本发明专利技术公开了一种长期时效组织稳定的Ni<subgt;3</subgt;Al基单晶高温合金及其制备方法，属于Ni<subgt;3</subgt;Al基单晶高温合金技术领域，该合金的化学成分按重量百分比为：Al：6.5～9％，Ti：≤2％，Mo：4～7％，Cr：1.5～6％，Co：1～5％，Ta：0.5～4％，W：1～3％，Re：1～2％，C：≤0.002％，余量为Ni；该合金密度为7.9～8.1g/cm<supgt;3</supgt;，该合金γˊ相体积分数高于72％，该合金1100℃能够达到完全抗氧化级，在900～1100℃范围内长期时效至1000小时的过程中未观察到有害TCP相析出。制备方法包括：1)制备母合金棒材，2)制备单晶高温合金材料；3)后期热处理。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及ni3al基单晶高温合金，具体涉及一种低密度且长期时效组织稳定的ni3al基单晶高温合金及其制备方法。
技术介绍
1、航空发动机涡轮叶片在服役过程中承受着高温以及离心力的共同作用，高温合金是制备涡轮叶片的关键材料。ni3al基单晶高温合金相较于传统ni基单晶高温合金，该类合金中γ′相的体积分数高于75％。γ′相具有较低的密度(7.5g/cm3)，较高的高温强度，优异的蠕变抗力以及反常屈服的特性，使ni3al基单晶高温合金在保持优异的高温性能的同时，具有较低的密度，成为一种十分具有潜力的航空发动机涡轮叶片候选材料。
2、单晶高温合金在长期时效过程中的组织稳定性是考量合金在服役过程中可靠性的关键指标。合金在长期时效过程中，难熔元素在基体中的过饱和度的增加，往往伴随着有害tcp相的析出，严重恶化单晶高温合金的高温力学性能。因此，研发一种长期时效组织稳定的ni3al基高温合金是十分必要的。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种低密度(7.9～8.1g/cm3)，且长期时效组织稳定的ni3al基单晶高温合金，以及该合金的制备方法。
2、为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种低密度且长期时效组织稳定的ni3al基单晶高温合金，该合金的化学成分按重量百分比为：al：6.5～9％，ti：≤2％，mo：4～7％，cr：1.5～6％，co：1～5％，ta：0.5～4％，w：1～3％，re：1～2％，c：≤0.002％，余量为ni。
>3、所述低密度且长期时效组织稳定的ni3al基单晶高温合金中，(al+ti)/re≥4，且ti/al≤0.07，al/(mo+w+ta)≤1.3。4、所述低密度且长期时效组织稳定的ni3al基单晶高温合金，其密度为7.9～8.1g/cm3。
5、所述低密度且长期时效组织稳定的ni3al基单晶高温合金中，γ′相体积分数高于72％，且合金经900～1100℃时效1000h，组织中不析出tcp相。
6、本专利技术提出的所述低密度且长期时效组织稳定的ni3al基单晶高温合金的制备方法，具体包含以下几个步骤：
7、第一步：制备母合金棒材；
8、(1)采用真空感应熔炼，按照所述镍基高温合金所设计的化学成分称取钽、铬、钴、钼、铝、钛、碳、铼及镍的冶炼原料：金属铬、钴、钨条、钼条、精铝锭、海绵钛、钽条、电解镍。将配好的原料放入真空感应炉中，冶炼坩埚采用预制mgo坩埚，中频感应加热，在真空气氛下冶炼，真空度小于1pa。在真空条件下，将原料熔化，随后进行高温精炼和除杂处理，最后在真空条件下制备铸锭。
9、(2)熔炼工艺
10、采用真空感应炉熔炼合金锭的过程中，元素的加入方式为纯金属。
11、所述高温精炼的温度为1500～1580℃，精炼时间为20～50min，高温熔体的浇注温度为1520～1550℃。
12、(3)将母合金线切割出圆柱料坯，并进行表面打磨抛光处理后清洗烘干，得到低密度且长期时效组织稳定的ni3al基高温合金母合金试棒。
13、第二步：制备单晶高温合金材料；
14、采用螺旋选晶法制备单晶合金构件。将定向单晶炉的真空抽到＜1pa，将第一步制备的母合金试棒加热到1550℃保温10min，然后将合金熔体浇注进模壳空腔中，模壳温度和浇注温度为1520～1550℃，采用水冷底盘冷却，以5～15mm/min拉制单晶高温合金试棒，制备ni3al基单晶高温合金。
15、第三步：后期热处理
16、本专利技术合金的热处理制度为：
17、(1)1315℃，保温2h，升温到1320℃，保温2h，升温到1325℃，保温2h，升温到1330℃，保温2h，再升温到1335℃，保温12～16h，然后风冷至室温；
18、(2)1100～1120℃，保温2～4h，然后风冷至室温；
19、(3)850～870℃，保温24～48h，然后风冷至室温。
20、本专利技术优点在于：
21、(1)提供的一种低密度的单晶高温合金，其密度范围控制在7.90g/cm3～8.10g/cm3，能够满足航空发动机轻量化、高推重比的发展要求；
22、(2)本专利技术提出的ni3al基单晶高温合金材料抗氧化性能可以达到完全抗氧化级；
23、(3)本专利技术提出的ni3al基单晶高温合金长期时效组织稳定，在900℃～1100℃长期时效至1000小时过程中未观察到有害tcp相析出。
24、本专利技术原理如下：
25、铝、钛、钴、钼、钽、铬和碳元素加入到镍基高温合金中，通过原子间的配合综合作用，对合金基体起到直接固溶强化作用。
26、铝(al)可以进入γ相，起固溶强化作用。al也可促进ni3(al,ti)相的形成并增强其稳定性，提高合金的高温强度，而且ni3al相的密度较低，作为基体相可以起到降低合金密度的作用。al元素的添加又可形成致密的al2o3氧化膜，提高合金的抗氧化性能。在al的含量低于6.5％时，作用不明显。另一方面，如果大量添加al，则引其γ′体积分数过高影响合金的工艺性且易形成有害的β-nial相析出。因此，al含量范围规定为6.5～9％。
27、钛(ti)可以固溶进基体中，起一定的固溶强化作用。ti可以促进ni3(al,ti)的形成，提高合金的高温强度。ti含量增加，γ′相数量增加，且γ′相中存在ti原子，可以提高反向畴界能。此外，ti通过与c结合形成mc型碳化物也有一定的强化效果。然而，过高的钛含量降低ni3(al,ti)相的稳定性，加快粗化速率，且易导致有害的η-ni3ti相的形成，共晶数量增加，合金熔点降低，另外对高温持久强度不利。因此，将合金的ti含量规定为0～2.0％。
28、碳(c)为mc型碳化物和晶界强化相m23c6的构成元素，c与nb和ti结合形成在热加工窗口温度范围保持稳定的mc型碳化物来帮助控制晶粒大小，晶界mc和m23c6有利于强化晶界，提高合金的高温蠕变强度，此外，还可防止高温条件下晶粒的粗大化。然而，过高碳含量不仅容易导致大量碳化物形成从而降低基体中固溶强化元素含量和沉淀析出相的数量，容易引起过多的碳化物退化反应，还容易在晶界形成连续的晶界碳化物薄膜，降低合金性能，此外，高的碳含量对合金的焊接性能也不利。从冶金角度考虑，单晶高温合金中可能存在小角度晶界，微量元素碳可以提高允许角度；作为炼钢用的精炼剂，真空感应熔炼期间用碳作脱氧剂，提高合金纯净度；降低凝固过程中雀斑、杂晶等晶体缺陷的形成。但碳元素含量不宜太高，碳含量增加，re、w、mo元素的偏析会加重；另外，碳含量太高，持久寿命会降低。因此，c含量范围规定为≤0.002％。
29、钴(co)元素的添加，主要起到固溶强化效果。还可以到降低al元素的溶解度，从而增加γ′沉淀相的数量，γ′相中含有co，还可以提高γ′相的溶解温度。但钴元素较贵，所以本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种长期时效组织稳定的Ni3Al基单晶高温合金，其特征在于，该合金的化学成分按重量百分比为：Al：6.5～9％，Ti：≤2％，Mo：4～7％，Cr：1.5～6％，Co：1～5％，Ta：0.5～4％，W：1～3％，Re：1～2％，C：≤0.002％，余量为Ni。
2.根据权利要求1所述的一种长期时效组织稳定的Ni3Al基单晶高温合金，其特征在于，(Al+Ti)/Re≥4；且Ti/Al≤0.07。
3.根据如权利要求2所述的一种长期时效组织稳定的Ni3Al基单晶高温合金，其特征在于，Al/(Mo+W+Ta)≤1.3。
4.根据权利要求1所述的一种长期时效组织稳定的Ni3Al基单晶高温合金，其特征在于，所述合金的密度为7.9～8.1g/cm3。
5.根据权利要求1所述的一种长期时效组织稳定的Ni3Al基单晶高温合金，其特征在于，所述合金中γ′相体积分数高于72％，且合金经900℃～1100℃时效1000小时，组织中不析出TCP相。
6.根据权利要求1所述的一种长期时效组织稳定的Ni3Al基单晶高温合金，其特征在于所述合金在1100℃能够达到完全抗氧化级别。
7.一种权利要求1-6任一项所述的长期时效组织稳定的Ni3Al基单晶高温合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
8.根据权利要求7所述的一种长期时效组织稳定的Ni3Al基单晶高温合金的制备方法，其特征在于，第三步的合金热处理制度为：
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【技术特征摘要】
1.一种长期时效组织稳定的ni3al基单晶高温合金，其特征在于，该合金的化学成分按重量百分比为：al：6.5～9％，ti：≤2％，mo：4～7％，cr：1.5～6％，co：1～5％，ta：0.5～4％，w：1～3％，re：1～2％，c：≤0.002％，余量为ni。
2.根据权利要求1所述的一种长期时效组织稳定的ni3al基单晶高温合金，其特征在于，(al+ti)/re≥4；且ti/al≤0.07。
3.根据如权利要求2所述的一种长期时效组织稳定的ni3al基单晶高温合金，其特征在于，al/(mo+w+ta)≤1.3。
4.根据权利要求1所述的一种长期时效组织稳定的ni3al基单晶高温合金，其特征在于，所...
【专利技术属性】
技术研发人员：侯介山，蔡航，郭永安，赵乐，秦学智，吴云胜，管现军，周兰章，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：
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