一种高比蠕变强度的镍基单晶高温合金及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001] 本发明设及儀基单晶高溫合金及其制备领域，具体设及一种高比蠕变强度的儀基 单晶高溫合金及其制备方法在制备航空发动机满轮叶片中的应用。
【背景技术】
[0002] 随着航空发动机向高推重比方向的发展，发动机满轮前进口溫度和内部压力不断 提高，要求满轮叶片、导向叶片等发动机热端部件具有更高的承溫能力，因此，运些热端部 件必须用高溫合金来制备。
[0003] 儀(Ni)基合金可W利用多种强化手段提高合金的承溫能力，如利用多种高溶点/ 贵金属元素(鹤(W)、钢(Mo)、钻(Co)、铭(Cr)、鍊(Re)、钉(Ru)和饥(V)等）固溶强化;利用侣 (A1)、铁(Ti)、妮(Nb)和粗(Ta)等形成共格有序的A浊型金属间化合物丫/(Ni3(Al，Ti))相作 为沉淀相，使合金得到有效的析出相强化;利用棚(B)、错(Zr)、儀(Mg)和稀±(RE)等元素强 化晶界;利用铭(Cr)、娃(Si)等元素提高合金抗氧化和抗腐蚀性能。因此，儀(Ni)基合金是 高溫合金中综合性能较好、应用最广的一类合金。
[0004] 单晶Μ基高溫合金进一步消除了在高溫时易变形的晶界，因而具有更好的抗高溫 蠕变、疲劳性能和承溫能力，被广泛应用于制造航空发动机满轮叶片、导向叶片等，在现代 工业燃气轮机中也获得应用，目前国产第二代单晶Ni基高溫合金DD406已成功应用于某国 产新型航空发动机。分析研发出的单晶Μ基高溫合金的组成可W看出，鍊(Re)和其它贵金 属元素加入量的不断提高是先进单晶高溫合金发展过程中一个最突出的特征:第一代单晶 合金不含Re;第2代和第3代分别含3wt %和6wt %的Re。然而，Re是地球上稀少的金属元素之 一、价格昂贵，据测算，含3wt % Re的单晶Ni基高溫合金原料成本将提高70 % W上。另外Re的 密度达到20.53g/cm3，致使目前第二代高溫单晶合金的密度普遍较大（如CMSX-4为8.7g/ cm3、PWA1484为8.95g/cm3、Rene N5为8.7g/cm3、TMS-8化为8.93g/cm3、孤406为8.78g/cm3)。 合金密度的增加一方面增大了叶片重量，不利于提高发动机的推重比；另一方面将增大满 轮叶片在高速旋转时的离屯、力，需研发新的高强度满轮盘材料W支撑满轮叶片，运进一步 加大了研发高推重比发动机的难度。因此，从合金成本及应用前景等方面考虑，获得具有综 合性能优越的低密度、低成本的单晶高溫合金，已成为研发设计新一代高推重比满轮发动 机的急需和研发热点。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于解决现有技术中第二代单晶Μ基高溫合金存在的密度大、成本 高等问题，提供了一种低密度、低成本、具有较好热稳定性及较高比蠕变强度的高性能低密 度Ni基单晶高溫合金及其制备方法和在制备航空发动机满轮叶片中的应用。
[0006] -种高比蠕变强度的儀基单晶高溫合金，由W下重量百分含量(wt. % )的元素构 成： 包 7 % ~9.5 %; W 0.4% ~1.:0 %; Ta 0.5 % ~3.5 ; Mo 4.0 % ~7.0 %; A1 5.5 % ~7.0 %;
[0007] ti 0.4% ~2.0〇/〇; Nb 0.9% ~2.0〇/^; Co 2.0% ~5.0%; 掛 0.05%-0.15%; Ni 余量。
[0008] 作为优选，所述的高比蠕变强度的儀基单晶高溫合金，由W下重量百分含量 (wt.%)的元素构成： 伤 7.5 % ~9.5 %; W 0.5 % ~1纖； 化 0.5% ~3,5%;
[0009] Mo 4.0% ~6.5%; A1 5.5 % ~7.0 %; Ti 0.5 % ~克 0%; Nb 1.0% ^2.0%； Co 2.0% ~5.0 %;
[0010] Hf 0.05 Μ-0.15?; Μ 余量。
[0011] 本发明的合金不含Re，在特定含量的特定组分的组合下，本发明的合金在室溫25 °(3时的密度不大于8.2g/cm3,且在140M化应力下比蠕变寿命P满足380 >P=(溫度+273) (log蠕变寿命+20) X 105/密度含370(溫度的单位为°C，蠕变寿命的单位为小时，密度的单 位为g/cm3)，在保证低成本和低密度的情况下，承溫能力优于第二代Μ基单晶高溫合金 DD406和CMSX-4，比蠕变寿命Ρ大于370，而目前第二代Μ基单晶高溫合金一般小于350，可满 足现代高推重比航空发动机的设计需要。
[0012] 本发明的工作原理如下：
[0013] 本发明合金的成分设计虽然不含有第二代单晶高溫合金通常含有的Re元素，但是 通过改变沉淀强化相丫 /的构成组分，尽可能的综合发挥合金元素的固溶强化和丫 /的沉淀 强化作用，使不含Re元素的合金在达到第二代单晶合金性能水平的同时保持了较低的合金 密度。
[0014] 本发明中的合金元素的作用及其成分范围的选择陈述如下：
[0015] W主要固溶强化基体丫相，少量参与形成丫 /析出相，可提高合金初烙溫度;W在合 金中有较低的扩散速度，能降低其它固溶元素在合金中的扩散速度，有效提高合金的高溫 蠕变强度;但过量加入W易析出富W的TCP相；同时，W的比重较大;综合考虑W的作用，其加入 量为 0.5 ~l.Owt%;
[0016] Mo可固溶于丫相并可用于调节丫 / 丫 /晶格错配度，使丫 / 丫 /相界面形成致密的晶 格错配位错，在减缓丫 /粗大化的同时，提高合金的持久强度;但Mo在高溫氧化环境下极易 生成挥发性的氧化物，难形成致密的氧化膜，在有NasS化的环境中，容易引起酸性烙融反应， 产生严重的热腐蚀;但在同时添加 W、Mo的高溫合金中易析出富W、Mo的TCP相;所WMo的加入 量不能过高，控制在4.0~6.5wt %为宜。
[0017] Ta是丫 /和丫相形成元素，除了有效地提高合金的热强性W外，同时还能增加合金 的抗氧化性能、耐腐蚀性能和铸造性能;但Ta过高，合金中共晶含量高，使合金的热处理变 得极为困难，且增加合金的密度;结合运些因素本发明控制化含量在0.5~3.5wt. %。
[0018] Co元素在儀基高溫合金中主要分布于丫基体内、降低基体的层错能，主要作用包 括固溶强化、增加丫 /相数量、改善合金的塑性及热加工性能并提高组织稳定性、持久强度 和蠕变抗力;但考虑到合金成本的因素，本发明控制Co含量在2.0~5. Owt. %。
[0019] 化可与Al、Ta等一起提高合金的抗氧化、抗腐蚀性能;但由于单晶高溫合金中同时 含有较高的W、Mo、Ta等多种难烙元素，加入大量的Cr则增加形成0相和μ相等TCP相的倾向， 降低合金的组织稳定性和持久强度；因此，本发明化的加入量为7.5~9.5wt. %
[0020] A1和Ti元素可通过适当的热处理在Ni基丫相中形成丫 /时效沉淀相，对合金起到 沉淀强化作用，提高合金的高溫强度和持久性能;此外，A1在合金高溫服役过程中可W形成 氧化物保护膜，提高合金抗氧化和抗腐蚀性能;Ti对合金的抗腐蚀性能有利;单晶合金γ / 含量可达65wt %，要求Α1和Ti含量分别为5.5~7. Owt %和0.5~2. Owt %为宜。
[0021] Nb也是丫 /相形成元素，添加 Nb可提高合金的蠕变强度和抗氧化抗腐蚀性能;但添 加过量的师易于形成0相，不利于合金的高溫组织稳定性和强度；另外，过量添加师对合金 的氧化和热腐蚀性能有害。因此，本发明佩的加入量为1.0~2. Owt%。
[0022] Hf可与化和A1-起提高合金的高溫耐腐蚀性能；同时，Hf的加入还可提高合金的 工艺性能和力学性能;但过量Hf的加入会降低合金的初烙溫度，有可能降低合金的高溫强 度;因此，将Hf含量控制在0.05-0.15wt. %，最优选地为1.0 %。
[0023] 进一步优选，所述的高比蠕变强度的儀基单晶高溫合金，由W下重量百分含量 (wt.%)的元素构成： Gr 7.5% ~9.1%; W 0,5% ~1.0%; 肪 QJ % ~3.5 %; Mo 4.1%-6.5 %； A1 5.6% ~6.7%;
[0024] 巧 0.5 % ~1.6 %; Nb 1.0% ~1.9%; Co 2.0% ~5.0%; Hf 0.05%-0.15%; Ni 余量。
[0025] -种高比蠕变强度的儀基单晶高溫合金的制备方法，包括W下步骤：
[0026] 第一步:将按照设计好的成分配比原料放入真空感应炉烙炼合金，铸造制备出母 合金棒材；
[0027] 第二步:将母合金棒材通过定向凝固设备重烙，再利用螺旋选晶器或仔晶法定向 凝固成单晶试棒；
[0028] 第Ξ步:将单晶试棒在1270-1370°C范围内进行2-6小时的固溶处理，随后进行空 冷;接着在920-1020°C范围内进行3-8小时的高溫时效处理，随后进行空冷;然后在830-910 °C范围内进行18-28小时的低溫时效处理，随后进行空冷处理，最后得到高比蠕变强度的儀 基单晶高溫合金。
[0029] 本发明利用上述合金元素在真空感应炉烙炼，先诱注成化学成份符合要求的母合 金，然后再通过定向凝固设备重烙、利用螺旋选晶器或仔晶法定向凝固成单晶试棒。性能