專利名稱：一種低成本第三代鎳基單晶高溫合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鎳基單晶高溫合金領(lǐng)域，具體為一種低成本第三代鎳基單晶高溫合金，主要適用于在高溫下承受高應(yīng)力的零部件，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片。
背景技術(shù)：
在單晶高溫合金發(fā)展的過程中，由于對(duì)使用溫度的要求越來越高，合金中W、Mo、Ta、Re等難熔元素含量逐漸增加，特別是Re元素在合金中起重要的強(qiáng)化作用，加入3wt.％的Re能使合金的使用溫度提高大約30℃。典型的第一代單晶高溫合金CMSX-2、第二代單晶高溫合金CMSX-4和第三代單晶高溫合金CMSX-10中的難熔元素總含量分別為14.6wt.％、16.1wt.％和19.4wt.％，而Re含量分別為0％、3％和6％。第三代單晶高溫合金是目前已經(jīng)使用的高溫性能最高的高溫合金。但Re元素的大量加入，在提高性能的同時(shí)也帶來了如下缺點(diǎn)成本高、密度大、易析出TCP相等。Re在地殼中的豐度非常低，＜0.001g/t，我國的儲(chǔ)量更為稀少，因此在獲得高的高溫性能的前提下，減少合金中Re的用量十分重要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種低成本第三代單晶高溫合金，在獲得與第三代單晶高溫合金CMSX-10相當(dāng)?shù)某志眯阅艿耐瑫r(shí)，減少Re的加入量約1/3，顯著降低合金成本。
本發(fā)明的技術(shù)方案是根據(jù)本發(fā)明的目的，同時(shí)考慮到各合金元素的作用，將Re的含量降至3～5wt.％，同時(shí)適當(dāng)提高W和Ta的含量。其具體的化學(xué)成分(wt.％)如下Cr2～4％，Co11～13％，W5～7％，Mo0.5～2％，Re3～5％，Al5～7％，Ta6～10％，Hf0.05～0.2％，其余為Ni。
本發(fā)明合金(合金牌號(hào)取名為DD90)的化學(xué)成分設(shè)計(jì)主要基于如下理由
Re是鎳基高溫合金中的重要強(qiáng)化元素，它降低體擴(kuò)散系數(shù)，減緩由擴(kuò)散控制的過程，因而降低了γ′強(qiáng)化相的長大速度，也減慢了控制蠕變機(jī)制的擴(kuò)散速度。Re偏聚于γ基體中，形成原子團(tuán)簇，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，能獲得比傳統(tǒng)的固溶效應(yīng)更明顯的強(qiáng)化效果，在高性能單晶高溫合金中加入一定量的Re是必要的，可以顯著提高合金的高溫性能，但考慮到Re資源匱乏，價(jià)格昂貴，將Re的加入量控制在4wt.％左右。
W是鎳基高溫合金中的強(qiáng)固溶強(qiáng)化元素，同時(shí)也大量固溶于γ′強(qiáng)化相。在Re含量相對(duì)較低的情況下，要充分發(fā)揮W的強(qiáng)化作用。但W和Re加入過量會(huì)導(dǎo)致γ相過飽和，使顯微組織不穩(wěn)定，易形成σ相、μ相、P相等TCP脆性相，降低合金性能。W和Re過量加入還會(huì)影響合金的鑄造性能，在單晶生長中出現(xiàn)“雀斑”(鏈狀等軸晶粒)等缺陷。因此控制W的含量在5～7wt.％。
Mo是固溶強(qiáng)化元素，并能增加γ/γ′的錯(cuò)配度，使錯(cuò)配位錯(cuò)網(wǎng)密集，能有效地阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，提高合金性能；但Mo對(duì)合金的熱腐蝕性能有不利影響，不宜添加過多，因此控制Mo的含量在1～2wt.％。
Al是在鎳基高溫合金中形γ′強(qiáng)化相Ni3Al的基本元素，它的含量對(duì)合金高溫性能起著重要作用，同時(shí)Al含量對(duì)合金的抗氧化性能也至關(guān)重要，因此合金中必須加入一定量的Al，但過量的Al會(huì)降低合金的組織穩(wěn)定性，導(dǎo)致有害相析出，因此將合金中的Al含量控制在5～7wt.％。
Ta通過固溶強(qiáng)化和提高γ′相強(qiáng)度來提高合金的高溫強(qiáng)度，同時(shí)能有效地促進(jìn)合金的抗氧化、抗熱腐蝕性能和鋁涂層的持久性，并且不引起TCP相的形成，因此在合金中加入6～10wt.％的Ta。
Cr是提高合金抗熱腐蝕性能的關(guān)鍵元素，在合金中必須添加適量的Cr，但由于高強(qiáng)度合金中添加Re、W、Mo等難熔金屬元素多，加入大量的Cr會(huì)使合金的組織穩(wěn)定性降低，因此將Cr的含量控制在2～4wt％，以獲得良好的綜合性能。
Co能穩(wěn)定鎳基高溫合金的基體，在合金中加入11～13wt.％的Co，提高了合金的組織穩(wěn)定性，并且能夠在相對(duì)較低的固溶處理溫度下獲得均勻的組織，使其他合金元素充分發(fā)揮強(qiáng)化作用。
為改善合金的鑄造性能，在合金中還加入了少量的Hf。
本發(fā)明采用真空感應(yīng)爐熔煉，先澆鑄成化學(xué)成分符合要求的母合金，然后再生長成單晶零部件，使用前須經(jīng)過如下工藝制度進(jìn)行熱處理
(1)溫度1295-1300℃，時(shí)間8-16h，空冷至室溫；(2)溫度1303-1305℃，時(shí)間12-16h，空冷至室溫；(3)溫度1308-1310℃，時(shí)間8-16h，空冷至室溫；(4)溫度1312-1317℃，時(shí)間20-28h，空冷至室溫；(5)溫度1150-1180℃，時(shí)間4-6h，空冷至室溫；(6)溫度850-870℃，時(shí)間20-24h，空冷至室溫。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及有益效果是(1)與現(xiàn)有其他鎳基單晶高溫合金相比，本發(fā)明合金具有很高的中、高溫強(qiáng)度、優(yōu)異的耐熱腐蝕性能，可在高溫高應(yīng)力環(huán)境下使用。
(2)本發(fā)明合金在700℃時(shí)瞬時(shí)拉伸性能σb＞1000MPa，δ5≥15％；持久性能982℃/248MPa下持久壽命＞470h；1038℃/172MPa下持久壽命＞280h；1100℃/150MPa下持久壽命＞90h。
(3)本發(fā)明合金具有優(yōu)異的持久性能，持久性能與第三代單晶高溫合金CMSX-10相當(dāng)。與第三代單晶高溫合金CMSX-10相比，本發(fā)明合金中貴重元素Re含量較低，因而成本相對(duì)較低。
具體實(shí)施例方式
下面通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
本發(fā)明采用真空感應(yīng)爐熔煉，先澆鑄成化學(xué)成分符合要求的母合金，然后再生長成單晶零部件，使用前須經(jīng)過如下工藝制度進(jìn)行熱處理1300℃/8h，A.C.(空冷至室溫)+1305℃/15h，A.C.(空冷至室溫)+1310℃/8h，A.C.(空冷至室溫)+1315℃/24h，A.C.(空冷至室溫)+1180℃/4h，A.C.(空冷至室溫)+870℃/24h，A.C.(空冷至室溫)。
根據(jù)化學(xué)成分范圍，制備了本發(fā)明合金的單晶試樣，具體化學(xué)成分見表1，為了對(duì)比方便，表1中也列出了CMSX-10系列中CMSX-12C的化學(xué)成分。單晶試樣經(jīng)過熱處理和機(jī)加工后分別進(jìn)行持久性能、瞬時(shí)力學(xué)性能和抗熔鹽熱腐蝕性能實(shí)驗(yàn)，所得結(jié)果分別列入表2、表4、表5。為了對(duì)比，將本發(fā)明合金和CMSX-10系列中含6wt.％Re的CMSX-12C的982℃/248MPa持久性能數(shù)據(jù)列于表3。
表1本發(fā)明實(shí)施例與對(duì)比合金CMSX-12C的化學(xué)成分(wt％)

表2本發(fā)明實(shí)施例1的持久性能

表3本發(fā)明實(shí)施例1與對(duì)比合金CMSX-12C的982℃/248MPa持久性能

表4本發(fā)明合金實(shí)施例1的拉伸性能

表5本發(fā)明合金實(shí)施例1的抗熱腐蝕性能(熔鹽重量成分75％Na2SO4+25％K2SO4)

權(quán)利要求
1.一種低成本第三代單晶高溫合金，其特征在于，按重量百分比計(jì)，其化學(xué)成分為Cr 2～4％，Co 11～13％，W 5～7％，Mo 0.5～2％，Re 3～5％，Al 5～7％，Ta 6～10％，Hf0.05～0.2％，其余為Ni。
2.按照權(quán)利要求1所述的低成本第三代單晶高溫合金，其特征在于，按重量百分比計(jì)，其較佳的化學(xué)成分為Cr 3％，Co 12％，W 6％，Mo 1％，Re 4％，Al6％，Ta 8％，Hf0.1％，其余為Ni。
3.按照權(quán)利要求1所述的低成本第三代單晶高溫合金，其特征在于合金的熱處理工藝具體步驟如下(1)溫度1295-1300℃，時(shí)間8-16h，空冷至室溫；(2)溫度1303-1305℃，時(shí)間12-16h，空冷至室溫；(3)溫度1308-1310℃，時(shí)間8-16h，空冷至室溫；(4)溫度1312-1317℃，時(shí)間20-28h，空冷至室溫；(5)溫度1150-1180℃，時(shí)間4-6h，空冷至室溫；(6)溫度850-870℃，時(shí)間20-24h，空冷至室溫。
全文摘要
本發(fā)明屬于鎳基單晶高溫合金領(lǐng)域，具體為一種低成本第三代鎳基單晶高溫合金，主要適用于在高溫下承受高應(yīng)力的零部件，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片。合金化學(xué)成分(wt.％)為Cr2～4％，Co11～13％，W5～7％，Mo0.5～2％，Re3～5％，Al5～7％，Ta6～10％，Hf0.05～0.2％，其余為Ni。本發(fā)明采用真空感應(yīng)爐熔煉，先澆鑄成化學(xué)成分符合要求的母合金，然后再生長成單晶零部件，使用前須經(jīng)過如下工藝制度進(jìn)行熱處理1300℃/8h，A.C.+1305℃/15h，A.C.+1310℃/8h，A.C.+1315℃/24h，A.C.+1180℃/4h，A.C.+870℃/24h，A.C.。本發(fā)明合金具有優(yōu)異的持久性能及良好的抗熱腐蝕性能，持久性能與第三代單晶高溫合金CMSX－10相當(dāng)，而含Re較少，成本較低。
文檔編號(hào)C22F1/10GK1966750SQ20051004775
公開日2007年5月23日 申請(qǐng)日期2005年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月18日
發(fā)明者金濤, 王文珍, 趙乃仁, 王志輝, 劉金來, 侯桂臣, 孫曉峰, 管恒榮, 胡壯麒 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院金屬研究所