一類鎳基單晶高溫合金的成分及其應用的製作方法

2023-07-15 09:16:56 3

本發明涉及一類鎳基單晶高溫合金的成分及其應用，屬於高溫合金技術領域。

背景技術：

鎳基高溫合金主要是指以鐵、鈷和鎳為基，能在600℃以上在一定應力條件下能夠長期工作的一種高溫結構材料。這種材料具有較高的承溫能力、較長的持久壽命、良好的抗氧化能力和抗腐蝕能力以及良好的疲勞性能和斷裂韌性。隨著工業的高速發展，高溫合金在各個領域中展現了良好的應用前景，主要用於航空發動機和燃氣輪機的渦輪葉片、導向葉片和渦輪盤等高溫部件。

高溫合金按照製備工藝可分為變形高溫合金、鑄造高溫合金和粉末冶金高溫合金(包括氧化物彌散強化高溫合金)。其中按照金屬材料基體主要可以分為鐵基高溫合金、鈷基高溫合金和鎳基高溫合金。鐵基高溫合金由於組織穩定性和抗氧化性相對較差，高溫強度不足，不能在更高的溫度下使用，只能在中溫條件(600~800℃)條件下使用。而鈷是一種重要的戰略性資源，世界大多數國家鈷資源稀缺。因此，以鎳為基體的鎳基高溫合金成為目前高溫合金中應用最廣、高溫強度最高的一類合金，其在650~1000℃範圍內具有較高的強度和較強的抗氧化性。鎳基高溫合金具有許多優點，首先可以固溶較多的合金元素，且能保持較好的穩定性；其次可以形成γ′-ni3al超點陣，與基體完全共格，實現高溫強化。最後含有鉻的鎳基高溫合金具有更高的抗氧化、抗腐蝕能力。

其中，鎳基高溫合金最早是變形高溫合金。但隨著高溫性能的提高，合金的變形也變得困難。為了突破變形工藝的束縛，科研人員研發出了等軸晶鑄造合金。通過實際使用發現，鎳基高溫合金葉片的工作壽命受垂直於應力軸晶界(橫向晶界)的影響，因此通過定向凝固技術，消除橫向晶界，研發出定向凝固柱晶高溫合金，如tmd-5和tmd-k35。定向凝固柱晶高溫合金的晶界方向與應力方向平行，因此提高和鎳基高溫合金的性能。但晶界在高溫條件下是薄弱環節。因此，通過相關技術手段去除晶界，製備出單晶高溫合金。第一代單晶高溫合金以tms-12和tms-6為代表，為廉價合金。第二代單晶合金在第一代單晶合金的基礎上，加入3wt%的re元素，如tms-145，承溫能力提高了大約30℃。同時，第三代單晶合金(tms-75和tms-80)加入6wt%的re，性能進一步提高。但為了抑制tcp的析出，第四代單晶合金開始，加入ru，如tms-138(第四代單晶)，tms-196(第五代單晶)和tms-238(第六代單晶)，同樣高溫性能也得到提高。

鎳基高溫合金從變形合金髮展到鑄造合金，而鑄造合金從等軸晶鑄造合金、定向凝固合金和單晶高溫合金，而鎳基單晶高溫合金從第一代發展到第六代。在合金的發展過程中，合金的性能(承溫能力和持久壽命)在不斷提高，但鎳基高溫合金的成分規律一直缺少解釋。

如何通過描述鎳基高溫合金的微觀結構，找出鎳基高溫合金的成分發展規律，並確定鎳基高溫合金的成分，一直是業內需要解決的關鍵問題。

技術實現要素：

本發明基於現有鎳基高溫合金的成分，找出鎳基高溫合金的成分規律和性能參數，最終確定具有高結構穩定性的鎳基單晶高溫合金的成分，並命名為nideal合金，為航機用鎳基單晶高溫合金的成分設計提供理論依據。

本發明採用的技術方案是：一類鎳基單晶高溫合金的成分，主要合金的成分包括類ni元素、形成γ′析出相的元素、形成γ基體元素和al元素，所述類ni元素選用ni、co、re、ru、ir、fe、pt、pd、os、rh、tc中的一種或幾種，選用元素的原子百分比總量為751.5，所述形成γ′析出相的元素選用ti、v、nb、ta、zr、hf中的一種或幾種，選用元素的原子百分比總量為3.10.1，所述形成γ基體元素選用cr、mo、w中的一種或幾種，選用元素的原子百分比總量為9.40.2，所述al元素的原子百分比總量為12.50.2，所述成分需同時滿足；在所述主要合金的成分確定之後，還可以選用mg、si、c、b以及la、ce、y等稀土元素中的一種或幾種，原子百分比總量應控制在所述主要合金成分的原子百分比總量的0.5以內。

所述的一類鎳基單晶高溫合金的成分應用於航空發動機的鎳基單晶高溫合金的成分構建。

本發明的有益效果是：這種鎳基單晶高溫的成分應用於航空發動機的鎳基單晶高溫合金的成分構建。合金元素分為主要合金元素和其他元素。主要合金元素包括類ni元素(ni、co、re、ru、ir、fe、pt、pd、os、rh或tc)、形成γ′析出相的元素(ti、v、nb、ta、zr或hf)、形成γ基體元素(cr、mo或w)和元素al。其中類ni元素原子百分比總量為751.5，形成γ′析出相的元素的原子百分比總量為3.10.1，形成γ基體元素的原子百分比總量為9.40.2,元素al的原子百分比總量為12.50.2，。此外，主要合金化元素確定之後，還可以添加少量其它元素，包括mg、si、c或b以及la、ce、y等稀土元素，其原子百分比總量應控制在上述主要合金元素總含量的原子百分比0.5以內。該合金命名為nideal，為具有高承溫能力和長持久壽命的高結構穩定性鎳基單晶高溫合金。

附圖說明

圖1為主要合金化元素的合金矢量法比較。圖1中每一個點表示原子百分比含量為90的ni元素與原子百分比含量為10的合金化元素的混合，如al表示原子百分比為90的ni與原子百分比為10的al的混合。按照合金化元素的向量分布特徵，可歸出al（其合金矢量基本水平方向）、形成γ′析出相元素(ti、v、nb、ta、zr或hf，合金矢量最靠近al)、形成γ基體元素(cr、mo或w，位於中間位置)、以及類ni元素（ni、co、fe、re、ru、ir、os、rh或tc，與指向al的矢量的夾角最大）。

圖2為表1中tm系列鎳基高溫合金的成分點在一種偽三元成分圖上的分布，圖中三元指類ni元素(ni、co、re、ru、ir、fe、pt、pd、os、rh或tc)、形成γ′析出相的元素al、以及其它元素（含形成γ′析出相的元素ti、v、nb、ta、zr或hf以及形成γ基體元素cr、mo或w)。具體合金成分見表1。tm系列鎳基高溫合金的發展，從定向凝固合金(directionallysolidified)發展到單晶高溫合金(singlecrystal)。而單晶高溫合金合金從第一代發展到第六代。在合金的發展過程中，合金的性能不斷提高。合金在發展的過程中，高代次的單晶高溫合金，類ni元素的原子百分比總量趨近於75，而γ′析出相的元素中的al趨近於12.5。其它元素總量趨近於12.5。

圖3類似於圖2，但是將形成γ′析出相的元素合併，與形成基體γ的元素cr、mo、w和類ni元素作圖，可以發現，鎳基高溫合金在向高代次單晶合金髮展的過程中，形成基體γ的元素的原子百分比總量趨近於9.4%。之前的圖2表明，除了al和類ni之外的其它元素的原子百分比總量趨近於12.5，因此除了al之外的其它形成γ′析出相的元素的原子百分比總量趨近於3.1(3.1=12.5-9.4)。鎳基高溫合金在發展的過程中一直靠近於成分點，即本發明涉及的nideal成分點。

圖4為典型鎳基高溫合金的承溫能力和成分分布圖，即鎳基高溫合金在1000小時持久壽命、137mpa下的承溫能力，同時也反應了鎳基高溫合金的發展歷程。鎳基高溫合金在發展的過程中，合金的承溫能力在不斷的提高，同時，合金的成分點一直靠近與nideal合金成分點，即原子百分比15.6成分線與9.4成分線的交點。圖4中可以發現，pwa1484合金距離nideal合金成分點為原子百分比0.5，但pwa1484的al原子含量12.9，與nideal的12.5相比，偏高0.4，高於本發明提出的nideal合金的al的成分，12.5±0.2。同時該合金不含有近代單晶合金的特殊元素。圖4中承溫能力最高為tms-162合金，位於nideal合金成分點的附近，但是仍然有原子百分比為2.2的成分距離。

圖5為典型鎳基單晶高溫合金持久壽命與元素分布。可以看出，現有合金成分沒有理想滿足nideal合金成分點的合金，距離最近的仍然為pwa1484，但隨著持久壽命的增加，合金都趨近於nideal成分點，即原子百分比15.6成分線與9.4成分線的交點。

具體實施方法

以下實施例將對本發明予以進一步說明。

本實施例描述tm系列單晶合金的第四代tms-138a到第六代tms-238的演化過程。

tm系列第四代單晶合金tms-138a，在1100℃/137mpa下的持久壽命為720小時（kyokokawagishi,superalloys2012,tms2012）。其牌號標準成分為質量百分比的ni-5.8co-5.8re-3.6ru-3.2cr-2.9mo-5.6w-5.7al-5.6ta-0.1hf，並轉換成原子百分比。

將主要合金化元素分類並與nideal成分做出比較。其ni元素ni0.86co0.08re0.03ru0.03、形成γ′析出相元素al、其它形成γ′析出相元素ta0.98hf0.02、和形成γ基體元素cr0.5mo0.25w0.25的原子百分比總量分別為：76.9，13.4，2.0，7.7。可見，該合金與nideal合金仍然有一定的成分距離，體現在：類ni元素比nideal的75高出1.9，al比nideal的12.5高出0.9，其他形成γ′析出相元素比nideal的3.1欠缺1.1，γ基體的元素比nideal的9.4欠缺1.7。因此從nideal合金角度，tms-138a應該具有較大的成分改良空間。該合金在1100℃/137mpa下的持久壽命為720小時。

以類似的方式分析第六代單晶合金牌號tms-238的成分，其標準質量百分比成分為ni-6.5co-6.4re-5ru-5.9al-7.6ta-0.1hf-4.6cr-1.1mo-4w。轉化成原子百分比，可得其類ni元素ni0.84co0.09re0.03ru0.04的原子百分比為75.7（相對於tms-138a下降了1.2，比nideal的75仍然高出0.7），al元素原子百分比為13.8（相對於tms-138a的13.4仍然略有增加，比nideal的12.5高出1.3），其他形成γ′析出相元素ta0.99hf0.01的原子百分比增加到2.7（相對於tms-138a的2.0增加了0.7，比nideal的3.1僅欠缺0.4），形成γ基體的元素cr0.73mo0.09w0.18的原子百分比總量保持不變，仍然為7.7（比nideal的9.4欠缺1.7）。總的來講，該合金成分更加接近nideal，其在1100℃/137mpa下的持久壽命為1930小時，是第四代tms-138a的2.7倍。可見，tm系列合金從tms-138a向tms-238發展的過程中，合金更加靠近nideal的成分。因此可以預測，理想合金nideal的性能將會進一步提升。

tm系列鎳基高溫合金主要合金化元素成分，如表1所示。

具體製備方法

根據前面步驟，確定基於第六代單晶合金tms-238的nideal合金成分為：(ni0.84co0.09re0.03ru0.04)75al12.5(ta0.99hf0.01)3.1(cr0.73mo0.09w0.18)9.4，其中四類合金元素均與tms-238一致，但是其相對含量換成理想的百分比。換算成質量百分比，形成新的nideal合金的一種標準配方：ni-6.15co-6.48re-4.69ru-5.22al-8.59ta-0.09hf-5.52cr-1.26mo-4.81w。

真空感應熔煉，製備出nideal合金的母合金，測試實際成分並與名義成分進行比較，並控制實驗誤差。

利用選晶法將nideal母合金製備成nideal單晶合金。利用dta和金相法，測試合金的初熔點。根據合金的初熔點確定nideal合金的熱處理制度。其中固溶溫度一般比初熔溫度低5~10℃，同時確保爐膛溫度準確。

對鎳基單晶高溫合金nideal合金進行熱處理，並進行相關性能測試，根據測試結果再次調整成分和熱處理工藝，並最終得到性能優異的鎳基單晶高溫合金。關鍵是確定合金成分與熱處理工藝的匹配。

可以預測，理想合金nideal的性能將優於tms-238。