一種由兩種合金復(fù)合成的功能梯度單晶葉片材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及Ni基高溫合金和Ni3Al基超高溫合金的單晶葉片制備和熱處理等領(lǐng)域，特別是一種由Ni基高溫合金和Ni3Al基超高溫合金復(fù)合成的功能梯度單晶葉片材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著航空技術(shù)的快速發(fā)展和國(guó)際局勢(shì)的日趨緊張，發(fā)展第四代(甚至第五代)航空戰(zhàn)斗機(jī)對(duì)于國(guó)家軍事戰(zhàn)略和國(guó)防安全具有重大意義，而研發(fā)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的推重比為12?15的新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)更是重中之重。更高的推重比來源于更高的渦輪前溫度，新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片承溫將高達(dá)到1200°C，比目前成熟的推重比10的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片承溫高出將近80°C。單晶高溫合金由于具有較高的熔點(diǎn)、優(yōu)秀的高溫抗蠕變性能和良好的耐蝕性，已成為制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)向葉片和渦輪葉片的關(guān)鍵材料。發(fā)動(dòng)機(jī)葉片工作時(shí)，燃燒室燃?xì)饨?jīng)過導(dǎo)向整流后發(fā)生旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)離心力的作用下向葉片頂部移動(dòng)，使得葉片頂部顯著升溫，承溫在1100?1200°C左右，而葉根和渦輪盤部分溫度較低，承溫在700?1000°C左右。因此發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的工作服役具有功能梯度的屬性，葉根和中部實(shí)現(xiàn)中低溫服役，葉頂實(shí)現(xiàn)超高溫服役。傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)單晶葉片由單一高溫合金經(jīng)連續(xù)單晶生長(zhǎng)制得，要求所用合金材料同時(shí)具有不錯(cuò)的高溫性能和中低溫性能。
[0003]傳統(tǒng)Ni基高溫合金單晶葉片已是航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪部件的首選材料，其強(qiáng)化機(jī)理和合金化設(shè)計(jì)已經(jīng)發(fā)展成熟，尤其是在中低溫力學(xué)性能方面實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)化，但是第三代(或第二代)Ni基單晶高溫合金(已公開的，包括:CMSX-4、CMSX-10, Rene N5、Rene N6、PWA1484、TMS-75等等)最高承溫均在1120°C以下，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)1200°C承溫的設(shè)計(jì)需求；另一方面，北京航空航天大學(xué)自主研發(fā)的IC系列Ni3Al基超高溫合金(申請(qǐng)?zhí)?201110125242X)最高承溫可達(dá)1220°C，實(shí)現(xiàn)了超高溫服役，完全符合新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)需求，但是其中低溫性能有所退化且相關(guān)研宄剛剛起步。最近的研宄表明，高溫合金的超高溫(1200°C以上)性能的提高和中低溫性能的優(yōu)化在合金化設(shè)計(jì)和微觀組織控制方面是很難調(diào)和的，有時(shí)候甚至是相悖的。簡(jiǎn)而言之，傳統(tǒng)Ni基單晶高溫合金不能實(shí)現(xiàn)超高溫服役，而IC3系列Ni3Al基單晶超高溫合金中低溫性能的優(yōu)化尚需時(shí)日。由此可見，使用單一高溫合金經(jīng)連續(xù)單晶生長(zhǎng)制備的傳統(tǒng)葉片材料不能滿足新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)需求。因此，航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片材料的設(shè)計(jì)必須另辟新徑，新型葉片材料的制備方法必須得到足夠的重視和系統(tǒng)化的研宄。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片服役的功能梯度屬性，本發(fā)明給出了一個(gè)新型單晶葉片材料的設(shè)計(jì)思路及其制備方法，旨在得到一種葉根及中部為Ni基高溫合金、葉頂為Ni3Al基超高溫合金的單晶葉片材料，預(yù)計(jì)該材料的葉根及中部具有較好的中低溫服役性能，其葉頂具有較好的超高溫服役性能。事實(shí)上，這是一種單晶葉片材料的復(fù)合制備方法，存在很多技術(shù)難點(diǎn):對(duì)模殼進(jìn)行兩次澆注同時(shí)保證兩種合金在葉片縱向分布精確可控；定向凝固過程要足夠合理使得兩合金的互擴(kuò)散過渡區(qū)不會(huì)形成空洞和縮松等鑄造缺陷；單晶生長(zhǎng)過程要足夠穩(wěn)定使得兩合金生長(zhǎng)成為一個(gè)完整的單晶葉片；熱處理工藝要顧全兩種合金的微觀組織控制以實(shí)現(xiàn)各自力學(xué)性能的最優(yōu)化等等。
[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種由Ni基高溫合金和Ni3Al基超高溫合金復(fù)合成的、葉根及中部具有良好中低溫性能的、葉頂具有良好超高溫性能的功能梯度單晶葉片材料的模殼設(shè)計(jì)、澆注工藝、單晶生長(zhǎng)控制和熱處理制度等制備方法。
[0006]本發(fā)明提供的由兩種合金復(fù)合成的功能梯度單晶葉片材料的制備方法，具體包括如下步驟:
[0007]第一步，制備頂部澆注式葉片模殼。
[0008]葉片葉頂朝上正放，使用起晶器、螺旋選晶器和單晶放大器來獲得單晶，并設(shè)計(jì)直徑為0.8?1.2_的窄通道橫置在相鄰起晶器之間，窄通道的設(shè)置高度為起晶器高度的1/2處，使起晶器相互連通；計(jì)算所需Ni基高溫合金的質(zhì)量，為起晶器、螺旋選晶器、單晶放大器和部分葉片(依照所設(shè)計(jì)的復(fù)合參數(shù)，一般葉根和葉中部長(zhǎng)度在葉片總長(zhǎng)的2/3?4/5長(zhǎng)度范圍內(nèi))的體積總和乘以該Ni基高溫合金密度；所需Ni3Al基超高溫合金的質(zhì)量為剩余葉片(葉頂)與澆注盤的體積之和乘以該Ni3Al基超高溫合金密度；
[0009]第二步，在定向凝固設(shè)備中安裝兩個(gè)磁感應(yīng)熔化爐，按照所需質(zhì)量在高溫室分別熔化兩種合金:Ni基高溫合金熔化溫度為1480?1520°C，Ni3Al基超高溫合金熔化溫度為1520 ?1570? ；
[0010]第三步，設(shè)定澆注溫度為1500?1580°C，模殼溫度與澆注溫度相同，先澆注Ni基高溫合金，饒注后靜置5min ；以3mm/min抽拉速率運(yùn)行5?8min，使起晶器和管道完全凝固；再澆注Ni3Al基超高溫合金，澆注后靜置5min ；
[0011]第四步，進(jìn)行單晶葉片的生長(zhǎng):螺旋選晶器生長(zhǎng)速率為3?4mm/min、單晶放大器生長(zhǎng)速率逐步增加到4?6mm/min，葉根及葉中部生長(zhǎng)速率為4?6mm/min，在兩種合金互擴(kuò)散形成的過渡區(qū)生長(zhǎng)速率逐步放慢到3?4mm/min，葉頂及饒注盤生長(zhǎng)速率維持3?4mm/min，直至單晶生長(zhǎng)完成；所述的Ni基高溫合金鑄造的葉根及葉中部的長(zhǎng)度為葉片總長(zhǎng)的2/3?4/5長(zhǎng)度范圍內(nèi)，其余為葉頂；所述的過渡區(qū)是指Ni基高溫合金鑄造部分和Ni3Al基超高溫合金鑄造部分的界面上下各1mm長(zhǎng)度葉片段，該過渡區(qū)由于兩中合金在液相條件下進(jìn)行相互擴(kuò)散，其成分從Ni基高溫合金均勻過渡到Ni3Al基超高溫合金；所述生長(zhǎng)速率逐步增加或逐步放慢是指速率變化率為0.5mm/min2o
[0012]第五步，所得材料施加再設(shè)計(jì)的固溶均勻化處理、高溫時(shí)效處理和低溫時(shí)效處理。通過高溫合金手冊(cè)和公開報(bào)道得到兩種合金的標(biāo)準(zhǔn)熱處理制度，然后基于其標(biāo)準(zhǔn)熱處理制度通過以下步驟設(shè)計(jì)所得材料的熱處理制度。固溶均勻化處理制度的再設(shè)計(jì)方法為:選取兩合金標(biāo)準(zhǔn)固溶制度全部溫度點(diǎn)中的最低溫度和最高溫度，在兩溫度之間以20度為溫度梯度增加溫度點(diǎn)，形成所設(shè)計(jì)的固溶制度溫度點(diǎn)序列，其最低溫度點(diǎn)保溫2小時(shí)，其最高溫度點(diǎn)保溫10小時(shí)，中間的每個(gè)溫度點(diǎn)均保溫2?6小時(shí)。高溫時(shí)效處理制度的再設(shè)計(jì)方法為:選取兩種合金標(biāo)準(zhǔn)高溫時(shí)效制度溫度點(diǎn)，分別稱為較低溫度和較高溫度，按照“較低溫度保溫I小時(shí)+較高溫度保溫2小時(shí)+較低溫度保溫I小時(shí)”設(shè)計(jì)該材料的高溫時(shí)效處理制度；Ni基高溫合金的標(biāo)準(zhǔn)高溫時(shí)效溫度點(diǎn)一般為1040°C?1100°C，Ni3Al基高溫合金標(biāo)準(zhǔn)高溫時(shí)效制度溫度點(diǎn)一般為1100°C?1160°C，一般情況下，兩者中Ni基高溫合金標(biāo)準(zhǔn)高溫時(shí)效溫度點(diǎn)為較低溫度點(diǎn)，Ni3Al基高溫合金標(biāo)準(zhǔn)高溫時(shí)效制度溫度點(diǎn)為較高溫度點(diǎn)。低溫時(shí)效處理制度的再設(shè)計(jì)方法為:選取兩種合金標(biāo)準(zhǔn)低溫時(shí)效制度保溫時(shí)間中的較長(zhǎng)時(shí)間，按照“870°C保溫該較長(zhǎng)時(shí)間”設(shè)計(jì)低溫時(shí)效處理制度。所述的較長(zhǎng)時(shí)間可以選取20?32小時(shí)。
[0013]本發(fā)明的工作原理如下:
[0014]1、所述管道作為窄通道使起晶器相互連通，可在各個(gè)葉片模殼之間形成連通器。當(dāng)澆注Ni基高溫合金時(shí)，由于連通器效應(yīng)，使得該Ni基高溫合金金屬液在各個(gè)葉片模殼中保持相同高度。之后凝固起晶器和窄通道，使各個(gè)葉片相互獨(dú)立。再澆注Ni3Al基超高溫合金直至注滿全部腔體。此時(shí)兩合金在葉片縱向分布可嚴(yán)格實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)需求，實(shí)現(xiàn)了精確控制。
[0015]2、螺旋選晶器使用較慢的單晶生長(zhǎng)速率可以提高對(duì)(001)取向晶粒的選擇和控制，故其單晶生長(zhǎng)速率定為3?4mm/min ;葉根和葉中部的材料是Ni基高溫合金，使用較快的單晶生長(zhǎng)速率有利于減小一次枝晶間距，降低枝晶/枝晶間的鑄造偏析，抑制枝晶間析出物的形核長(zhǎng)大，便于固溶均勻化處理，故其單晶生長(zhǎng)速率定為4?6mm/min ;葉頂材料是Ni3Al基超高溫合金，為了保證在兩合金過渡區(qū)不形成雜晶和不發(fā)生晶向偏離，需要兩合金在定向凝固時(shí)保持一個(gè)相近的一次枝晶間距，多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)Ni3Al基超高溫合金的單晶生長(zhǎng)速率為Ni基高溫合金的2/3左右時(shí)，兩合金的一次枝晶間距是相近的，故其單晶生長(zhǎng)速率定為3?4mm/min ;在單晶放大器和兩合金過渡區(qū)使用梯度變化的單晶生長(zhǎng)速率，使前后生長(zhǎng)速率的差異得到緩沖和調(diào)和。由此本