一种低铼抗热腐蚀长寿命高强度第二代镍基单晶高温合金及其热处理工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种低铼抗热腐蚀长寿命高强度第二代镍基单晶高温合金及其热处理工艺，属于抗热腐蚀镍基单晶高温合金技术领域。按重量百分含量计，该合金化学成分为：Cr：8.0～11.0％，Co：7.0～11.0％，Mo：0.1～0.5％，W：3.0～6.0％，Ta：4.0～7.0％，Al：3.8～5.2％，Ti：0～3.0％，Re：1.0～3.0％，C：0～0.2％，其余为Ni；6.0wt.％≤Al+Ti≤8.0wt.％，Al/Ti>1。该合金具备与典型第二代高强单晶合金相当的高温力学性能，并且具有良好的抗热腐蚀性能和长期组织稳定性。

A Second Generation Nickel-based Single Crystal Superalloy with Low Rhenium, Resistance to Hot Corrosion, Long Life and High Strength and Its Heat Treatment Process

The invention discloses a second generation nickel-based single crystal superalloy with low rhenium, heat corrosion resistance, long service life and high strength and its heat treatment process, belonging to the technical field of heat corrosion resistance nickel-based single crystal superalloy. According to weight percentage, the chemical composition of the alloy is: Cr: 8.0-11.0%, Co: 7.0-11.0%, Mo: 0.1-0.5%, W: 3.0-6.0%, Ta: 4.0-7.0%, Al: 3.8-5.2%, Ti: 0-3.0%, Re: 1.0-3.0%, C: 0-0.2%, the rest is Ni; 6.0wt.% less than Al+Ti < 8.0wt.%, Al/Ti > 1. The alloy has the same high temperature mechanical properties as the typical second generation high strength single crystal alloy, and has good thermal corrosion resistance and long-term structural stability.

【技术实现步骤摘要】
一种低铼抗热腐蚀长寿命高强度第二代镍基单晶高温合金及其热处理工艺
本专利技术属于抗热腐蚀镍基单晶高温合金
，具体涉及一种低铼抗热腐蚀长寿命高强度第二代镍基单晶高温合金及其热处理工艺，主要适用于在高温热腐蚀条件下承受较高应力的零部件，包括地面工业燃气轮机的高温涡轮部件以及各类海洋环境下服役的舰船和舰载机的高温涡轮部件。
技术介绍
随着航空发动机和燃气轮机技术的发展，进气温度不断提升，对材料承温能力的要求越来越高，对于地面工业燃气轮机以及海洋环境下应用的舰船和舰载机的高温涡轮部件，不仅要求其具备较高的高温力学性能，特别是长时高温力学性能，同时要求具备优异的抗热腐蚀性能。另外，对于长寿命服役的高温涡轮部件，合金还必须兼具良好的长期组织与性能稳定性。目前，欧美发达国家研制的抗热腐蚀单晶高温合金主要包括PWA1483、CMSX-11B、CMSX-11C等合金，国内研制的抗热腐蚀单晶高温合金主要有DD8、DD10和DD413等合金，Cr元素是提高合金抗热腐蚀性能的主要合金元素，这些抗热腐蚀单晶合金普遍含有较高含量的Cr元素，因此这些合金具备优异的抗热腐蚀性能，但Cr含量的大量添加会增加合金TCP相的析出倾向，并限制了其他难熔元素(Re+W+Mo+Ta)的添加含量，直接导致这些合金的高温强度远达不到国内外第二代抗热腐蚀高温合金的水平。目前，随着航空发动机和燃气轮机进口温度的不断提升，在推向市场的G/H级燃气轮机中，美国GE等公司使用了含3％Re元素的第二代单晶高温合金(例如RenéN5和CMSX-4合金)被广泛应用于单晶涡轮叶片的制备。然而，典型的第二代高强单晶合金RenéN5和CMSX-4等合金，虽然具备优异的高温力学性能，但是由于合金中的抗热腐蚀元素Cr含量较低(低于8％)，导致合金的抗热腐蚀性能达不到热腐蚀服役环境下的使用要求，对于长时服役在热腐蚀环境条件下的地面燃气轮机以及舰船、舰载机的高温涡轮部件，一旦防护涂层出现损伤脱落，高温涡轮部件将面临严重的热腐蚀损伤甚至断裂失效风险。目前，具有较高的高温力学性能，并且兼具良好抗热腐蚀性能和长期组织稳定性的单晶高温合金在国内外的种类均比较少见。针对上述背景，国内外高温合金领域研究者期待获得一种具备良好的抗热腐蚀性能，高温力学性能与国外典型第二代高强单晶合金相当，并且具有良好的长期组织稳定性的低铼抗热腐蚀长寿命高强度镍基单晶高温合金。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种低铼抗热腐蚀长寿命高强度镍基单晶高温合金及其热处理工艺，该合金具备与典型第二代高强单晶合金相当的高温力学性能，并且具有良好的抗热腐蚀性能和长期组织稳定性。为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：一种低铼抗热腐蚀长寿命高强度镍基单晶高温合金，按重量百分含量计，该合金化学成分如下：Cr：8.0～11.0％，Co：7.0～11.0％，Mo：0.1～0.5％，W：3.0～6.0％，Ta：4.0～7.0％，Al：3.8～5.2％，Ti：0～3.0％，Re：1.0～3.0％，C：0～0.2％，其余为Ni；其中：6.0％≤Al+Ti≤8.0％，Al/Ti&gt;1。本专利技术镍基单晶高温合金优选的化学成分如下(wt.％)：Cr：9.0～10.0％，Co：8.0～10.0％，Mo：0.1～0.5％，W：3.5～5.0％，Ta：5.0～6.5％，Al：4.0～5.0％，Ti：0.5～3.0％，Re：1.5～3.0％，C：0～0.1％，其余为Ni；其中：6.5％≤Al+Ti≤7.5％，Al/Ti&gt;1。本专利技术提供的镍基单晶高温合金中，杂质的成分和质量百分含量满足下述要求：O≤0.003％，N≤0.0015％，S≤0.004％，P≤0.018％，Si≤0.2％，Pb≤0.0005％，Bi≤0.00005％。本专利技术合金(合金牌号取名为DD421)的化学成分设计主要基于如下理由：Re是高温合金中非常有效的固溶强化元素，并能降低其他元素的体扩散系数，提高γ′相的粗化激活能，延缓γ′相的长大速率。Re还偏聚于γ基体中，形成原子团簇，阻碍位错运动，显著提高合金的高温力学性能。更为重要的是，对于本专利技术合金，Re元素的添加对合金的抗热腐蚀性能的提高发挥了显著作用，并能弥补本合金中Cr元素的适当降低对抗热腐蚀性能所带来的影响。而Re元素对于合金的抗氧化性能，特别是组织稳定性产生非常不利的影响。另外，Re在地壳中的丰度非常低，低于0.001g/t，我国的储量更加稀少，因此在获得较高力学性能和良好抗热腐蚀性能的基础上，应该尽量较少合金中Re元素的使用含量。因此，本合金中将Re的含量控制在1.0～3.0％。Cr是提高镍基高温合金抗热腐蚀性能的最主要元素，传统抗热腐蚀高温合金中Cr含量一般大于12％(质量分数，下同)，以保证合金在热腐蚀环境中，能够形成连续的抗热腐蚀Cr2O3保护膜，但Cr的大量添加会增加合金中TCP相的析出倾向，限制了Mo、W、Re等其他强化元素的加入，这也是目前抗热腐蚀单晶合金高温力学性能普遍偏低的主要原因。本专利技术合金通过添加Re元素提高合金抗热腐蚀性能，实现适当降低合金中Cr含量的可能性(8～11％)，既保证合金的抗热腐蚀性能，也为增加合金中的强化元素(Mo、W、Re、Ta)和γ′形成元素(Al、Ti、Ta)含量提供了可能，提高合金固溶强化和沉淀强化水平。Co能够降低合金基体的层错能，对合金的组织稳定性也存在一定的有益作用，Co的添加有利于热处理时合金元素的均匀化，能够扩大合金热处理窗口，但过高的Co含量会降低合金的固溶温度，并降低合金的断裂强度和抗氧化性能。因此为了保证合金的高温力学性能，Co含量控制在7～11％。Mo、W是高温合金中最主要的固溶强化元素，特别是Mo除了具备固溶强化作用外，还能增加γ/γ′的错配度，提高合金高温力学性能。然而，Mo、W元素的过量添加会大幅增加TCP相的析出倾向，特别是Mo元素的添加含量对于TCP相的析出更加敏感，在合金研制过程中发现，当Mo元素的添加含量超过1％时，合金组织稳定性不能得到有效保障，相对较短时间的热暴露试验后合金中即析出大量的μ和σ等TCP组织。特别是在热腐蚀环境中，Mo容易引起酸性熔融反应，对合金的抗热腐蚀性能产生非常不利的影响。另一方面，降低合金中Mo、W的含量还会降低合金的密度，控制合金密度对于大尺寸单晶合金叶片材料将非常重要。因此将Mo、W的含量分别控制在0.5％和6％以下。Al、Ti是镍基单晶高温合金中最主要的γ′形成元素，对合金高温强度产生重要影响。Al元素能够显著提高合金的抗氧化性能，而Ti元素可能会与S反应形成稳定的固态硫化物，延缓金属-金属硫化物液态共晶的形成，从而延缓热腐蚀反应进程，改善合金的抗热腐蚀性能，但Ti元素对合金的抗氧化性能不利，并且Ti作为极强的正偏析元素，对合金的铸造性能带来负面影响，并为合金固溶热处理时大量共晶的消除带来巨大困难。另外，合金中Al、Ti的过量添加会显著降低合金的组织稳定性。因此，必须合理控制合金中的Al+Ti总含量和Ti/Al比。通常，航空发动机单晶涡轮叶片中γ′的体积分数较高，γ′/γ的错配度也较大，因此合金的相对较短时的高温力学性能较高。相比航空发动机涡轮叶片，工业燃气轮机涡轮叶片的服役周本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低铼抗热腐蚀长寿命高强度镍基单晶高温合金，其特征在于：按重量百分含量计，该合金化学成分如下：Cr：8.0～11.0％，Co：7.0～11.0％，Mo：0.1～0.5％，W：3.0～6.0％，Ta：4.0～7.0％，Al：3.8～5.2％，Ti：0～3.0％，Re：1.0～3.0％，C：0～0.2％，其余为Ni。

【技术特征摘要】
1.一种低铼抗热腐蚀长寿命高强度镍基单晶高温合金，其特征在于：按重量百分含量计，该合金化学成分如下：Cr：8.0～11.0％，Co：7.0～11.0％，Mo：0.1～0.5％，W：3.0～6.0％，Ta：4.0～7.0％，Al：3.8～5.2％，Ti：0～3.0％，Re：1.0～3.0％，C：0～0.2％，其余为Ni。2.根据权利要求1所述的低铼抗热腐蚀长寿命高强度镍基单晶高温合金，其特征在于：该镍基单晶高温合金中：6.0wt.％≤Al+Ti≤8.0wt.％，Al/Ti&gt;1。3.根据权利要求1或2所述的低铼抗热腐蚀长寿命高强度镍基单晶高温合金，其特征在于：Cr：9.0～10.0％，Co：8.0～10.0％，Mo：0.1～0.5％，W：3.5～5.0％，Ta：5.0～6.5％，Al：4.0～5.0％，Ti：0.5～3.0％，Re：1.5～3.0％，C：0～0.1％，其余为Ni。4.根据权利要求3所述的低铼抗...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜祥伟，楼琅洪，王栋，常剑秀，董加胜，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21