wt.％)
C Cr Co Al W Mo Nb Ta B Ni
实施例1 0.1 12.0 4.0 6.5 6.0 1.0 5.0 11.0 0.01 余
采用真空感应炉冶炼实验用母合金，冶炼坩埚选用CaO坩埚，测温系统为W－Re电偶和JH-5型红外光导温度/真空度测试仪，测温保护套管为外层涂覆ZrO2和BN的Mo-Al2O3金属陶瓷管。操作过程为：将碳、镍硼中间合金、铬、钨、钼、铌合金元素以及镍板装入坩埚中；抽真空，给小功率(10KW)烘坩埚排除附着气体，当真空度达0.5Pa时，增加功率熔化合金；熔化完毕后，在1550℃±10℃精炼5min，停电、结膜、破膜加入Al，然后大功率(50KW)搅拌，搅拌后停电降温，大功率(40KW)破膜，在1600℃±10℃浇铸成母合金锭；定向凝固试样的制备在定向凝固炉上进行，实验用模壳为刚玉型壳，模壳放在水冷铜结晶器上，将制备好的母合金装入CaO坩埚内，定向凝固炉抽成真空状态，当真空度达0.1Pa时，送电加热，待合金熔化后，用W-Re电偶测量合金熔体温度，在1500℃±10℃时进行定向浇铸，模壳温度与浇注温度相同，保温20分钟后，用预定速率(0.8mm/min)进行抽拉，制备出定向结晶试样，MC碳化物晶须强化定向凝固合金显微组织如图1所示。
本发明合金初熔温度为1362℃，高于DZ411、DZ417G和DZ422高温合金分别达65℃、76℃、55℃，也高于DZ4125、K640合金，涡轮叶片材料的熔化温度范围见表2。
表2
Figure BDA0002806075650000041
Figure BDA0002806075650000051
本发明合金抗氧化性能好，1100℃氧化增重速率为0.035g/m2h，达到完全抗氧化级。本发明合金冷热疲劳性能好，裂纹扩展速率不超过DZ40M的1/2。
本发明合金强度高。在20℃和900℃两个典型温度上，涡轮叶片材料的拉伸性能见表3，实施例1合金在几个典型导向叶片材料中为最高，高于DZ40M和K640合金强度50％以上，而塑性仅低于DZ40M合金。
表3实施例1合金与现有合金强度比较
Figure BDA0002806075650000052
实施例2
与实施例1不同之处在于，本实施例的合金成分见表4所示：
表4实施例2合金化学成分(wt.％)
C Cr Co Al W Mo Nb Ta B Ni
实施例2 1.0 8.0 12.0 4.0 12.0 5.0 1.0 15.0 0.004 余
采用真空感应炉冶炼实验用母合金，冶炼坩埚选用MgO坩埚，测温系统为W－Re电偶和JH-5型红外光导温度/真空度测试仪，测温保护套管为外层涂覆CeO和BN的Mo-Al2O3金属陶瓷管。操作过程为：将碳、镍硼中间合金、铬、钴、钨、钼、铌合金元素以及镍板装入坩埚中；抽真空，给小功率(20KW)烘坩埚排除附着气体，当真空度达0.1Pa时，增加功率熔化合金；熔化完毕后，在1650℃±10℃精炼7min，停电、结膜、破膜加入Al合金，然后大功率(70KW)搅拌，搅拌后停电降温，大功率(60KW)破膜，在1450℃±10℃浇铸成母合金锭。
定向凝固试样的制备在定向凝固炉上进行，实验用模壳为刚玉型壳，模壳放在水冷铜结晶器上，将制备好的母合金装入MgO坩埚内，定向凝固炉抽成真空状态；当真空度达0.1Pa时，送电加热，待合金熔化后，用W-Re电偶测量合金熔体温度，在1500℃时±10℃进行浇铸，模壳温度与浇注温度相同，保温15钟后，用预定速率(0.5mm/min)进行抽拉，制备出定向结晶试样。与DZ40M、K640和K403合金做性能对比(表6)，合金100h持久强度见表5。
如表5所示为涡轮叶片材料持久寿命，本发明合金持久寿命在表5中最高。发明合金100小时的持久强度为DZ40M及K640合金的2～3倍。
表5实施例2合金与现有合金持久性能对比
Figure BDA0002806075650000062
表6实施例2合金与现有合金性能对比
Figure BDA0002806075650000061
Figure BDA0002806075650000071
实施例3
本实施例合金成分见表7：
表7实施例3合金化学成分(wt.％)
C Cr Co Al W Mo Nb Ta B Ni
实施例3 0.06 10.0 10.0 5.5 9.0 3.0 3.0 13.0 0.02 余
采用真空感应炉冶炼实验用母合金，冶炼坩埚选用CaO坩埚，测温系统为W－Re电偶和JH-5型红外光导温度/真空度测试仪，测温保护套管为外层涂覆ZrO2和BN的Mo-Al2O3金属陶瓷管。操作过程为：将碳、铬、钴、钨、钼、铌、钽合金元素以及镍板装入坩埚中；抽真空，给小功率(15KW)烘坩埚排除附着气体，当真空度达10－2Pa时，增加功率熔化合金；熔化完毕后，在1600℃±10℃精炼5min，停电、结膜、破膜加入Al锭，然后大功率(60KW)搅拌，搅拌后停电降温，大功率(50KW)破膜，在1550℃±10℃浇铸成母合金锭；定向凝固试样的制备在定向凝固炉上进行，实验用模壳为刚玉型壳，模壳放在水冷铜结晶器上，将制备好的母合金装入CaO坩埚内，定向凝固炉抽成真空状态，当真空度达10－2Pa时，送电加热，待合金熔化后，用W-Re电偶测量合金熔体温度，在1550℃±10℃时进行浇铸，模壳温度与浇注温度相同，保温10分钟后，用预定速率(1mm/min)进行抽拉，制备出定向试样。实施例3熔化温度范围与其他高温合金对比见表8。实施例3与DZ40M、K640、K403和DZ4合金做性能对比(表9)，合金100h持久强度见表10。
表8实施例3合金与现有合金熔化温度范围对比
Figure BDA0002806075650000072
Figure BDA0002806075650000081
表9实施例3合金与现有合金性能对比
Figure BDA0002806075650000082
表10实施例3合金与现有合金100h持久强度
Figure BDA0002806075650000083

Claims (5)

1.一种MC碳化物晶须强化的定向凝固镍基高温合金，其特征在于：按重量百分含量计，该合金化学成分如下：
C 0.1～1.0％，Cr 6.0～12.0％，Co 4.0～12.0％，Al 4.0～6.5％，W 6.0～12.0％，Mo1.0～5.0％，Nb 1.0～5.0％，Ta 11.0～15.0％，Ni余。
2.按照权利要求1所述的MC碳化物晶须强化的定向凝固镍基高温合金，其特征在于：该合金还包含B元素，B≤0.02wt.％。
3.按照权利要求1或2所述的MC碳化物晶须强化的定向凝固镍基高温合金的制备方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
1)采用真空感应炉冶炼母合金，冶炼坩埚选用CaO或MgO坩埚；
2)在定向凝固炉上制备定向凝固合金，过程为：将步骤(1)制备的母合金装入CaO或MgO坩埚内，在真空度5×10-1～10-3Pa条件下熔化合金，在1500～1650℃时进行浇铸，保温10～20min后定向抽拉凝固。
4.按照权利要求3所述的MC碳化物晶须强化的定向凝固镍基高温合金的制备方法，其特征在于：步骤(1)冶炼母合金的过程为：首先按所述合金成分将除铝以外的其他原料(碳、镍、铬、钴、钨、钼、铌、钽合金元素)装入坩埚中，真空度在5×10-1～10－2Pa间熔化合金；熔化完毕后，在1550～1650℃精炼1～5min，然后停电、结膜、破膜加入铝，均匀搅拌，在1450～1600℃浇铸成母合金锭。
5.按照权利要求4所述的MC碳化物晶须强化的定向凝固镍基高温合金的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，当合金组分中含B时，装料时B以镍硼中间合金的方式装入坩埚。
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