一種低錸鎳基單晶高溫合金及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開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：采用真空感應爐熔煉母合金，通過重力鑄造制備母合金鑄棒；采用籽晶法通過Bridgeman定向凝固技術制備單晶試棒；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?。缓辖鹈芏鹊?，強度高，抗氧化性能好；合金的相穩(wěn)定性好，長期時效不易生成有害相；合金成本低。
【專利說明】一種低錸鎳基單晶高溫合金及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種鎳基單晶高溫合金及其制備技術，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域。
【背景技術】
[0002]目前，航空發(fā)動機的進口溫度已高達1400，°C傳統(tǒng)鐵基和鈷基高溫合金已不能滿足要求，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，但同時也帶來了組織穩(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，對高溫合金成本及長期服役過程中微觀組織穩(wěn)定性等的影響已引起了廣泛的關注，成為制約鎳基單晶高溫合金發(fā)展的重要因素。
[0003]當前，國內(nèi)外應用較為廣泛的是第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關鍵問題，在高溫下強烈促使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)品的市場競爭力。為此，美國GE公司開發(fā)了一系列低錸鎳基單晶高溫合金(專利號:W02009032578A1)以降低合金成本及提高組織穩(wěn)定性，綜合性能達到含錸3.0wt%的第2代單晶Ren6N5，但錸含量僅為1.5wt%，其密度為8.6g/cm3。由于服役過程中合金所受的應力與其密度成正比，而蠕變速率與應力存在對應的關系(εΚ—5，6)，因此密度越小，合金蠕變速率越慢，使用壽命越長，尤其作為航空發(fā)動機渦輪葉片材料，密度的降低對于提升發(fā)動機推重比具有重要意義。因此，為進一步提升飛機發(fā)動機工作性能，合金密度的控制也是成分設計的一個重要方向。

【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，用于要求抗蠕變強度高、高溫持久壽命長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，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，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:采用真空感應爐熔煉母合金，通過重力鑄造制備母合金鑄棒；
[0009]第二步:采用籽晶法通過Bridgeman定向凝固技術制備單晶試棒；
[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、高溫時效處理和低溫時效處理，其中固溶處理工藝溫度為1300-1310，°C時間為2-4小時，冷卻方式為空冷；高溫時效處理溫度為1080-1100, °C時間為2-5小時，冷卻方式為空冷；低溫時效處理溫度為870-900，°C時間為16-24小時，冷卻方式為空冷。
[0014]本發(fā)明的合金設計原理:綜合運用電子空位理論和d-電子理論，初步設計鎳基單晶高溫合金成分，計算其主要性能評價指標，并與典型第I代、第2代鎳基單晶高溫合金對應的性能評價指標作比較、分析。通過以第二相析出強化主導來提高合金高溫性能，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Mdt值綜合衡量，強度用合金元素間共價鍵平均結合強度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測參數(shù)P值評價.具體評價體系: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)有技術相比，其顯著優(yōu)點是:(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，強度高，抗氧化性能好。(3)本發(fā)明合金的相穩(wěn)定性好，長期時效不易生成有害相。(4 )本發(fā)明合金成本低。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是為本發(fā)明低錸鎳基單晶高溫合金制備流程圖。
【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖對本發(fā)明做進一步詳細描述。
[0018]本發(fā)明低錸鎳基單晶高溫合金制備工藝見圖1。
[0019](I)合金成分設計
[0020]合金成分設計采用式(1)-(6)計算。
[0021]①合金電子空位數(shù)計算如式⑴所示,式中:1?為i組元的摩爾分數(shù)；(Nv)i為i組元的平均電子空位數(shù)。
_ η
[0022](I)
1-lI
[0023]②d-電子理論計算如式(2)、式(3)所示，式中:Ci為i組元的原子分數(shù)；Mdi為i組元的d分子軌道能級；Mlt為平均d分子軌道能級；Boi為元素之間共價鍵結合強度的參數(shù)；SS為平均Boi值。
【權利要求】
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，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，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:采用真空感應爐熔煉母合金，通過重力鑄造制備母合金鑄棒； 第二步:采用籽晶法通過Bridgeman定向凝固技術制備單晶試棒； 第三步:單晶高溫合金熱處理。
4.根據(jù)權利要求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，熔煉時間為3-5分鐘。
5.根據(jù)權利要求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、高溫時效處理和低溫時效處理，其中固溶處理工藝溫度為1300-1310，°〇時間為2-4小時，冷卻方式為空冷；高溫時效處理溫度為1080-1100，°C時間為2_5小時，冷卻方式為空 冷；低溫時效處理溫度為870-900，°C時間為16-24小時，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:采用真空感應爐熔煉母合金，通過重力鑄造制備母合金鑄棒； 第二步:采用籽晶法通過Bridgeman定向凝固技術制備單晶試棒； 第三步:單晶高溫合金熱處理。
8.根據(jù)權利要求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，熔煉時間為3-5分鐘；按質(zhì)量百分比計，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、高溫時效處理和低溫時效處理，其中固溶處理工藝溫度為1300-1310，°C時間為2-4小時，冷卻方式為空冷；高溫時效處理溫度為1080-1100，°〇時間為2-5小時，冷卻方式為空冷；低溫時效處理溫度為870-900，°C時間為16-24小時，冷卻方式為空冷。
【文檔編號】C30B29/52GK103866392SQ201410035718
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年1月24日 優(yōu)先權日:2014年1月24日
【發(fā)明者】陳 光, 周雪峰, 李沛, 嚴世坦 申請人:南京理工大學, 江蘇?。ǖり枺└咝阅芎辖鸩牧涎芯吭? 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