一种低成本、低密度镍基单晶高温合金制造技术

本发明专利技术公开了一种低成本、低密度镍基单晶高温合金，属于镍基单晶高温合金技术领域。该合金化学成分为(wt.％)：Cr：3.0～6.0％，Co：7.0～11.0％，Mo：0.5～2.0％，W：10.0～13.0％，Ta：0～4.0％，Al：4.0～7.0％，Re：1.0～2.5％，Ti：0～2.0％，Nb:0～2.0％，C：0～0.1％，B：0～0.01％，La:0～0.1％，Ce：0～0.1％，Y：0～0.1％，其余为Ni。本发明专利技术合金具有较低的密度和较低的Re含量，具有优良的高温力学性能，同时还具有优良的抗氧化性能。既适用于航天、航空发动机高温部件，又可适用于地面与舰用燃气轮机高温部件。机高温部件。

【技术实现步骤摘要】
一种低成本、低密度镍基单晶高温合金


[0001]本专利技术涉及镍基单晶高温合金
，具体涉及一种低成本、低密度镍基单晶高温合金，该合金主要适用于在高温条件下承受较高应力的零部件。

技术介绍

[0002]高推重比发动机的研制对热端部件的承温能力不断提出更高的要求。第一代单晶高温合金比定向柱晶高温合金的使用温度提高25～30℃；第二代单晶高温合金(CMSX-4，Rene N5等)由于添加了3wt.％左右的贵金属元素铼(Re)，比第一代单晶高温合金使用温度又提高了30℃；第三代单晶高温合金中Re含量在6wt.％左右，可使耐温能力再提高30℃，达到1150℃左右。
[0003]在现有技术条件下，在镍基单晶高温合金中难熔元素W、Mo、Ta、Re等的固溶强化作用也显得越来越重要。特别是Re的加入，显著地提高了合金的高温强度。但是，合金承温能力提高的同时，其成本和密度也在显著提高，而且过多Re元素的加入，导致合金组织稳定性差，容易析出有害的TCP相。因此在获得优异的高温性能的前提下，降低Re元素的含量是十分必要的。
[0004]针对上述背景，人们期望获得一种低成本、低密度镍基单晶高温合金，高温性能与典型第二代单晶高温合金性能相当，组织稳定，并适合高温应用。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种低成本、低密度镍基单晶高温合金，其高温性能与典型第二代单晶高温合金相当，组织稳定，适合高温应用。
[0006]为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：
[0007]一种低成本、低密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：
[0008]Cr：3.0～6.0％，Co：7.0～11.0％，Mo：0.5～2.0％，W：10.0～13.0％，Ta：0～4.0％，Al：4.0～7.0％，Re：1.0～2.5％，Ti：0～2.0％，Nb:0～2.0％，C：0～0.1％，B：0～0.01％，La:0～0.03％，Ce：0～0.03％，Y：0～0.03％，其余为Ni。
[0009]本专利技术提供的高强抗热腐蚀镍基单晶高温合金，所述合金按重量百分含量计较优的化学成分如下：
[0010]Cr：3.5～5.0％，Co：8.0～10.0％，Mo：0.5～1.5％，W：11.0～13.0％，Ta：0.1～3.5％，Al：5.5～6.5％，Re：1.5～2.5％，Ti：0.5～1.5％，Nb：0.5～1.5％，C：0.002～0.05％，B：0.001～0.005％，La：0.001～0.01％，Ce：0.001～0.02％，Y：0.001～0.01％，其余为Ni。
[0011]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：
[0012]O≤0.003％，N≤0.002％，S≤0.004％，P≤0.018％，Si≤0.2％，Pb≤0.0005％，Bi≤0.00005％，Sn≤0.001％。
[0013]本专利技术合金(合金牌号取名为DD436)的化学成分设计主要基于如下理由：
[0014]设计合金为镍基单晶高温合金，合金中含有W、Mo、Ta、Re等固溶强化元素，同时含有60-70％的γ
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强化相，γ
′
强化相形成元素主要为Al、Ti、Nb、Ta等。
[0015]为降低成本，设计合金的中Re含量比当前第二代单晶高温合金要低，即控制在2wt％左右(第二代单晶高温合金的含Re量为3wt％左右)。同时降低比较昂贵的元素Ta的含量，去除昂贵的Hf元素。在降低高温强化元素Re、Ta含量的同时，还要保证合金的高温强度，这是本专利技术的难点之一。同时，Re、Ta含量降低的同时，需要增加其它难熔元素的含量，可能导致合金的组织稳定性恶化，严重降低合金的性能。本专利技术另一个难点是解决合金的高温高强度与组织稳定性这一矛盾。
[0016]W是强固溶强化元素，同时部分分配到γ
′
相，有利于同时强化基体和γ
′
相，尤其在高温下的强化效果显著。除了Re之外，W也是有效的固溶强化元素，本专利技术将W的含量提高到10.0～13.0wt％。
[0017]Mo也是固溶强化元素，Mo的加入会增加晶格错配度，提高合金力学性能。由于TCP相对Mo含量极为敏感，本专利技术限制Mo的含量为0.5～1.5％。
[0018]适当的Ta含量能够减小铸造过程中枝晶间的溶质对流，提高合金的铸造性能。同时，Ta元素的加入，有利于提高合金的力学性能。但是，Ta的密度高，价格也较高。因此，本专利技术控制Ta含量在0～4.0wt％之间。优化后，本专利技术控制Ta含量在0.1～3.5wt％之间。
[0019]Co对TCP相有抑制作用，但过高的Co含量会降低固溶温度，导致合金高温性能的降低，为保证合金的高温性能，Co含量控制在8.0～10.0wt％。
[0020]Al是γ
′
相形成元素，对合金的强化非常有益。同时，Al元素是合金抗氧化必不可少的元素。因此，将Al含量控制在4.0～7.0％。但是，过量Al的加入，将增加Nv值，可能析出TCP相，对合金性能不利。结合这些因素本专利技术控制Al含量在5.5～6.5％。
[0021]Nb也是常见的固溶强化元素之一。Nb原子半径比W和Mo更大，因此固溶强化作用比W和Mo更明显。但对于γ
’
相强化的镍基单晶高温合金，Nb主要溶解于γ
’
相，也是γ
’
相形成元素。由于Nb明显降低γ基体的堆垛层错能，所以明显降低蠕变速率，提高蠕变性能。同时，Nb还参与硼化物形成，Nb含量过高还会引起Laves相的析出，因此在合金中加入0～2wt.％的Nb，优选0.5-1.5％。
[0022]Ti是形成γ
’
的基本元素，合金中加入Ti后，γ
’
相由Ni3Al变为Ni3(Al，Ti)。Ti对合金的抗热腐蚀性能也有有益作用，因此合金中的Ti控制在0.5～2.0wt.％。
[0023]Cr是提高合金抗热腐蚀性能的关键元素，同时对抗氧化性能有益，在合金中必须添加适量的Cr，但由于Re、W、Mo、Ta等难熔元素含量较高，加入大量的Cr会使合金的组织稳定性降低，因此，经过优化后，将Cr含量控制在3.5～5wt％。上述各元素的合理配比是本专利技术合金良好综合性能的保证。
[0024]稀土元素La、Ce和Y，作为净化剂有脱氧和脱硫的作用；同时La、Ce和Y按特定量添加且与本专利技术其他元素配合时可提高合金的力学性能，作为微合金化元素偏聚与小角晶界和亚晶界起强化作用，作为活性元素改善合金的抗氧化性能。为达到上述效果，本专利技术将稀土La控制在0.001～0.01％，Ce：0.001～0.02％，Y控制在0.001～0.01％。
[0025]适量C的加入可提高合金的铸造性能，降低合金的再结晶倾向，特别是C的加入生成小尺寸颗粒状碳化物能够强化小角度晶界，从而提高单晶高温合金的小角晶界容限，进
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低成本、低密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：3.0～6.0％，Co：7.0～11.0％，Mo：0.5～2.0％，W：10.0～13.0％，Ta：0～4.0％，Al：4.0～7.0％，Re：1.0～2.5％，Ti：0～2.0％，Nb：0～2.0％，C：0～0.1％，B：0～0.01％，La：0～0.03％，Ce：0～0.03％，Y：0～0.03％，其余为Ni。2.按照权利要求1所述的低成本、低密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：3.5～5.0％，Co：8.0～10.0％，Mo：0.5～1.5％，W：...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢光，王栋，张健，楼琅洪，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：