本发明专利技术提供了一种低成本、高强度且完全抗氧化的第三代单晶高温合金，主要适用于在1100℃以上使用的航空发动机的叶片材料。合金的化学成分为：Cr 3～5％，Co 5～12％，W 6～8％，Mo 0.1～2％，Re 4.5～5.5％，Al 5.5～6.5％，Ta 6～10％，Nb 0～0.6％，Hf 0～0.2％，Y0～0.05％，C 0～0.04％，其余为Ni。制备方法包括在单晶生长炉温度梯度范围40K/cm～80K/cm，浇注温度1500～1550℃，模壳温度与浇注温度保持一致，在生长速率为4～8mm/min范围内制备单晶叶片或试棒。之后，经固溶均匀化处理、高温时效处理和低温时效处理，使本发明专利技术合金具有高的持久强度和蠕变极限。在1100℃/140MPa持久条件下的寿命≥200h，其持久强度与CMSX‑10相当；高温抗氧化性能好，即表面稳定性好。热处理窗口宽，固溶处理易于控制。
【技术实现步骤摘要】
持久强度高且抗氧化性优良的第三代单晶高温合金及制备
本专利技术涉及高强度单晶高温合金及其制备和热处理领域，特别提供了一种低成本、高强度且完全抗氧化的第三代单晶高温合金，主要适用于在1100℃以上使用的航空发动机的叶片材料。
技术介绍
镍基单晶高温合金由于具有优越的综合性能，是目前及将来相当长时期内先进发动机中承受温度最高，应力载荷最大的关键部件的首选材料。在单晶高温合金发展的过程中，由于对使用温度的要求越来越高，合金中难熔元素的含量逐渐增多，尤其是Re、W、Mo、Ta等，典型的第一代(CMSX-2)、第二代(CMSX-4)、第三代(CMSX-10)单晶高温合金难熔元素(Re+W+Mo+Ta)的含量从约14wt％到接近16.5wt％再到超过20wt％。特别地，CMSX-10的Re含量为6wt％。由于Re、W的过量加入，在使性能逐步提高的基础上也带来了如下缺点：成本高、密度大、显微组织不稳定，易析出TCP相(topologicallyclosepacked)等。为了解决第二、三代单晶高温合金出现的显微组织不稳定的问题，国外采用的技术手段是加入Ru、Ir和铂族元素等来抑制TCP相得析出，但是这些元素较Re更贵，成本更高，并且资源缺乏，难以大量使用。另外，国内研制的无Re合金，如DD99、DD98等，其性能相当于第一、第二代单晶的水平，高温强度低。Re的独特作用在于，Re偏聚于γ基体中，富集于位错芯周围，阻碍位错运动，能产生明显的强化效果，加入3wt％的Re，能使温度提高大约30℃。Re不仅自身的扩散系数非常低，还能降低其它合金元素的体扩散系数，能减慢一切由扩散控制的过程，因而减慢了强化相γ′粒子的长大速度，也减慢了控制蠕变机制的扩散速度。所以，要获得高的高温强度，必须要加入一定含量的Re元素。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种低成本、高强度且完全抗氧化的第三代单晶高温合金，以解决现有技术中存在的成本高、显微组织不稳定等问题，其使用温度能达到1100℃以上。本专利技术的技术方案是：根据本专利技术的目的，同时也考虑到各合金元素的作用，将Re的含量选取为4.5～5.5wt％，同时适当提高W和Ta的含量。本专利技术提供了一种高强度且完全抗氧化的第三代单晶高温合金，其具体的化学成分(wt％)如下：Cr3～5％，Co5～12％，W6～8％，Mo0.1～2％，Re4.5～5.5％，Al5.5～6.5％，Ta6～10％，Nb0～0.6％，Hf0～0.2％，Y0～0.05％，C0～0.04％，其余为Ni。所述第三代单晶高温合金优选的化学成分(wt％)如下：Cr3～4％，Co8～12％，W6～7％，Mo1～2％，Re4.5～5.0％，Al5.7～6.2％，Ta8～9％，Nb0～0.3％，Hf0.05～0.15wt％，Y0～0.03％，C0～0.02％其余为Ni。所述第三代单晶高温合金最佳的化学成分(wt％)如下：Cr3％，Co12％，W6％，Mo1％，Re5％，Al6.2％，Ta8％，Nb0.15％，Hf0.1％，Y0.01％，C0.01％，其余为Ni。为实现对合金基体的有效强化，同时不危害合金的抗氧化性能，W与Mo的重量百分比含量之和大于6.5％，且Mo和W重量的比值小于1/5.5。为保证具有足够的高温强度，合金中必须析出足够体积分数且充分强化的γ′相，因此合金中Al和Ta的重量百分比含量之和大于13.5％，且Ta和Al重量含量的比值大于78/57。本专利技术第三代单晶合金的制备方法：在定向凝固炉上进行制备单晶合金，单晶生长炉(定向炉)的温度梯度范围在40K/cm～80K/cm之间，浇注温度为1500～1550℃，模壳温度与浇注温度保持一致，在生长速率为3～8mm/min范围内，所述合金可用于制备单晶叶片或试棒。本专利技术第三代单晶合金的热处理制度如下：(1)固溶处理，在1320～1330℃保温8～16小时；随后升温至1335-1340℃保温8～16小时，然后空冷至室温；(2)高温时效处理，在1100～1150℃保温2～6小时，随后空冷至室温；(3)低温时效处理，在850～890℃保温16～26小时，随后空冷至室温。作为优选的技术方案：(1)固溶处理：在1325℃保温16小时，随后升温至1335℃保温16小时，然后空冷至室温；(2)高温时效处理：在1150℃保温4小时，随后空冷至室温；(3)低温时效处理：在870℃保温24小时，随后空冷至室温。本专利技术的工作原理如下：本专利技术合金的成分设计虽然选取了低于一般水平的Re含量，但是通过充分固溶、改变时效温度和时间，尽可能的发挥合金元素的固溶强化和γ′的沉淀强化作用；同时也利用合金元素的交互作用，使具有低Re含量的合金达到第三代单晶的性能水平。化学成分的设计主要基于如下理由：Cr能提高合金的抗腐蚀性能，且能产生一定的固溶强化作用，因此Cr的含量必须足够大；同时，Cr的含量又应尽可能小，使得基体能溶解高含量的Re、W、Mo等以获得优异的蠕变性能。在本专利技术中Cr的含量选为3～5wt％，优选含量范围为3～4％。Co对相沉淀的作用很有争议，Co能改善合金组织稳定性，但是降低了断裂强度和抗氧化性。Erickson在CMSX-10中限定Co含量在3wt％，称这样做减少了TCP相形成的倾向；Walston推荐了高含量的Co在ReneN6(达12.5wt％)，为了提高相稳定性；本专利技术的前期工作表明，Co降低γ′相的析出温度，使共晶和铸态的粗大γ′相易于回溶到基体中，Co有利于固溶处理时消除合金元素的枝晶偏析，从而改善合金的组织稳定性。但含量过高时抑制γ′的长大从而减小其尺寸，进而降低合金的高温强度。因此本专利技术选定Co的含量在5～12wt％，优选含量范围为8～12％。W均衡的分配于基体和γ′相中，是很强的固溶强化元素。在低Re含量的情况下，要充分发挥W的强化作用。但W加入过量会导致显微组织的不稳定，使γ相过饱和，易形成σ相、μ相、P相等TCP脆性相甚至α-W相，因而损害合金的力学性能；且W加入过量会导致合金中出现链状等轴晶粒组成的雀斑。其原因是W等重元素偏聚于枝晶干导致糊状区的液体密度小于上部的主体液相，引起对流不稳定而导致二次枝晶断裂。在本专利技术合金中，W的含量在6～8wt％，优选范围为6～7wt％。Mo是固溶强化元素，并能增加γ/γ′的错配度，使错配位错网密集，能有效地阻碍位错运动，使性能提高；但Mo对合金的热腐蚀性能有很坏的影响，含量过高时也会促使合金中析出脆性的TCP，因此Mo的含量在0.1～2wt％，优选范围为1～2％。Re显著降低了γ′相晶粒长大粗化的动力学因素，其原因在于Re与Ni之间可形成不可压缩的Ni-Re键，不仅增大Re自身也增大了其他元素在Ni中扩散的空位形成能和迁移能，因而减慢扩散过程。Re能降低其它元素的体扩散系数，能减慢一切由扩散控制的过程，因而减慢了强化相γ′沉淀的长大速度，也减慢了控制蠕变机制的扩散速度，因而含Re的合金在高温具有很大优势。加入3wt％的Re，能使承温能力比不含Re时提高大约30℃。但Re也是强烈的μ相形成元素，而且Re属于战略性稀贵元素，价格高昂，因而含量应尽可能地降低，本专利技术选定Re的含量在4.5～5.5wt％，优选范围为4.5～5.0％。Al、Ti、Ta、Nb等本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种持久强度高且抗氧化性优良的第三代单晶高温合金，其特征在于，按重量百分比计，该单晶合金的化学成分为：Cr 3～5％，Co 5～12％，W 6～8％，Mo 0.1～2％，Re 4.5～5.5％，Al 5.5～6.5％，Ta 6～10％，Nb 0～0.6％，Hf 0～0.2％，Y0～0.05％，C 0～0.04％，其余为Ni。
【技术特征摘要】
1.一种持久强度高且抗氧化性优良的第三代单晶高温合金，其特征在于，按重量百分比计，该单晶合金的化学成分为：Cr3～5％，Co5～12％，W6～8％，Mo0.1～2％，Re4.5～5.5％，Al5.5～6.5％，Ta6～10％，Nb0～0.6％，Hf0～0.2％，Y0～0.05％，C0～0.04％，其余为Ni。2.按照权利要求1所述的第三代单晶高温合金，其特征在于，按重量百分比计，该单晶合金化学成分如下：Cr3～4％，Co8～12％，W6～7％，Mo1～2％，Re4.5～5.0％，Al5.7～6.2％，Ta8～9％，Nb0～0.3％，Hf0.05～0.15wt％，Y0～0.03％，C0～0.02％，其余为Ni。3.按照权利要求1所述的第三代单晶高温合金，其特征在于，按重量百分比计，该单晶合金化学成分如下：Cr3％，Co12％，W6％，Mo1％，Re5％，Al6.2％，Ta8％，Nb0.15％，Hf0.1％，Y0.01％，C0.01％，其余为Ni。4.按照权利要求1所述的第三代单晶高温合金，其特征在于：合金中W与Mo的重量百分比含量之和大于6.5％，且Mo和W重量的比值小于1/5.5。...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘金来，周亦胄，孟杰，孙晓峰，
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
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