一種低錸鎳基單晶高溫合金及其製備方法
2023-05-27 14:31:46
一種低錸鎳基單晶高溫合金及其製備方法
【專利摘要】本發明公開了一種低錸鎳基單晶高溫合金及其製備方法。所述合金按質量百分比表示為：6.75-7.25%Cr、7.25-7.75%Co、1.3-1.7%Mo、5.8-6.2%W、5.8-6.2%Ta、0.85-1.15%Re、5.9-6.1%Al、1.3-1.7%Ti、0.12-0.18%Hf、0.04-0.06%C、0.003-0.005%B、0.010-0.020%Y，其餘為鎳。製備步驟為：採用真空感應爐熔煉母合金，通過重力鑄造製備母合金鑄棒；採用籽晶法通過Bridgeman定向凝固技術製備單晶試棒；單晶高溫合金熱處理。本發明合金初熔溫度高，熔化溫度範圍寬，凝固區間小；合金密度低，強度高，抗氧化性能好；合金的相穩定性好，長期時效不易生成有害相；合金成本低。
【專利說明】一種低錸鎳基單晶高溫合金及其製備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種鎳基單晶高溫合金及其製備技術，特別提供了一種低錸、高性能鎳基單晶高溫合金及製備方法，屬於高溫合金製備領域。
【背景技術】
[0002]目前，航空發動機的進口溫度已高達1400，°C傳統鐵基和鈷基高溫合金已不能滿足要求，迫切需要選用具有更高承溫能力的合金作為渦輪葉片的材料。鎳基單晶高溫合金具有優秀的高溫抗蠕變和疲勞能力，同時顯示出優秀的抗氧化和抗腐蝕性，成為渦輪葉片的主要選材。鎳基高溫合金髮展的近30年間，先後研製了 5代鎳基單晶高溫合金。合金內Re、W、Mo、Ta等難熔元素的不斷增加，使合金的承溫能力和高溫性能得到了極大的提升，但同時也帶來了組織穩定性降低、合金密度大、成本高等不足。因此，難熔元素的大量添加，尤其是Re元素的添加，對高溫合金成本及長期服役過程中微觀組織穩定性等的影響已引起了廣泛的關注，成為制約鎳基單晶高溫合金髮展的重要因素。
[0003]當前，國內外應用較為廣泛的是第2代鎳基單晶高溫合金(如Ren6N5、PffA1484,CMSX-4等)，在第2代單晶合金特別是含錸鎳基單晶高溫合金中的一個關鍵問題，在高溫下強烈促使TCP相(如σ、μ或P相)的析出，急劇惡化了鎳基單晶高溫合金的性能。另外，據估算，第2代含錸鎳基單 晶高溫合金添加3.0wt%的Re後，合金的成本提高了約70%，極大降低了產品的市場競爭力。為此，美國GE公司開發了一系列低錸鎳基單晶高溫合金(專利號:W02009032578A1)以降低合金成本及提高組織穩定性，綜合性能達到含錸3.0wt%的第2代單晶Ren6N5，但錸含量僅為1.5wt%，其密度為8.6g/cm3。由於服役過程中合金所受的應力與其密度成正比，而蠕變速率與應力存在對應的關係(εΚ—5，6)，因此密度越小，合金蠕變速率越慢，使用壽命越長，尤其作為航空發動機渦輪葉片材料，密度的降低對於提升發動機推重比具有重要意義。因此，為進一步提升飛機發動機工作性能，合金密度的控制也是成分設計的一個重要方向。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在於提供一種低錸鎳基單晶高溫合金及其製備方法，用於要求抗蠕變強度高、高溫持久壽命長的高溫渦輪工作葉片材料。
[0005]—種低錸鎳基單晶高溫合金，按質量百分比計，合金成分如下:6.5-7.5%Cr,7.0-7.5%Co, 1.1-1.9%Mo, 5.5-6.5%ff, 5.5-6.5%Ta, 0.75-1.25%Re, 5.8-6.2%A1,1.1-1.9%Ti,0.l-0.2%Hf,0.02-0.08%C,0.002-0.006%B，0.010-0.020%Y，餘量為 Ni。
[0006]優選方案:一種低錸鎳基單晶高溫合金，按質量百分比計，合金成分如下:
6.75-7.25%Cr,7.25-7.75%Co, 1.3-1.7%Μο，5.75-6.25%ff,5.8-6.2%Ta,0.85-1.15%Re,
5.9-6.1%A1,1.3-1.7%Ti，0.12-0.18%Hf,0.04-0.06%C,0.003-0.005%B，0.013-0.017%Y,餘量為Ni。
[0007]一種製備上述低錸鎳基單晶高溫合金的方法，包括以下步驟:[0008]第一步:採用真空感應爐熔煉母合金，通過重力鑄造製備母合金鑄棒；
[0009]第二步:採用籽晶法通過Bridgeman定向凝固技術製備單晶試棒；
[0010]第三步:單晶高溫合金熱處理。
[0011]其中，第一步中所述的母合金熔煉功率為20-25KW，熔煉時間為3-5分。
[0012]第二步中所述的單晶製備工藝是溫度梯度為200-300K/cm，抽拉速率為10-100 μ m/s。
[0013]第三步中所述的熱處理包括固溶處理、高溫時效處理和低溫時效處理，其中固溶處理工藝溫度為1300-1310，°C時間為2-4小時，冷卻方式為空冷；高溫時效處理溫度為1080-1100, °C時間為2-5小時，冷卻方式為空冷；低溫時效處理溫度為870-900，°C時間為16-24小時，冷卻方式為空冷。
[0014]本發明的合金設計原理:綜合運用電子空位理論和d-電子理論，初步設計鎳基單晶高溫合金成分，計算其主要性能評價指標，並與典型第I代、第2代鎳基單晶高溫合金對應的性能評價指標作比較、分析。通過以第二相析出強化主導來提高合金高溫性能，以其降低合金中難熔元素、貴重元素、高密度元素的含量。具體方法:合金組織穩定性用電子空位數Nv和合金元素d分子軌道平均能級Mdt值綜合衡量，強度用合金元素間共價鍵平均結合強度Bot值衡量，使用溫度用相固溶溫度IV slvus衡量，綜合性能使用成分性能預測參數P值評價.具體評價體系:在保證合金組織穩定的前提下，具有較高的1(11:、801:、1\, solvus>P值，以及較低的密度。形成σ相的穩定性臨界值是Νν〈2.49，形成Laves相的穩定性臨界值 Νν〈2.30。
·[0015]本發明與現有技術相比，其顯著優點是:(1)本發明合金初熔溫度高，熔化溫度範圍寬，凝固區間小。(2)本發明合金密度低，強度高，抗氧化性能好。(3)本發明合金的相穩定性好，長期時效不易生成有害相。(4 )本發明合金成本低。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1是為本發明低錸鎳基單晶高溫合金製備流程圖。
【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖對本發明做進一步詳細描述。
[0018]本發明低錸鎳基單晶高溫合金製備工藝見圖1。
[0019](I)合金成分設計
[0020]合金成分設計採用式(1)-(6)計算。
[0021]①合金電子空位數計算如式⑴所示,式中:1?為i組元的摩爾分數；(Nv)i為i組元的平均電子空位數。
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[0022](I)
1-lI
[0023]②d-電子理論計算如式(2)、式(3)所示，式中:Ci為i組元的原子分數；Mdi為i組元的d分子軌道能級；Mlt為平均d分子軌道能級；Boi為元素之間共價鍵結合強度的參數；SS為平均Boi值。
【權利要求】
1.一種低錸鎳基單晶高溫合金，其特徵在於按質量百分比計，合金成分如下:6.5-7.5%Cr,7.0-7.5%Co, 1.1-1.9%Μο，5.5-6.5%ff, 5.5-6.5%Ta，0.75-1.25%Re,5.8-6.2%A1,1.1-1.9%Ti,0.1-0.2%Hf,0.02-0.08%C,0.002-0.006%B，0.010-0.020%Y,餘量為Ni。
2.根據權利要求1所述的低錸鎳基單晶高溫合金，其特徵在於按質量百分比計，合金成分如下:6.75-7.25%Cr,7.25-7.75%Co, 1.3-1.7%Μο，5.75-6.25%ff, 5.8-6.2%Ta,0.85-1.15%Re，5.9-6.1%A1,1.3-1.7%Ti，0.12-0.18%Hf,0.04-0.06%C,0.003-0.005%B,0.013-0.017%Y，餘量為 Ni。
3.根據權利要求1所述的低錸鎳基單晶高溫合金，其特徵在於所述合金採用以下步驟製備: 第一步:採用真空感應爐熔煉母合金，通過重力鑄造製備母合金鑄棒； 第二步:採用籽晶法通過Bridgeman定向凝固技術製備單晶試棒； 第三步:單晶高溫合金熱處理。
4.根據權利要求3所述的低錸鎳基單晶高溫合金，其特徵在於第一步中所述的母合金熔煉功率為20-25KW，熔煉時間為3-5分鐘。
5.根據權利要求3所述的低錸鎳基單晶高溫合金，其特徵在於第二步中所述的單晶製備工藝是溫度梯度為200-300K/cm，抽拉速率為10-100 μ m/s。
6.根據權利要求3所述的低錸鎳基單晶高溫合金，其特徵在於第三步中所述的熱處理包括固溶處理、高溫時效處理和低溫時效處理，其中固溶處理工藝溫度為1300-1310，°〇時間為2-4小時，冷卻方式為空冷；高溫時效處理溫度為1080-1100，°C時間為2_5小時，冷卻方式為空 冷；低溫時效處理溫度為870-900，°C時間為16-24小時，冷卻方式為空冷。
7.—種低錸鎳基單晶高溫合金的製備方法，其特徵在於包括以下步驟: 第一步:採用真空感應爐熔煉母合金，通過重力鑄造製備母合金鑄棒； 第二步:採用籽晶法通過Bridgeman定向凝固技術製備單晶試棒； 第三步:單晶高溫合金熱處理。
8.根據權利要求7所述的低錸鎳基單晶高溫合金的製備方法，其特徵在於第一步中所述的母合金熔煉功率為20-25KW，熔煉時間為3-5分鐘；按質量百分比計，合金成分如下:6.5-7.5%Cr, 7.0-7.5%Co, 1.1-1.9%Mo, 5.5-6.5%ff, 5.5-6.5%Ta, 0.75-1.25%Re,5.8-6.2%A1,1.1-1.9%Ti,0.1-0.2%Hf,0.02-0.08%C,0.002-0.006%B，0.010-0.020%Y,餘量為Ni。
9.根據權利要求7所述的低錸鎳基單晶高溫合金的製備方法，其特徵在於第二步中所述的單晶製備工藝是溫度梯度為200-300K/cm，抽拉速率為10-100 μ m/s。
10.根據權利要求7所述的低錸鎳基單晶高溫合金的製備方法，其特徵在於第三步中所述的熱處理包括固溶處理、高溫時效處理和低溫時效處理，其中固溶處理工藝溫度為1300-1310，°C時間為2-4小時，冷卻方式為空冷；高溫時效處理溫度為1080-1100，°〇時間為2-5小時，冷卻方式為空冷；低溫時效處理溫度為870-900，°C時間為16-24小時，冷卻方式為空冷。
【文檔編號】C30B29/52GK103866392SQ201410035718
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年1月24日 優先權日:2014年1月24日
【發明者】陳 光, 周雪峰, 李沛, 嚴世坦 申請人:南京理工大學, 江蘇省（丹陽）高性能合金材料研究院, 南京鼎正新材料科技有限公司, 南京一甲新材料科技有限公司