CN114164356A - 一种高强度镍基单晶高温合金 - Google Patents

一种高强度镍基单晶高温合金 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高强度镍基单晶高温合金，属于镍基单晶高温合金技术领域。该合金化学成分为(wt.％)：Cr：3.0～7.0％，Co：8.0～12.0％，Mo：0.5～3.0％，W：4.0～8.0％，Ta：7.0～11.0％，Al：4.0～7.0％，Re：2.0～4.0％，C：0～0.1％，Hf：0～0.2％，B：0～0.01％，La:0～0.1％，Y：0～0.1％，其余为Ni。本发明与现有的其他镍基单晶高温合金相比，具有优异的持久性能和拉伸性能，同时还具有优良的抗氧化性能和良好的组织稳定性。既可以适用于航天、航空发动机高温部件，又可以适用于地面与舰用燃气轮机高温部件。

Description

一种高强度镍基单晶高温合金
技术领域
本发明属于镍基单晶高温合金技术领域，具体涉及一种高强度镍基单晶高温合金，主要适用于在高温条件下承受较高应力的零部件。
背景技术
高推重比航空发动机等技术领域的发展，要求材料具有更高的承温能力。在现有技术条件下，在镍基单晶高温合金中难熔元素W、Mo、Ta、Re等的固溶强化作用也显得越来越重要。特别是Re的加入，显著地提高了合金的高温强度。
高推重比发动机的研制对热端部件的承温能力不断提出更高的要求。第一代单晶高温合金比定向柱晶高温合金的使用温度提高25～30℃；第二代单晶高温合金。由于添加了3wt.％左右的贵金属元素铼(Re)，比第一代单晶高温合金使用温度又提高了30℃；第三代单晶高温合金中Re含量在6wt.％左右，可使耐温能力再提高30℃，达到1150℃左右。
国外从上世纪八十年代开始，已研制出一系列的单晶高温合金，其中第二代单晶合金已经获得泛应用，包括CMSX-4、Rene N5等。国内发展的第二代单晶高温合金为DD406。国外第三代单晶高温合金研制已完成，如CMSX-10、Rene N6、TMS-75等。
针对上述背景，人们期望获得一种高强度镍基单晶高温合金，拉伸、持久等性能优于国内典型第二代单晶高温合金DD406和国外典型第二代高强度镍基单晶高温合金CMSX-4，Rene N5等。
发明内容
本发明的目的是提供一种高强度镍基单晶高温合金，该合金在拉伸、持久等性能优于国内典型第二代单晶高温合金DD406的同时，具有良好的抗氧化性能。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种高强度镍基单晶高温合金，按重量百分含量计，该合金化学成分如下：
Cr：3.0～7.0％，Co：8.0～12.0％，Mo：0.5～3.0％，W：4.0～8.0％，Ta：7.0～11.0％，Al：4.0～7.0％，Re：2.0～4.0％，C：0～0.1％，Hf：0～0.2％，B：0～0.01％，La：0～0.1％，Y：0～0.1％，其余为Ni。
本发明提供的高强抗热腐蚀镍基单晶高温合金较优的按重量百分含量计的化学成分如下：
Cr：4.0～6.0％，Co：9.2～11.0％，Mo：1.5～2.5％，W：5.0～7.0％，Ta：7.5～10.0％，Al：5.0～6.2％，Re：2.5～3.5％，C：0.005～0.05％，Hf：0.02～0.12％，B：0.001～0.005％，La：0.0002～0.05％，Y：0.0001～0.05％，其余为Ni。
本发明提供的高强抗热腐蚀镍基单晶高温合金中，按重量百分含量计的杂质要求为：O≤0.003％，N≤0.002％，S≤0.004％，P≤0.018％，Si≤0.2％，Pb≤0.0005％，Bi≤0.00005％，Sn≤0.001％。
本发明合金(合金牌号取名为DD414)的化学成分设计主要基于如下理由：
该镍基单晶高温合金中含有W、Mo、Ta、Re等固溶强化元素，同时含有60-70％的γ′强化相。
为降低成本，设计合金中Re含量控制在当前第二代单晶高温合金的水平，即控制在3wt％左右。在控制高温强化元素Re的同时，要保证合金的高温强度，需要增加W、Mo、Ta等其它难熔元素的含量，可能导致合金的组织稳定性恶化，严重降低合金的性能。因此，本发明的最大难点在于解决合金的高温高强度与组织稳定性这一矛盾。
W是强固溶强化元素，同时部分分配到γ′相，有利于同时强化基体和γ′相，尤其在高温下的强化效果显著。除了Re之外，W也是有效的固溶强化元素，综合考虑合金的组织稳定性，本发明将W的含量控制在4.0～8.0wt％。但是过量加入W会导致组织不稳定，易形成TCP相，因此优化后的W含量控制在5.0～7.0wt％。
Mo也是固溶强化元素，Mo的加入会增加晶格错配度，提高合金力学性能。研究表明，TCP相对Mo含量极为敏感，当Mo含量为1.6wt％时，合金1100℃长期时效500h后，无TCP相析出，而当Mo含量增加到2.5wt％，其它合金元素偏上限时，合金1100℃时效200h后，有TCP相析出，因此，限制Mo的含量小于2.5wt％。
Ta不是TCP相形成元素，且适当的Ta含量能够减小铸造过程中枝晶间的溶质对流，提高合金的铸造性能。同时，Ta元素的加入，有利于提高合金的力学性能。本发明控制Ta含量在7.0～11.0wt％。但Ta含量过高，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7.5～10.0wt％。
Co对TCP相有抑制作用，但过高的Co含量会降低固溶温度，导致合金高温性能的降低，为保证合金的高温性能，Co含量控制在8.0～12.0wt％。
Al是γ′相形成元素，对合金的强化非常有益。同时，Al元素是合金抗氧化必不可少的元素。因此，将Al含量控制在4.0～7.0％。但是，过量Al的加入，将增加Nv值，可能析出TCP相，对合金性能不利。结合这些因素本发明控制Al含量在5.0～6.2％。
Cr是提高合金抗热腐蚀性能的关键元素，同时对抗氧化性能有益，在合金中必须添加适量的Cr，但由于Re、W、Mo、Ta等难熔元素含量较高，加入大量的Cr会使合金的组织稳定性降低，因此，将Cr含量控制在4～6wt％。上述各元素的合理配比是本发明合金良好综合性能的保证。
稀土元素La和Y，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。同时一定量的稀土元素可提高合金的力学性能。因此，本发明将稀土La控制在0.0002～0.1％，Y控制在0.0001～0.1％。
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小角度晶界，从而提高单晶高温合金的小角晶界容限，进而提高合金的成品率。碳的含量控制在0-0.1％，但过量碳的加入会降低合金的性能，因此，将碳含量控制在0.005-0.05％。
B可提高合金的力学性能，但会增加合金的共晶体积分数，增加合金的固液凝固区间，不利于合金的单晶生长，因此，硼的含量必须严格控制在0.001～0.005％之间。
本发明所述镍基单晶高温合金利用纯Ni、Co、Cr、W、Mo、Ta、Al、Re、Hf、C、B等元素在真空感应炉中熔炼，同时在适当的时机加入稀土元素La和Y，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)重熔、利用螺旋选晶器或籽晶法定向凝固成单晶试棒。单晶高温合金使用前需经过热处理。
本发明提供的高强度第二代镍基单晶高温合金，拉伸、持久等性能优于国内典型第二代高强度单晶高温合金DD406，同时具有良好的抗氧化性能。
本发明的优点及有益效果说明如下：
(1)与现有的其它第二代镍基单晶高温合金相比，本发明合金具有优异的拉伸、持久等性能。
(2)相对于第三代镍基单晶高温合金，本发明合金的Re含量较低，但是其部分持久性能甚至达到第三代镍基单晶高温合金的水平。
(3)本发明合金的抗氧化性能优于典型第二代单晶高温合金DD406。
(4)本发明合金在900℃长期时效组织稳定。
(5)本发明合金由于碳含量的控制可明显减轻单晶合金的再结晶倾向，提高单晶合金的成品率。
附图说明
图1为所述镍基单晶高温合金典型铸态组织；
图2为所述镍基单晶高温合金热处理态组织；
图3为本发明所述镍基单晶高温合金与现有技术中典型第二代单晶高温合金CMSX-4、Rene N5、DD406的Larson-Miller曲线比较图；
图4为本发明所述镍基单晶高温合金与现有技术中第三代单晶高温合金Rene N6、TMS-75的Larson-Miller曲线比较图；
图5为本发明所述镍基单晶高温合金与现有技术中典型第二代单晶高温合金ReneN5、DD406的拉伸性能比较图。
图6为所述镍基单晶高温合金1100℃长期时效500h后显微组织；
图7为所述镍基单晶高温合金900℃长期时效10000h后显微组织；
图8为所述镍基单晶高温合金1100℃长期时效100h后显微组织。
图9为所述镍基单晶高温合金1100℃氧化性能。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明予以进一步的说明，但并不因此而限制本发明。
以下各实施例中镍基单晶高温合金具体制备方法要求：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，热处理制度为1290℃/2h保温后，升温到1312℃/4h/AC+1150℃/4h/AC+870℃/24h/AC，AC为空冷。
实施例1-13：
本发明各实施例镍基单晶高温合金试样的化学成分均参见表1。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DD406、Rene N5、CMSX-4以及典型第三代镍基单晶高温合金Rene N5和TMS 75的化学成分。表1中Ni含量一栏的“余”含义为“余量”。实施例1合金铸态和热处理态典型显微组织见图1-2。
表1实施例1-13和DD406、Rene N5、CMSX-4、Rene N5、TMS 75的化学成分(wt.％)
Figure BDA0002674768990000061
表1中实施例1-12的合金成分中，还含有0.003wt.％的B、0.0003wt.％的La和0.0003wt.％的Y。
镍基单晶高温合金试样经过热处理和机加工后进行持久性能测试，实施例11和实施例12的结果见表2和表3。镍基单晶高温合金和典型第二代单晶高温合金DD406、Rene N5、CMSX-4的Larson-Miller曲线比较见图3。该图表明，本发明的镍基单晶高温合金的持久性能优于典型第二代单晶高温合金。镍基单晶高温合金和典型第三代单晶高温合金Rene N6、TMS-75的Larson-Miller曲线比较见图4。本发明合金的持久性能几乎可以达到第三代单晶高温合金Rene N6和TMS-75水平。
实施例12合金的拉伸性能见表4和图5。本发明合金的拉伸性能优于典型第二代单晶高温合金。
实施例13的持久性能分别见表5。表5数据表明，稀土元素La和Y的加入，对提高单晶合金的持久性能有益。
本发明实施例6合金980℃低周疲劳测试结果见表6。
本发明实施例4合金871℃光滑试样高温旋转弯曲疲劳试验结果见表7。
本发明实施例5合金完全热处理后，进行1100℃长期时效实验，长期时效500h后，没有TCP相析出，组织如图6所示。
本发明实施例12合金900℃长期时效10000小时后，无TCP相析出，组织见图7。
而实施例1合金(高Mo)经1100℃时效100h后，组织中析出了TCP相，见图8。
本发明合金的恒温氧化实验结果见图9，在1100℃以下合金为完全抗氧化级，且抗氧化性能优于DD406。
表2实施例11单晶合金的持久性能列表
温度(℃) 应力(MPa) 持久寿命(h) 延伸率(％)
1100 152 88 20.2
1100 152 87 10.6
1070 170 92 15.44
1010 248 101 25.2
980 310 106 21.76
850 660 92 20
760 850 257 17
表3实施例12单晶合金的持久性能列表
温度(℃) 应力(MPa) 持久寿命(h) 延伸率(％)
1100 152 136 14
1070 170 184 27
1010 248 159 34
1010 248 164 35
980 310 115 41
850 660 150 21
760 850 150 20
表4实施例12单晶合金的拉伸性能列表
温度(℃) 屈服应力(MPa) 断裂强度(MPa) 延伸率(％) 断面收缩率(％)
25 1013 1265 12 12
760 1091 1346 8 4
980 675 860 31 36
1050 498 711 32 27
表5实施例13单晶合金的持久性能列表
温度(℃) 应力(MPa) 持久寿命(h) 延伸率(％)
980 310 143 25.08
980 310 164 23.04
表6本发明实施例6合金980℃低周疲劳测试结果
Figure BDA0002674768990000081
Figure BDA0002674768990000091
表7本发明实施例4合金871℃光滑试样高温旋转弯曲疲劳试验结果
温度(℃) 最大应力(MPa) 应力比 频率(Hz) 循环寿命(C)
871 386 -0.5 127 5741056
871 386 -0.5 131.6 1964439
871 596 0.3 125.7 >10E7
871 596 0.3 126.8 >10E7
871 493 0 124.3 >10E7
871 493 0 123.5 >10E7
871 386 -0.5 125.4 >10E7
871 386 -0.5 124.2 6189385

Claims (3)

1.一种高强度镍基单晶高温合金，其特征在于：按重量百分含量计，该合金化学成分如下：
Cr：3.0～7.0％，Co：8.0～12.0％，Mo：0.5～3.0％，W：4.0～8.0％，Ta：7.0～11.0％，Al：4.0～7.0％，Re：2.0～4.0％，C：0～0.1％，Hf：0～0.2％，B：0～0.01％，La：0～0.1％，Y：0～0.1％，其余为Ni。
2.按照权利要求1所述的高强度镍基单晶高温合金，其特征在于：按重量百分含量计，该合金化学成分如下：
Cr：4.0～6.0％，Co：9.2～11.0％，Mo：1.5～2.5％，W：5.0～7.0％，Ta：7.5～10.0％，Al：5.0～6.2％，Re：2.5～3.5％，C：0.005～0.05％，Hf：0.02～0.12％，B：0.001～0.005％，La：0.0002～0.05％，Y：0.0001～0.05％，其余为Ni。
3.按照权利要求1或2所述的高强度镍基单晶高温合金，其特征在于：所述镍基单晶高温合金中，杂质重量百分含量满足下述要求：O≤0.003％，N≤0.002％，S≤0.004％，P≤0.018％，Si≤0.2％，Pb≤0.0005％，Bi≤0.00005％，Sn≤0.001％。
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