一種低成本、低密度鎳基單晶高溫合金的製作方法
2023-05-30 00:35:56 1
專利名稱：一種低成本、低密度鎳基單晶高溫合金的製作方法
技術領域：
本發明涉及鎳基單晶高溫合金技術領域，特別提供了主要適用於在高溫下承受高應力的零部件的一種低成本、低密度鎳基單晶高溫合金。
背景技術：
高推重比航空發動機等技術領域的發展，要求材料具有更高的承溫能力。在現有技術條件下，在鎳基單晶高溫合金中難熔元素W、Mo、Ta、Re等的固溶強化作用也顯得越來越重要。特別是Re的加入，顯著地提高了合金的高溫強度。典型的第一代鎳基單晶高溫合金中不含Re，第二代鎳基單晶高溫合金中含3wt%Re，第三代鎳基單晶高溫合金中含6wt%的Re。國外從上世紀八十年代開始，已研製出一系列的單晶高溫合金。其中第二代單晶合金已經廣泛應用；第三代單晶高溫合金研製已完成，如 CMSX-10、Rene N6、TMS-75 等。 但是，單晶合金中的關鍵強化元素Re資源稀少，價格昂貴，屬於戰略資源。單晶合金中Re元素的含量直接決定了合金的成本，例如第二代單晶(3wt%Re)的成本約是第一代單晶的8倍，第三代單晶(6wt%Re)的成本與第二代單晶相比又提高約90%。針對上述背景，人們期望獲得一種技術效果優良的低成本(Re含量較低)、低密度(密度 8. 85 g/cm3，典型三代單晶 CMSX-10 :9. 05 g/cm3，Rene N6 :8. 97 g/cm3，TMS-75 :8. 89g/cm3)、持久性能與國外典型第三代單晶合金CMSX-10、Rene N6、TMS_75等相當的高強度第三代單晶高溫合金。
發明內容
本發明的目的是提供一種技術效果優良的低成本、低密度的第三代單晶高溫合金，在獲得與國外典型第三代單晶高溫合金基本相當性能的同時，要求減少Re的加入量(低於4. 5wt%),以便顯著降低合金成本,降低合金密度。本發明一種低成本、低密度鎳基單晶高溫合金，其特徵在於所述鎳基單晶高溫合金的組成成份構成和各成份的質量含量滿足下述要求
Cr :2. 5 4. 5%, Co :7. 0 11. 0%, Mo :0. 5 2. 3%, W :5. 0 I. 5%, Ta :7. 0 10. 0%,Re :3. 3 4. 5%, Al :5. 0 7. 0%，Ti 0 0. 5%,Hf 0 0. 2%, C 0 0. 05%,B 0 0. 01%,
其餘為Ni。本發明一種低成本、低密度的第三代鎳基單晶高溫合金，按重量百分比計，優化後的合金成份範圍滿足下述要求
Cr :3. 0 4. 0%, Co :7. 5 10. 5%,Mo :1. 0 2. 3%, W :5. 0 6. 5%, Ta :7. 0 9. 0%, Re
3.5 4. 5%, Al :5. 5 6. 5%, Ti 0 0. 2%, Hf 0 0. 1%, C 0 0. 02%, B 0 0. 005%，其
餘為Ni。所述鎳基單晶高溫合金中，雜質的成份和含量優選滿足下述要求0 ( 0. 004，N ( 0.0015，S ( 0.004，P ( 0.018，Si ( 0. 2, Pb ( 0. 0005, Bi ( 0. 00005, Sn (0. 001。本發明合金(合金牌號取名為DD33)的化學成份設計主要基於如下理由
合金為鎳基單晶高溫合金，合金中含W、Mo、Ta、Re等固溶強化元素，同時含有60_70%的
Y丨強化相。為降低成本，設計要求為合金中Re含量控制在4. 5wt%以下。因為Re是最有效的高溫強化元素，在控制Re含量的前提下要保證合金的高溫強度，勢必要增加W、Mo、Ta等其它難熔元素的含量。合金中難熔元素的含量與合金的組織穩定性往往相互矛盾，難熔元素含量過高， 合金在高溫服役過程中易析出有害的TCP相，嚴重降低合金的性能。因此，本發明的最大難點在於解決合金的高溫強度與組織穩定性這一矛盾。其化學成份設計主要基於以下理由
W是強固溶強化元素，尤其在高溫下的強化效果顯著。除了 Re之外，W也是有效的固溶強化元素，綜合考慮合金的組織穩定性以及密度，本發明將W的含量控制在5. 0 7. 5wt%。但是過量加入W會導致組織不穩定，易形成TCP相，因此優化後的W含量控制在5. (T6. 5wt%。Mo也是固溶強化元素，Mo的加入會增加晶格錯配度，提高合金性能。實驗表明，TCP相對Mo的含量極為敏感，當Mo含量為1.5被％時，合金1100° C長期時效500h後僅有少量TCP相析出，而當Mo含量增加到2. 5 wt%，其它合金元素偏上限時，合金1100° C時效IOh後就有大量TCP相析出，因此，限制Mo的含量小於2. 3wt%。Ta不是TCP相形成元素，且適當的Ta含量能夠減小鑄造過程中枝晶間的溶質對流，提高合金的鑄造性能，本發明控制Ta含量在7.0 10.0wt%。但Ta含量過高，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7. 0
9.0wt%oCo對TCP相有抑制作用，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7. 0 11. 0wt%。Cr是提高合金抗熱腐蝕性能的關鍵元素，在合金中必須添加適量的Cr，但由於高強度合金中添加Re、W、Mo、Ta等難熔元素多，加入大量的Cr會使合金的組織穩定性降低，因此，將Cr含量控制在2. 5^4. 5wt%0上述各元素的合理配比是本發明合金良好綜合性能的保證。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。碳的含量控制在0-0. 05%，但過量碳的加入會降低合金的性能，因此，將碳含量控制在 0-0. 02%。B可提高合金的力學性能，但會增加合金的共晶體積分數，增加合金的固液凝固區間，不利於合金的單晶生長，因此，硼的含量必須嚴格控制在0-0. 005%之間。本發明所述鎳基單晶高溫合金利用純Ni、Co、Cr、W、Mo、Ta、Ti、Al、Re、Hf、C、B等元素在真空感應爐中熔煉，並澆注成化學成份符合要求的母合金，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。
針對現有技術背景，本發明發展了一種低成本(Re含量較低)、低密度(密度8. 85g/cm3，典型三代單晶 CMSX-10 :9. 05 g/cm3, Rene N6 :8. 97 g/cm3, TMS-75 :8. 89 g/cm3)持久性能與國外典型第三代單晶合金CMSX-10、Rene N6、TMS-75等相當的高強度第三代單晶
向 fjnL 口 W. o本發明的優點及有益效果說明如下
(I)與現有的其他鎳基單晶高溫合金相比，本發明合金具有優異的持久性能和拉伸性能。IlOO0C /152MPa 下持久壽命 >110h ；98 0°C /350MPa 下持久壽命 >80h。(2)本發明合金的持久性能與國外典型第三代單晶高溫合金CMSX-10、Rene N6、TMS-75相當，但由於貴重元素Re含量較低，因而成本降低。另外，本發明合金密度低於國外典型第三代單晶合金CMSX-10、Rene N6、TMS-75。(3)本發明合金具有較窄的固液溫度區間，因而具有良好的單晶生長性，單晶葉片中不易形成雜晶。(4)本發明合金由於碳含量的控制可明顯減輕單晶合金的再結晶傾向，提高單晶合金的成品率。
下面結合附圖及實施方式對本發明作進一步詳細的說明
圖I為所述鎳基單晶高溫合金典型鑄態組織；
圖2為所述鎳基單晶高溫合金熱處理態組織圖之一；
圖3為所述鎳基單晶高溫合金熱處理態組織圖之二 ；
圖4為本發明所述鎳基單晶高溫合金與現有技術中第三代單晶高溫合金CMSX-10、Rene N6、TMS_75 的 Larson-Miller 曲線比較 圖5為所述鎳基單晶高溫合金900° C長期時效IOOOh後顯微組織之一；
圖6為所述鎳基單晶高溫合金900° C長期時效IOOOh後顯微組織之二 ；
圖7為所述鎳基單晶高溫合金1000° C長期時效IOOOh後顯微組織之一；
圖8為所述鎳基單晶高溫合金1000° C長期時效IOOOh後顯微組織之二 ；
圖9為實施例8中所述鎳基單晶高溫合金完全熱處理後經1100°C/10h熱處理後的組織。
具體實施例方式下面通過實施例對本發明做進一步詳細說明
具體製備方法要求採用真空感應爐熔煉，先澆注成化學成份符合要求的母合金，然後再製備單晶試棒，使用前須經過熱處理。實施例1-11 :所述鎳基單晶高溫合金試樣的化學成份均參見表I。為了方便對比，表I中也列出了典型第三代鎳基單晶高溫合金CMSX-10、Rene N6、TMS-75的化學成份，表I中Ni含量一欄的「餘」含義為「餘量」。合金鑄態和熱處理態典型顯微組織見圖1-3。實施例3、5、6、8所述鎳基單晶高溫合金的密度數據參見表2，實施例1-11中所述鎳基單晶高溫合金的密度明顯低於CMSX-10、Rene N6、TMS_75。鎳基單晶高溫合金試樣經過熱處理和機加工後進行持久性能測試，實施例3的結果見表3。鎳基單晶高溫合金和典型第三代單晶高溫合金CMSX-10、Rene N6、TMS-75的Larson-Miller曲線比較見圖4。本發明合金的持久性能與CMSX-10、Rene N6、TMS-75相當。實施例3合金的拉伸性能見表4。實施例5、10、11的持久性能分別見表5、6、7。合金完全熱處理後，進行900° CUOOO0 C長期時效實驗，長期時效IOOOh後均沒有TCP相析出。合金長期時效後組織見圖5-8。而實施例8合金經1100°C時效IOh後，組織中就有大量TCP相析出，見圖9。表I實施例1-11所述鎳基單晶高溫合金的化學成分組成列表(wt%)
權利要求
1.一種低成本、低密度鎳基單晶高溫合金，其特徵在於所述鎳基單晶高溫合金的組成成份構成和各成份的質量含量滿足下述要求Cr :2. 5 4. 5%, Co :7. O 11. 0%, Mo :0. 5 2. 3%, W :5. 0 I. 5%, Ta :7. 0 10. 0%,Re :3. 3 4. 5%, Al :5. 0 7. 0%，Ti 0 0. 5%,Hf 0 0. 2%, C 0 0. 05%,B 0 0. 01%,其餘為Ni。
2.按照權利要求I所述的低成本、低密度第三代鎳基單晶高溫合金，其特徵在於，按重量百分比計，較優的合金成份範圍滿足下述要求Cr :3. 0 4. 0%, Co :7. 5 10. 5%,Mo :1. 0 2. 3%, W :5. 0 6. 5%, Ta :7. 0 9. 0%, Re 3. 5 4. 5%, Al :5. 5 6. 5%, Ti 0 0. 2%, Hf 0 0. 1%, C 0 0. 02%, B 0 0. 005%，其餘為Ni。
3.按照權利要求I或2所述低成本、低密度第三代鎳基單晶高溫合金，其特徵在於所述鎳基單晶高溫合金中，雜質的成份和含量滿足下述要求0 ( 0. 004，N^O. 0015，S (.0.004，P ( 0.018，Si ( 0.2，Pb ( 0. 0005，Bi ( 0. 00005，Sn ( 0.001。
全文摘要
一種低成本、低密度鎳基單晶高溫合金，其組成成份構成和各成份的質量含量滿足下述要求Cr2.5～4.5%，Co7.0～11.0%，Mo0.5～2.3%，W5.0～7.5%，Ta7.0～10.0%，Re3.3～4.5%，Al5.0～7.0%，Ti0～0.5%，Hf0～0.2%，C0～0.05%，B0～0.01%，其餘為Ni。本發明與現有的其他鎳基單晶高溫合金相比具有優異的持久性能和拉伸性能；成本明顯降低。
文檔編號C30B29/52GK102732750SQ20111008806
公開日2012年10月17日 申請日期2011年4月8日 優先權日2011年4月8日
發明者張健, 樓琅洪, 王莉 申請人:中國科學院金屬研究所