一種含錸高強抗熱腐蝕鎳基單晶高溫合金的製作方法
2023-05-22 13:49:36 1
一種含錸高強抗熱腐蝕鎳基單晶高溫合金的製作方法
【專利摘要】本發明提供了一種含錸高強抗熱腐蝕鎳基單晶高溫合金，該合金的組成成分構成和各成分的質量百分含量為：Cr：8.0～12.0%，Co：8.0～12.0%，Mo：0.5～3.0%，W：3.0～6.0%，Ta：4.0～8.0%，Al：3.0～5.0%，Ti：3.0～5.0%，Re：1.0～3.0%，C：0～0.4%，其餘為Ni，6.5≤Al+Ti≤9，Al/Ti≤1。該合金不僅具有優良的抗熱腐蝕性能，還具有較高的高溫力學性能、良好的組織穩定性。既可以適用於地面與艦用燃氣輪機高溫部件，又可以適用於航天、航空發動機高溫部件。
【專利說明】一種含錸高強抗熱腐蝕鎳基單晶高溫合金
【技術領域】
[0001]本發明屬於鎳基單晶高溫合金【技術領域】，具體涉及主要適用於在高溫熱腐蝕條件下承受較高應力的零部件的一種高強鎳基單晶高溫合金。
【背景技術】
[0002]海洋環境下的艦載機，地面燃氣輪機等科技領域的發展，要求發動機材料兼具有良好的力學性能和優異的抗熱腐蝕能力。隨著發動機以及燃機進口溫度的提高，不僅要求合金保持優異的抗熱腐蝕性能，同時對其力學性能提出了更高的要求。目前我國研製的抗熱腐蝕鎳基單晶高溫合金主要有DD8，DDlO和DD413等，這些合金具有較好的抗熱腐蝕性能，但強度遠達不到國內外第二代單晶高溫合金的水平。因此，目前具有高強度的抗熱腐蝕單晶合金在國內的種類較少。
[0003]針對上述背景，人們期望獲得一種抗熱腐蝕鎳基單晶高溫合金，在具有良好抗熱腐蝕性能的同時，持久等力學性能與典型第二代高強單晶合金相當的高強度第二代抗熱腐蝕單晶高溫合金。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是提供一種含錸高強抗熱腐蝕鎳基單晶高溫合金，該合金在獲得與典型第二代高強單晶高溫合金相當力學性能的同時，具有良好的抗熱腐蝕性能。
[0005]本發明提供了一種含錸高強抗熱腐蝕鎳基單晶高溫合金，所述合金的組成成分構成和各成分的質量百分含量滿足下述要求:
[0006]Cr:8.0 -12.0%, Co:8.0 -12.0%, Mo:0.5 -3.0%, W:3.0 -6.0%, Ta:
4.0 -8.0%, Al:3.0 -5.0%, Ti:3.0 -5.0%, Re:1.0 -3.0%, C:0 -0.4%,其餘為 Ni，
6.5 -Al+Ti ( 9, Al/Ti ( I。
[0007]本發明提供的高強抗熱腐蝕鎳基單晶高溫合金，所述合金的組成成分構成和各成分的質量百分含量滿足下述要求:
[0008]Cr:9.0 -11.0%, Co:9.0 -11.0%, Mo:1.0 -2.0%, W:3.5 -5.5%, Ta:
5.0 -7.0%, Al:3.3 -4.3%, Ti:3.6 -4.6%, Re:1.5 -2.5%, C:0 -0.2%,其餘為 Ni,
6.9 - Al+Ti ( 8.9, Al/Ti ( I。
[0009]本發明提供的聞強抗熱腐蝕鎮基單晶聞溫合金，所述鎮基單晶聞溫合金中，雜質的成分和質量百分含量滿足下述要求:0 ( 0.003，N≤0.002，S≤0.004，P ( 0.018，Si≤ 0.2，Pb ≤ 0.0005，Bi ≤ 0.00005。
[0010]本發明合金(合金牌號取名為DD420)的化學成分設計主要基於如下理由:
[0011]合金成分是影響熱腐蝕的關鍵因素，通過添加合金元素可以促進合金表面穩定氧化膜的形成，降低合金的熱腐蝕速率。高溫合金中，Cr是改善合金抗熱腐蝕性能最有效的合金兀素，一定的Cr含量能形成抗熱腐蝕Cr203保護膜。但是合金中Cr含量過高時會引起拓撲密排相(TCP)的析出。所以抗熱腐蝕高溫合金中Cr含量為8.0-12.0%。[0012]Co對TCP相有抑制作用，擴大熱處理窗口，但過高的Co含量會降低固溶溫度，導致合金高溫性能的降低，為保證合金的高溫性能，Co含量控制在8.0?12.0%。
[0013]Mo、W是高溫合金中最重要的固溶強化元素，但它們都是促進TCP相形成元素，對於合金的組織穩定性十分不利。而且W、Mo在高溫氧化環境下，極易生成揮發性的氧化物，難易形成緻密的氧化膜，在有Na2SO4的環境中，容易引起酸性熔融反應，產生嚴重的熱腐蝕，特別是高Mo的合金，常發生災難性的腐蝕。因此，限制Mo、W的含量分別小於3.0%和6.0%。
[0014]Al、T1、Ta是高溫合金中最主要的沉澱強化Y』相形成元素。Ti還有利於提高合金的抗熱腐蝕性能，Al能明顯提高合金的抗氧化性能，但對液態Na2SO4的防護性能極差，所以，合金的Ti/Al比大於1，且6.5≤Al+Ti≤9。Ta除了有效地提高合金的熱強性以外，同時還能增加合金的抗氧化性能、耐腐蝕性能和鑄造性能，但Ta過高，合金中共晶含量高，使合金的熱處理變得極為困難，結合這些因素本發明控制Ta含量在4.0?8.0%。
[0015]Re是高溫合金中有效的固溶強化元素，能降低高溫蠕變、持久過程中的元素擴散速率，顯著提高合金的力學性能。同時，Re對合金的抗熱腐蝕性能有益。但是Re在氧化過程中形成易揮發的氧化物，損害氧化膜的完整性，惡化抗氧化性能。另外，過量的Re也會促進TCP相析出。因此，將Re的含量控制在1.0?3.0%。
[0016]適量C的加入可提高合金的鑄造性能，降低合金的再結晶傾向，特別是C的加入生成小尺寸顆粒狀碳化物能夠強化晶界，從而提高單晶合金的小角晶界容限，進而提高合金的成品率。但過量C的加入會降低合金的性能，因此，將C含量控制在0-0.4%。
[0017]本發明所述鎳基單晶高溫合金利用純N1、Co、Cr、W、Mo、Ta、T1、Al、Re、C等元素在真空感應爐中熔煉，並澆注成化學成分符合要求的母合金，然後再通過定向凝固設備(高速凝固法或液態金屬冷卻法)重熔、利用螺旋選晶器或仔晶法定向凝固成單晶試棒。使用前需經過熱處理。
[0018]針對現有技術背景，本發明發展了一種含錸高強抗熱腐蝕鎳基單晶高溫合金，其抗熱腐蝕性能與M38合金相當，力學性能達到甚至超過了典型第二代高強單晶高溫合金水平。
[0019]本發明的優點及有益效果說明如下:
[0020](I)與現有的其它鎳基單晶高溫合金相比，本發明合金具有優異的抗熱腐蝕性能，900°C熱腐蝕能力與M38相當。
[0021 ] ( 2 )本發明合金的持久性能與典型第二代單晶高溫合金相當甚至更優，982 0C /248MPa下持久壽命>200h，1000°C /235MPa下持久壽命>100h，是高強的抗熱腐蝕單
晶聞溫合金。
[0022](3)本發明合金在900°C長期時效組織穩定。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1為本發明合金與現有技術中第一代單晶高溫合金PWA1483和第二代單晶高溫合金ReAe N5的Larson-Miller曲線比較圖；
[0024]圖2為本發明合金900° C熱腐蝕性能的測試；
[0025]圖3為本發明合金900° C長期時效2000h後顯微組織。【具體實施方式】
[0026]以下實施例將對本發明予以進一步的說明，但並不因此而限制本發明。
[0027]具體製備方法要求:採用真空感應爐熔煉，先澆注成化學成分符合要求的母合金，然後再製備單晶試棒，使用前須經過熱處理。
[0028]實施例1-3:
[0029]本發明鎳基單晶高溫合金試樣的化學成分均參見表I。為了方便對比，
[0030]表I中也列出了典型第一代鎳基單晶高溫合金PWA1483和典型的第二代單晶高溫合金ReAe N5的化學成分。
[0031]表I本發明合金(實施例1-8)和PWA1483、Rene N5的化學成分組成列表(wt.%)
[0032]
【權利要求】
1.一種含錸高強抗熱腐蝕鎳基單晶高溫合金，其特徵在於:所述合金的組成成分構成和各成分的質量百分含量滿足下述要求:
Cr:8.0 -12.0%, Co:8.0 -12.0%, Mo:0.5 -3.0%, W:3.0 -6.0%, Ta:4.0 -8.0%,Al:3.0 -5.0%, T1:3.0 -5.0%, Re:1.0 -3.0%, C:0 -0.4%,其餘為 Ni, 6.5 Al+Ti ( 9，Al/Ti ( I。
2.按照權利要求1所述的含錸高強抗熱腐蝕鎳基單晶高溫合金，其特徵在於，所述合金的組成成分構成和各成分的質量百分含量滿足下述要求:
Cr:9.0 -11.0%, Co:9.0 -11.0%，Mo:1.0 -2.0%,ff:3.5 -5.5%, Ta:5.0 -7.0%，A1:3.3 -4.3%,Ti:3.6 -4.6%,Re:1.5 -2.5%,C:0 -0.2%，其餘為 Ni,6.9 Al+Ti ( 8.9，Al/Ti ( I。
3.按照權利要求1或2所述的高強抗熱腐蝕鎳基單晶高溫合金，其特徵在於:所述鎳基單晶高溫合金中，雜質的成分和質量百分含量滿足下述要求:0 ( 0.003，N≤0.002，S ≤ 0.004，P ≤ 0.018，Si ( 0.2，Pb ( 0.0005，Bi ( 0.00005。
【文檔編號】C22C19/05GK103436739SQ201310334251
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年8月2日 優先權日:2013年6月20日
【發明者】王棟, 張功, 張健, 樓琅洪 申請人:中國科學院金屬研究所