一种镍基合金、其制备方法与制造物品技术

本发明专利技术提供了一种镍基合金、其制备方法与制造物品，镍基合金由以下元素组成：5.5wt％～6.5wt％的铝；5.0wt％～7.0wt％的铬；5.0wt％～7.0wt％的钴；5.5wt％～7.5wt％的钼；3.0wt％～5.0wt％的钨；0.0wt％～1.0wt％的钛；6.0wt％～8.0wt％的钽；0.0wt％～0.25wt％的铪；0.0wt％～0.05wt％的碳；0.0wt％～0.01wt％的硼；余量的镍。本申请通过添加上述元素并调整上述元素的含量，使得到的镍基合金在合金密度、合金成本、组织稳定性、高温强度等方面实现了很好的平衡，具有优异的综合性能。

【技术实现步骤摘要】
一种镍基合金、其制备方法与制造物品
本专利技术涉及镍基合金
，尤其涉及一种镍基合金、其制备方法与制造物品。
技术介绍
高温合金是为高温环境服役(650℃以上)发展起来的一类合金；该类合金通常以Fe、Co或Ni元素为基体，还添加有大量主合金元素Cr、Al、Ti、Ta、Nb、Mo、W或Re等以及微量元素C、B、Zr或Hf等。高温合金主要应用在燃气涡轮发动机(包括航空涡轮发动机和地面燃气涡轮发动机)、火箭推进器和核反应堆等的热端部件。相比铁基(铁镍基)高温合金和钴基高温合金，镍基高温合金本身具有较良好的抗氧化性，并且具有兼顾强度和韧性的面心立方晶体结构，以及更高的相稳定性等，因此在发动机热端部件上的应用更为广泛。从微观组织上看，镍基高温合金主要由连续的γ基体相和离散的γ′沉淀相构成；γ相和γ′相均为面心立方结构，相界面完全共格，但晶格常数存在微小的差异，存在晶格错配度。当镍基高温合金的成分设计不合理时，合金在高温长时服役条件下容易析出富含Cr、Mo、W或Re元素的拓扑密排相(TCP相)，例如σ相、μ相和P相等。TCP相本身较脆，并且抽取了大量固溶强化元素，因此会大幅度降低合金的高温强度。在设计设计时应当避免TCP相的出现。高温合金的发展与燃气涡轮发动机的发展密不可分。燃气涡轮发动机属于热机的一种，提高燃气的温度有利于增加燃气涡轮发动机的整体性能，例如增加燃烧效率，从而增加推重比，减少二氧化碳的排放量。因此先进燃气涡轮发动机的发展要求不断提高燃烧室、高压导向叶片和高压涡轮叶片等热端部件的服役温度，促进了高温合金的不断发展。涡轮叶片在服役时受燃气的推动而围绕涡轮轴高速旋转，由于自身重量的原因将在叶片上产生显著的离心应力，因此首先要求叶片材料在高温下能够长时间承受应力的作用，即具有良好的高温抗蠕变性能。其次，燃气中残留氧气的存在要求叶片材料具有良好的高温抗氧化性；长时间的高温作用要求叶片材料具有良好的组织稳定性，即不会析出降低高温强度的脆性TCP相。此外，叶片材料重要的物理和力学性能还包括密度、抗热腐蚀性能、抗疲劳性能等。从微观结构上看，通过变形或传统铸造方式制造的高温合金由不同晶体取向的晶粒构成，晶粒之间存在晶界。相比晶粒内部，晶界实际上属于一种晶体面缺陷，其原子的错排非常严重，具有较高密度的空位和位错。在高温热激活的作用下，晶界容易发生明显的软化，其结合强度显著低于晶粒内部。因此在高温下受到载荷时，垂直于载荷方向的晶界(横向晶界)更容易成为裂纹起源或裂纹扩展通道，导致材料的高温强度显著降低。通过定向凝固工艺消除横向晶界后，镍基高温合金的高温强度可以得到显著提高，由此发展出了定向凝固高温合金；进一步通过单晶工艺完全消除晶界后，又发展出了单晶高温合金。由于不存在晶界，单晶高温合金大幅度减少了晶界强化元素C、B、Zr和Hf等的加入。限制这些元素的含量后，合金的熔点得到了大幅度提高，因而可以采用更高温度的固溶热处理完全消除凝固时形成的铸态组织，得到细小均匀的沉淀相分布，从而再次提高合金的高温强度。在单晶工艺的基础上，人们发现加入Re元素可以显著提高合金的高温蠕变抗性，这主要归因于Re元素显著降低了高温下的元素扩散，抑制了沉淀相的粗化。现今用于制造高压涡轮叶片的镍基单晶高温合金普遍含有Re元素。按照含Re量的不同，镍基单晶高温合金通常分为第1代(不含Re)、第2代(约3wt％Re)、第3代(约6wt％Re)和第4代(约4wt％Re和4wt％Ru)合金。然而，Re是一种极其稀有的金属元素，并且价格极为高昂，这导致含Re合金的制造成本大幅度上升，并且面临Re元素供应链中断的风险。因此，现今镍基单晶高温合金的发展必须注重减少合金中Re的含量，甚至不加Re。然而，已有的镍基单晶高温合金AM3、CMSX-2和RenéN4等虽然不含Re，但其高温蠕变强度显著低于含3wt％Re的CMSX-4和RenéN5合金。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题在于提供一种镍基合金，本申请提供的镍基合金可在合金密度、合金成本、组织稳定性、高温强度等方面实现很好的平衡，具有优异的综合性能。有鉴于此，本申请提供了一种镍基合金，由以下元素组成：5.5wt％～6.5wt％的铝；5.0wt％～7.0wt％的铬；5.0wt％～7.0wt％的钴；5.5wt％～7.5wt％的钼；3.0wt％～5.0wt％的钨；0.0wt％～1.0wt％的钛；6.0wt％～8.0wt％的钽；0.0wt％～0.25wt％的铪；0.0wt％～0.05wt％的碳；0.0wt％～0.01wt％的硼；余量的镍。优选的，所述铝的含量为5.7wt％～6.2wt％。优选的，所述铬的含量为5.2wt％～6.8wt％。优选的，所述钴的含量为5.9wt％～6.5wt％。优选的，所述钼的含量为6.0wt％～7.0wt％。优选的，所述钨的含量为3.2wt～4.8wt％。优选的，所述钛的含量为0.1wt～0.8wt％。优选的，所述钽的含量为6.5wt％～7.1wt％。优选的，由以下元素组成：5.95wt％的铝，5.8wt％的铬，6.2wt％的钴，6.5wt％的钼，3.7wt％的钨，0.15wt％的钛，7wt％的钽与余量的镍。优选的，由以下元素组成：5.95wt％的铝，5.8wt％的铬，6wt％的钴，6.4wt％的钼，3.8wt％的钨，0.15wt％的钛，7wt％的钽与余量的镍。优选的，由以下元素组成：6.03wt％的铝，6.0wt％的铬，6.2wt％的钴，6.5wt％的钼，3.72wt％的钨，0.22wt％的钛，6.8wt％的钽，0.09wt％的铪，0.03wt％的碳，0.003wt％的硼与余量的镍。本申请还提供了所述的镍基合金的制备方法，包括以下步骤：A)按照成分配比制备镍基母合金铸锭；B)将所述镍基母合金铸锭重熔，再制备镍基合金铸件；C)将所述镍基合金铸件进行热处理，得到镍基合金。优选的，所述镍基合金铸件包括使用熔模铸造法制备的等轴晶铸件、基于布里奇曼法定向凝固制备的柱状晶铸件或基于布里奇曼法定向凝固制备的单晶铸件。优选的，所述热处理具体为：将镍基合金铸件在1280～1340℃进行2～12h的固溶处理，随后进行空冷；再在1050～1150℃进行2～8h的高温时效处理，随后进行空冷；然后在850～950℃进行12～20h的低温时效处理，随后进行空冷，最终得到组织均匀的镍基合金。本申请还提供了一种应用于燃气涡轮发动机的制造物品，由上述方案所述的镍基合金制备而成。优选的，所述制造物品为燃气涡轮发动机涡轮叶片。本申请提供了一种镍基合金，其由以下元素组成：5.5wt％～6.5wt％的铝；5.0wt％～7.0wt％的铬；5.0wt％～7.0wt％的钴；5.5wt％～7.5wt％的钼；3.0wt％～5.0wt％的钨；0.0wt％～1.0wt％的钛；6.0wt％～8.0wt％的钽；0.0wt％～0.25wt％的铪；0.0wt％～0.05wt％的碳；0.0wt％～0.01wt％的硼；余量的镍。在本申请的镍基合金中，上述含量的Al可促使合金中析出大约55～70％体积分数的γ′-Ni3Al沉淀相，同时保证高温下合金表面生成Al2O3膜的连续性；适当含量的Cr可避免TCP相的析出，且有利于固溶强化元素的加入，有利于提本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种镍基合金，由以下元素组成：5.5wt％～6.5wt％的铝；5.0wt％～7.0wt％的铬；5.0wt％～7.0wt％的钴；5.5wt％～7.5wt％的钼；3.0wt％～5.0wt％的钨；0.0wt％～1.0wt％的钛；6.0wt％～8.0wt％的钽；0.0wt％～0.25wt％的铪；0.0wt％～0.05wt％的碳；0.0wt％～0.01wt％的硼；余量的镍。

【技术特征摘要】
1.一种镍基合金，由以下元素组成：5.5wt％～6.5wt％的铝；5.0wt％～7.0wt％的铬；5.0wt％～7.0wt％的钴；5.5wt％～7.5wt％的钼；3.0wt％～5.0wt％的钨；0.0wt％～1.0wt％的钛；6.0wt％～8.0wt％的钽；0.0wt％～0.25wt％的铪；0.0wt％～0.05wt％的碳；0.0wt％～0.01wt％的硼；余量的镍。2.根据权利要求1所述的镍基合金，其特征在于，所述铝的含量为5.7wt％～6.2wt％。3.根据权利要求1所述的镍基合金，其特征在于，所述铬的含量为5.2wt％～6.8wt％。4.根据权利要求1所述的镍基合金，其特征在于，所述钴的含量为5.9wt％～6.5wt％。5.根据权利要求1所述的镍基合金，其特征在于，所述钼的含量为6.0wt％～7.0wt％。6.根据权利要求1所述的镍基合金，其特征在于，所述钨的含量为3.2wt％～4.8wt％。7.根据权利要求1所述的镍基合金，其特征在于，所述钛的含量为0.1wt％～0.8wt％。8.根据权利要求1所述的镍基合金，其特征在于，所述钽的含量为6.5wt％～7.1wt％。9.根据权利要求1所述的镍基合金，其特征在于，由以下元素组成：5.95wt％的铝，5.8wt％的铬，6.2wt％的钴，6.5wt％的钼，3.7wt％的钨，0.15wt％的钛，7wt％的钽与余量的镍。10.根据权利要求1所述的镍基合金，其特征在于，由以下元素组成：5.95...

【专利技术属性】
技术研发人员：不公告发明人，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43