一種低錸鎳基單晶高溫合金及其制備方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種低錸鎳基單晶高溫合金及其制備方法。所述合金按質(zhì)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，其余為鎳。制備步驟為：采用真空感應(yīng)爐熔煉母合金，通過(guò)重力鑄造制備母合金鑄棒；采用籽晶法通過(guò)Bridgeman定向凝固技術(shù)制備單晶試棒；單晶高溫合金熱處理。本發(fā)明合金初熔溫度高，熔化溫度范圍寬，凝固區(qū)間??；合金密度低，強(qiáng)度高，抗氧化性能好；合金的相穩(wěn)定性好，長(zhǎng)期時(shí)效不易生成有害相；合金成本低。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種低錸鎳基單晶高溫合金及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種鎳基單晶高溫合金及其制備技術(shù)，特別提供了一種低錸、高性能鎳基單晶高溫合金及制備方法，屬于高溫合金制備領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)口溫度已高達(dá)1400，°C傳統(tǒng)鐵基和鈷基高溫合金已不能滿(mǎn)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(yōu)秀的高溫抗蠕變和疲勞能力，同時(shí)顯示出優(yōu)秀的抗氧化和抗腐蝕性，成為渦輪葉片的主要選材。鎳基高溫合金發(fā)展的近30年間，先后研制了 5代鎳基單晶高溫合金。合金內(nèi)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(shí)也帶來(lái)了組織穩(wěn)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(duì)高溫合金成本及長(zhǎng)期服役過(guò)程中微觀組織穩(wěn)定性等的影響已引起了廣泛的關(guān)注，成為制約鎳基單晶高溫合金發(fā)展的重要因素。
[0003]當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外應(yīng)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(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，在高溫下強(qiáng)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(jù)估算，第2代含錸鎳基單 晶高溫合金添加3.0wt%的Re后，合金的成本提高了約70%，極大降低了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。為此，美國(guó)GE公司開(kāi)發(fā)了一系列低錸鎳基單晶高溫合金(專(zhuān)利號(hào):W02009032578A1)以降低合金成本及提高組織穩(wěn)定性，綜合性能達(dá)到含錸3.0wt%的第2代單晶Ren6N5，但錸含量?jī)H為1.5wt%，其密度為8.6g/cm3。由于服役過(guò)程中合金所受的應(yīng)力與其密度成正比，而蠕變速率與應(yīng)力存在對(duì)應(yīng)的關(guān)系(εΚ—5，6)，因此密度越小，合金蠕變速率越慢，使用壽命越長(zhǎng)，尤其作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片材料，密度的降低對(duì)于提升發(fā)動(dòng)機(jī)推重比具有重要意義。因此，為進(jìn)一步提升飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能，合金密度的控制也是成分設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方向。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種低錸鎳基單晶高溫合金及其制備方法，用于要求抗蠕變強(qiáng)度高、高溫持久壽命長(zhǎng)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(zhì)量百分比計(jì)，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，余量為 Ni。
[0006]優(yōu)選方案:一種低錸鎳基單晶高溫合金，按質(zhì)量百分比計(jì)，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,余量為Ni。
[0007]一種制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:采用真空感應(yīng)爐熔煉母合金，通過(guò)重力鑄造制備母合金鑄棒；
[0009]第二步:采用籽晶法通過(guò)Bridgeman定向凝固技術(shù)制備單晶試棒；
[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(shí)間為3-5分。
[0012]第二步中所述的單晶制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(shí)效處理和低溫時(shí)效處理，其中固溶處理工藝溫度為1300-1310，°C時(shí)間為2-4小時(shí)，冷卻方式為空冷；高溫時(shí)效處理溫度為1080-1100, °C時(shí)間為2-5小時(shí)，冷卻方式為空冷；低溫時(shí)效處理溫度為870-900，°C時(shí)間為16-24小時(shí)，冷卻方式為空冷。
[0014]本發(fā)明的合金設(shè)計(jì)原理:綜合運(yùn)用電子空位理論和d-電子理論，初步設(shè)計(jì)鎳基單晶高溫合金成分，計(jì)算其主要性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，并與典型第I代、第2代鎳基單晶高溫合金對(duì)應(yīng)的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)作比較、分析。通過(guò)以第二相析出強(qiáng)化主導(dǎo)來(lái)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(wěn)定性用電子空位數(shù)Nv和合金元素d分子軌道平均能級(jí)Mdt值綜合衡量，強(qiáng)度用合金元素間共價(jià)鍵平均結(jié)合強(qiáng)度Bot值衡量，使用溫度用相固溶溫度IV s()lvus衡量，綜合性能使用成分性能預(yù)測(cè)參數(shù)P值評(píng)價(jià).具體評(píng)價(jià)體系:在保證合金組織穩(wěn)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(wěn)定性臨界值是Νν〈2.49，形成Laves相的穩(wěn)定性臨界值 Νν〈2.30。
·[0015]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)是:(1)本發(fā)明合金初熔溫度高，熔化溫度范圍寬，凝固區(qū)間小。(2)本發(fā)明合金密度低，強(qiáng)度高，抗氧化性能好。(3)本發(fā)明合金的相穩(wěn)定性好，長(zhǎng)期時(shí)效不易生成有害相。(4 )本發(fā)明合金成本低。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1是為本發(fā)明低錸鎳基單晶高溫合金制備流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0018]本發(fā)明低錸鎳基單晶高溫合金制備工藝見(jiàn)圖1。
[0019](I)合金成分設(shè)計(jì)
[0020]合金成分設(shè)計(jì)采用式(1)-(6)計(jì)算。
[0021]①合金電子空位數(shù)計(jì)算如式⑴所示,式中:1?為i組元的摩爾分?jǐn)?shù)；(Nv)i為i組元的平均電子空位數(shù)。
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[0022](I)
1-lI
[0023]②d-電子理論計(jì)算如式(2)、式(3)所示，式中:Ci為i組元的原子分?jǐn)?shù)；Mdi為i組元的d分子軌道能級(jí)；Mlt為平均d分子軌道能級(jí)；Boi為元素之間共價(jià)鍵結(jié)合強(qiáng)度的參數(shù)；SS為平均Boi值。
【權(quán)利要求】
1.一種低錸鎳基單晶高溫合金，其特征在于按質(zhì)量百分比計(jì)，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,余量為Ni。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低錸鎳基單晶高溫合金，其特征在于按質(zhì)量百分比計(jì)，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，余量為 Ni。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低錸鎳基單晶高溫合金，其特征在于所述合金采用以下步驟制備: 第一步:采用真空感應(yīng)爐熔煉母合金，通過(guò)重力鑄造制備母合金鑄棒； 第二步:采用籽晶法通過(guò)Bridgeman定向凝固技術(shù)制備單晶試棒； 第三步:單晶高溫合金熱處理。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的低錸鎳基單晶高溫合金，其特征在于第一步中所述的母合金熔煉功率為20-25KW，熔煉時(shí)間為3-5分鐘。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的低錸鎳基單晶高溫合金，其特征在于第二步中所述的單晶制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(jù)權(quán)利要求3所述的低錸鎳基單晶高溫合金，其特征在于第三步中所述的熱處理包括固溶處理、高溫時(shí)效處理和低溫時(shí)效處理，其中固溶處理工藝溫度為1300-1310，°〇時(shí)間為2-4小時(shí)，冷卻方式為空冷；高溫時(shí)效處理溫度為1080-1100，°C時(shí)間為2_5小時(shí)，冷卻方式為空 冷；低溫時(shí)效處理溫度為870-900，°C時(shí)間為16-24小時(shí)，冷卻方式為空冷。
7.—種低錸鎳基單晶高溫合金的制備方法，其特征在于包括以下步驟: 第一步:采用真空感應(yīng)爐熔煉母合金，通過(guò)重力鑄造制備母合金鑄棒； 第二步:采用籽晶法通過(guò)Bridgeman定向凝固技術(shù)制備單晶試棒； 第三步:單晶高溫合金熱處理。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的低錸鎳基單晶高溫合金的制備方法，其特征在于第一步中所述的母合金熔煉功率為20-25KW，熔煉時(shí)間為3-5分鐘；按質(zhì)量百分比計(jì)，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,余量為Ni。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的低錸鎳基單晶高溫合金的制備方法，其特征在于第二步中所述的單晶制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(jù)權(quán)利要求7所述的低錸鎳基單晶高溫合金的制備方法，其特征在于第三步中所述的熱處理包括固溶處理、高溫時(shí)效處理和低溫時(shí)效處理，其中固溶處理工藝溫度為1300-1310，°C時(shí)間為2-4小時(shí)，冷卻方式為空冷；高溫時(shí)效處理溫度為1080-1100，°〇時(shí)間為2-5小時(shí)，冷卻方式為空冷；低溫時(shí)效處理溫度為870-900，°C時(shí)間為16-24小時(shí)，冷卻方式為空冷。
【文檔編號(hào)】C30B29/52GK103866392SQ201410035718
【公開(kāi)日】2014年6月18日 申請(qǐng)日期:2014年1月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月24日
【發(fā)明者】陳 光, 周雪峰, 李沛, 嚴(yán)世坦 申請(qǐng)人:南京理工大學(xué), 江蘇省（丹陽(yáng)）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