專利名稱：一種含鉿高鎢鎳基等軸晶合金及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鎳基等軸晶合金，具體為一種含鉿高鎢鎳基等軸晶合金及其應(yīng)用。
背景技術(shù)：
隨著燃?xì)馊肟跍囟鹊奶岣?，變形高溫合金?dǎo)向葉片的承溫能力已不能滿足要求。 鑄造高溫合金具有更高的承溫能力，可達(dá)1000 1100°C，因而鑄造高溫合金的研制受到了廣泛重視。自20世紀(jì)40年代鑄造高溫合金問世以來，發(fā)展速度非?？?，到20世紀(jì)五十年代末，陸續(xù)研制出IN100、>K C 6 K、Β1900和Mar_M200等許多性能優(yōu)異的合金，國內(nèi)也相繼研制和生產(chǎn)了 K403和K417G等一系列鑄造高溫合金。無論是英、美還是俄羅斯，航空發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)向葉片材料采用鎳基高溫合金，俄羅斯著名的}Kcey、>KC6K鎳基高溫合金主要用于制備導(dǎo)向葉片，第三代戰(zhàn)斗機(jī)蘇27裝備的 Α -31Φ發(fā)動(dòng)機(jī)高、低壓渦輪和導(dǎo)向葉片四種葉片都采用)Kcey合金制備，而歐美發(fā)達(dá)國家大量采用鎳基單晶導(dǎo)向葉片。美國PWA1480單晶為第一個(gè)服役于JT9D-7R4航空發(fā)動(dòng)機(jī)的導(dǎo)向葉片材料，美國著名的F15和F16戰(zhàn)斗機(jī)裝備的F100-PV-2^型航空發(fā)動(dòng)機(jī)一級(jí)和二級(jí)導(dǎo)向葉片也都采用該合金制備。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，在很大程度上依賴于材料和制造技術(shù)的發(fā)展。為了提高導(dǎo)向器的剛性和氣密性，減弱作用在單個(gè)葉片上的負(fù)荷所引起的向前翹曲，減少由于振動(dòng)所引起的葉片裂紋危險(xiǎn)，第三代航空發(fā)動(dòng)機(jī)采用聯(lián)體組合式導(dǎo)向葉片。目前，有兩聯(lián)體、三聯(lián)體和四聯(lián)體等導(dǎo)向葉片。例如，Α -31Φ發(fā)動(dòng)機(jī)高、低壓導(dǎo)向葉片均為三聯(lián)體空心氣膜冷卻葉片；我國生產(chǎn)的推重比為8的航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓導(dǎo)向葉片為兩聯(lián)體空心氣膜冷卻葉片。國外航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)在改進(jìn)結(jié)構(gòu)的同時(shí)，也在尋求初熔溫度高、成本低、工藝性能和綜合力學(xué)性能好的高溫合金。如美國的艾利遜公司在研制鑄冷葉片(Castcool)、鑄造層板(Lamilloy)冷卻葉片的同時(shí)，也開發(fā)了 CMSX-4單晶合金等與之匹配的先進(jìn)葉片材料。K403合金是國內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的鎳基鑄造導(dǎo)向葉片合金，它先后在20種發(fā)動(dòng)機(jī)的37種不同型號(hào)上用作導(dǎo)向葉片。中國科學(xué)院金屬研究所研制的K441合金用于渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)制作一級(jí)導(dǎo)向葉片，自1997年6月至1999年7月已生產(chǎn)19臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，有13臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)參與試飛考核，現(xiàn)已投入批生產(chǎn)。另外，某些型號(hào)渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)一級(jí)渦輪導(dǎo)向葉片采用 DZ404定向柱晶合金制備，而某些型號(hào)的渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)低壓一、二級(jí)渦輪導(dǎo)向葉片采用 K417G等軸晶合金制成?？傊?，鎳基高溫合金是迄今性能最為優(yōu)越，用途最為廣泛。該合金使用溫度的上限已接近于合金的熔點(diǎn)，但仍是目前先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)中承受溫度最高，應(yīng)力載荷最大的關(guān)鍵部件的首選材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種含鉿高鎢鎳基等軸晶合金及其應(yīng)用，使合金具有較佳的持久性能，可用于制備1100°c長期工作的航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片等熱端部件。
本發(fā)明的技術(shù)方案是一種含鉿高鎢鎳基等軸晶合金，其合金成分(重量百分比)如下C 0. 08 0. 14，Cr 4. 6 5. 2，Al 5. 6 6. 2，Ti 0. 7 1. 2，Co 6. 0 8. 0，Hf 0. 7 1. 2，W15. 3 16. 5，Nb 1. 6 2. 1，B 0. 005 0. 025，Zr 0. 005 0. 03，Ni 余。本發(fā)明中，還可以在上述合金成分基礎(chǔ)上加入Ce 0. 005 0. 02，La 0. 005 0. 02 ；優(yōu)選為:Ce :0. 01 0. 02，La :0. 01 0. 02。本發(fā)明中，鋁鈦含量6. 5wt % < Al+Ti < 8. Owt %。本發(fā)明中，鎢鈮鉿含量W+Nb+Hf > 18wt %。所述的含鉿高鎢鎳基等軸晶合金，用于制備1100°C長期工作的航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片的熱端部件，在975°C和235. 2MPa條件下持久壽命> 40小時(shí)。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明合金具有較佳的持久性能，在975°C和235. 2ΜΙ^條件下持久壽命彡40小時(shí)。2、本發(fā)明合金可以直接鑄造使用，成本低，生產(chǎn)效率高。3、本發(fā)明合金高溫抗氧化及抗熱腐蝕性能好，即熱穩(wěn)定好。總之，本發(fā)明鎳基等軸晶合金具有卓越的高溫強(qiáng)度和承溫能力以及良好的鑄造工藝性能，該合金不但鋁鈦含量高(Al+Ti >6. 5wt% )，而且高熔點(diǎn)合金元素總含量 (W+Nb+Hf)也較高(> 18wt%)；其中W含量上限達(dá)到16. 5wt%，Hf含量上限達(dá)到1.2wt%。 正因?yàn)樵摵辖鹁哂猩鲜龀煞痔攸c(diǎn)，因而具有突出的高溫強(qiáng)度和高溫?zé)岱€(wěn)定性，適于制備 1100°C長期工作的發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片等熱端部件。


圖1為本發(fā)明合金與對(duì)比合金的熱強(qiáng)參數(shù)綜合曲線。其中，熱強(qiáng)參數(shù)P = T(20+lgt) X 10_3，T代表測(cè)試溫度，K ；t代表持久時(shí)間，小時(shí)。圖2為本發(fā)明合金不同溫度的蠕變曲線。其中，(a)圖為800°C ； (b)圖為900°C ； (c)圖為 975 0C ； (d)圖為 1050 0C ο
具體實(shí)施例方式下面通過實(shí)例詳述本發(fā)明。實(shí)施例1采用德國產(chǎn)ALD的500Kg真空感應(yīng)爐冶煉實(shí)驗(yàn)?zāi)负辖穑睙捽釄暹x用氧化鋁坩堝， 測(cè)溫系統(tǒng)為W-Re電偶和JH-5型紅外光導(dǎo)溫度/真空度測(cè)試儀，測(cè)溫保護(hù)套管為外層涂覆 &02(Ce0穩(wěn)定)和BN的Mo-Al2O3金屬陶瓷管，真空度應(yīng)保持彡KT1I^數(shù)量級(jí)。操作過程為將碳、鎳硼中間合金、鉻、鎢、鈮、鉿、鈷、鋯等合金元素以及鎳板裝入坩堝中；抽真空，給較小功率(90kw IOOkw)烘堝排除附著氣體，當(dāng)真空度達(dá)10_3a時(shí)，增加功率熔化合金；化料初期保證碳氧反應(yīng)充分，化清后高溫精煉，保證合金成分均勻，在1600°C精煉5 7min， 精煉結(jié)束后降溫，停電、結(jié)膜、破膜加入Al及Ti及混合稀土 RE(鈰、鑭)，然后大功率攪拌， 攪拌后停電降溫；嚴(yán)格控制Al的加入溫度和加入量，以保證熔入合金中的雜質(zhì)能夠有效去除。較大功率OOOkw MOkw)沖擊破膜，在1450°C澆鑄成母合金錠。
本發(fā)明合金成分的顯著特點(diǎn)，就是含有1. 2wt. %左右的鉿。Hf是強(qiáng)正偏析元素， 顯著促進(jìn)γ + 共晶形成。^ 也和Hf—樣，促進(jìn)γ +γ'共晶形成，在加入相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Hf和ττ時(shí)，Zr的影響更大。ττ在共晶中的溶解度比Hf低，當(dāng)Hf和rLr含量相同時(shí)，共晶中Y'的Hf含量比^ 高一倍，這表明^ 在強(qiáng)化Y'的效果方面不如Hf。本發(fā)明合金中，含有16wt. %左右的W。鎢加入合金后，可提高原子間結(jié)合力，提高擴(kuò)散激活能，使擴(kuò)散過程變慢，同時(shí)提高再結(jié)晶溫度，從而提高合金的高溫力學(xué)性能。鎢在 Y和Y'相中分配比約等于1。因此，鎢含量高可顯著增加Y ‘相數(shù)量，提高合金熱穩(wěn)定性。在鎳基鑄造合金中，鎢優(yōu)先分布在枝晶軸上，而鉿則優(yōu)先分布于晶界和枝晶界，因此鎢、 鉿同時(shí)加入對(duì)合金性能起到綜合強(qiáng)化效果。但過量鎢會(huì)析出金屬間化合物M4W及增加析出TCP相(主要是μ相)有害相的傾向性。另外，鎢是碳化物形成元素，促進(jìn)M6C碳化物形成。而鉿的重要作用之一就是抑制M23C6或M6C碳化物沿晶界大量析出，能與MC分解而放出的碳形成二次穩(wěn)定的細(xì)小、分散、不規(guī)則的MC(主要是HfC)顆粒。碳化物是高溫合金中重要的強(qiáng)化相之一，它的大小，形態(tài)及分布對(duì)合金的力學(xué)性能有著重要影響。本發(fā)明中，還加入了大量的鋁和鈦(Al+Ti之和最多達(dá)7. 4wt. % )。鋁和鈦是鎳基高溫合金中最基本的合金元素，鎳基合金之所以能成為不可取代的高溫合金就是因?yàn)榇嬖?Y ‘強(qiáng)化相，而鋁和鈦是Y'相的主要形成元素。同時(shí)，鈦還是MC碳化物形成元素，能形成比較穩(wěn)定的TiC。鈮能置換一部分鋁和鈦而進(jìn)入 ’相。鈮在Y/Y'中的分配比約為 1 <0.05，即絕大多數(shù)鈮除與碳結(jié)合外幾乎都進(jìn)入γ'相。鈮與碳有很大的親和力，能形成穩(wěn)定的NbC，從而有效地細(xì)化晶粒。鈮溶入γ'相，進(jìn)入碳化物，從而提高這些相的熱穩(wěn)定性，延緩Y ‘相的聚集長大過程，提高合金的強(qiáng)度指標(biāo)。表1合金元素成分(wt. % )
權(quán)利要求
1.一種含鉿高鎢鎳基等軸晶合金，其特征在于，按重量百分比計(jì)，合金成分如下C 0.08 0. 14, Cr 4. 6 5. 2，A1 5. 6 6. 2，Ti 0. 7 1.2，Co 6. 0 8. 0，Hf 0. 7 1. 2，W15. 3 16. 5，Nb 1. 6 2. 1，B 0. 005 0. 025，Zr 0. 005 0. 03，Ni 余。
2.按照權(quán)利要求1所述的含鉿高鎢鎳基等軸晶合金，其特征在于，在所述合金成分基礎(chǔ)上加入 Ce 0. 005 0. 02，La 0. 005 0. 02。
3.按照權(quán)利要求1所述的含鉿高鎢鎳基等軸晶合金，其特征在于，鋁鈦含量6.5wt% < Al+Ti < 8. Owt %。
4.按照權(quán)利要求1所述的含鉿高鎢鎳基等軸晶合金，其特征在于，鎢鈮鉿含量W+Nb+Hf > 18wt%。
5.按照權(quán)利要求1所述的含鉿高鎢鎳基等軸晶合金的應(yīng)用，其特征在于，所述含鉿高鎢鎳基等軸晶合金，用于制備1100°c長期工作的航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片的熱端部件。
6.按照權(quán)利要求5所述的含鉿高鎢鎳基等軸晶合金的應(yīng)用，其特征在于，所述含鉿高鎢鎳基等軸晶合金，在975°C和235. 2MPa條件下持久壽命彡40小時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明涉及鎳基等軸晶合金，具體為一種含鉿高鎢鎳基等軸晶合金及其應(yīng)用，其成分為(重量百分比)C 0.08～0.14，Cr 4.6～5.2，Al 5.6～6.2，Ti 0.7～1.2，Co 6.0～8.0，Hf 0.7～1.2，W 15.3～16.5，Nb 1.6～2.1，B 0.005～0.025，Zr 0.005～0.03，Ni余。本發(fā)明合金具有較佳的持久性能，在975℃和235.2MPa條件下持久壽命≥40小時(shí)，可以直接鑄造使用，成本低，生產(chǎn)效率高。本發(fā)明合金可用于制備1100℃長期工作的航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片等熱端部件。特別是采用該耐熱合金制作發(fā)電用燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片，可顯著提高燃?xì)鉁u輪機(jī)工作溫度和效率，進(jìn)而大幅提高發(fā)電效率。
文檔編號(hào)F01D5/28GK102433467SQ20111038816
公開日2012年5月2日 申請(qǐng)日期2011年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月29日
發(fā)明者于金江, 侯桂臣, 儲(chǔ)昭貺, 孫曉峰, 孟杰, 楊彥紅, 王亮, 金濤 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院金屬研究所