一种低成本镍基单晶高温合金及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种低成本镍基单晶高温合金及其制备方法，按重量百分比计，合金成分包括：C?0.1～0.18％，Cr?4.3～5.6％，Co?8～10％，W?10.9～12.5％，Mo?0.9～1.3％，Nb?1.2～1.6％，Al?5.65～6.25％，Ti?0.9～1.3％，Hf?0.01～0.1％，B?0.001～0.015％，Ce?0.0005～0.025％，Y?0.0005～0.025％，Ni余量。该合金制备成本低，可在铸态下直接使用，同时具有较高的蠕变强度、抗疲劳性能和良好的组织稳定性，并具有良好的单晶铸造性能、焊接性能和涂层性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于镍基单晶高温合金及其制备
，具体涉及，该合金适用于制作航空发动机燃气涡轮转子叶片和导向叶片及其他高温部件。
技术介绍
在整个高温合金领域中，镍基高温合金占有特殊重要的地位。与铁基和钴基高温合金相比，镍基高温合金具有更高的高温强度和组织稳定性，广泛应用于制作航空喷气发动机和工业燃气轮机的热端部件。由于垂直于受力方向的横向晶界是高温下材料的薄弱环节，消除横向晶界可以显著提高合金的综合性能，因此铸造高温合金由等轴晶发展到定向柱晶，为了进一步提高性能又发展了没有晶界的单晶高温合金。单晶高温合金作为各种航空发动机和燃气轮机的涡轮叶片材料是未来几十年的发展趋势。八十年代以来各国就开始争相发展自己的单晶高温合金，为研制大推重比的先进发动机作好材料准备，到目前为止，已经有四代单晶高温合金相继问世。而我国在单晶高温合金的研制方面，还处于落后状态。目前研制的单晶合金主要是第一代单晶合金，如DD402、DD8、DDlO等，第二代单晶合金仅有DD6，这使我国在先进航空发动机研制中，关键热端涡轮叶片的选材困难很大，因此国内急需研制先进的单晶材料以满足先进发动机的需求。单晶高温合金成分发展的特点是将晶界强化元素C、B等完全去除，或者是微量使用，增加难熔元素的含量。例如:以CMSX系列单晶合金为例，难熔元素的加入量，第一代为14.6wt %，第二代为16.4wt %，而第三代高达20.7wt %。常规的难熔元素为W和Mo，随着单晶高温合金的发展又加入了难熔元素Ta，Re和Ru。随着这些新型难熔元素的加入合金的成本也成倍增加。目前已知的单晶高温合金都需要进行热处理才能使用，并且热处理工艺也变得越来越复杂，例如CMSX-10单晶高温合金，热处理制度为:固溶处理:1315°C /lh+1329°C /2h+1335°C /2h+1340°C /2h+1346°C /2h+1352°C /2h+1357°C /3h+1360°C /5h+1363°C /10h+1365°C /15h，氦气冷却；时效处理:1150°C /4h空冷+870°C /24h空冷+760°C /30h空冷。这种复杂的热处理工艺使得单晶高温合金的生产成本大大增加，并且不利于节约能源。同时由于单晶高温合金在高温固溶处理时极易诱发再结晶缺陷，再结晶严重降低单晶合金的性能，在生产中单晶高温合金中是不允许出现再结晶的。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种低成本镍基单晶高温合金，该 合金制备成本低，可在铸态下直接使用，同时具有较高的蠕变强度、抗疲劳性能和良好的组织稳定性，并具有良好的单晶铸造性能、焊接性能和涂层性能。本专利技术的技术方案如下:一种低成本镍基单晶高温合金(DD26)，按重量百分比计，合金成分包括:C 0.1 0.18%, Cr 4.3 5.6%，Co 8 10%，W 10.9 12.5%, Mo 0.9 1.3%,Nb 1.2 1.6%,Al 5.65 6.25%，Ti 0.9 1.3%,Hf 0.01 0.1%，B 0.001 0.015%, Ce 0.0005 0.025%, Y 0.0005 0.025%, Ni 余量。本专利技术优选的合金成分为(以重量百分比计):C 0.1 0.18%, Cr 4.3 5.6%，Co 8 10%，W 11.2 12.2%, Mo 1.1 1.2%,Nb 1.2 1.6%,Al 5.65 6.25%，Ti 0.9 1.3%,Hf 0.04 0.1%，B 0.001 0.015%, Ce 0.0005 0.025%, Y 0.0005 0.025%, Ni 余量。本专利技术合金可以利用纯金属元素在真空感应熔炼炉中熔炼为母合金，母合金再通过定向凝固设备(高速凝固法，High rate solidification或液态金属冷却法，Liquidmetal cooling)重熔，利用螺旋选晶法或籽晶法定向凝固成单晶铸件。为了进一步提高综合性能，本专利技术合金也可以进行简单的热处理后使用。本专利技术合金成分设计原理如下:专利技术合金中不含有Re和Ta等贵重金属元素，主要依靠难熔元素W和Mo提高材料的高温强度，而W和Mo元素又是TCP有害相的形成元素，综合考虑确定W元素的成分范围:10.9% 12.5%，Mo元素的成分范围为:0.9 1.3%。众所周知传统单晶高温合金的设计思路是一代单晶高温合金完全消除晶界强化元素(C和B元素)，二至四代单晶高温合金中加入微量晶界强化元素C和B ( —般不超过0.05 % )，而本合金是通过加入适量C元素来提高合金的高温强度，同时C元素在合金熔炼过程中可以有效的净化合金(脱氧)，对抗腐蚀性能也有益，并且改善单晶合金的铸造工艺性。同时C元素的加入也可以降低TCP相的形成倾向。通过研究发现当本合金中C含量大于0.18%时合金的持久性能降低。合金的C含量为:0.1 0.18%时可以获得较好的综合性能。B元素可以强化单晶合金中不可避免的小角度晶界，B的含量确定为:0.001 0.015%。本合金中还加入了微量的Hf元素，可以明显地改善涂层与基体的相容性和粘结性而提高涂层寿命，同时对单晶合金的工艺性能和力学性能也有好处，Hf元素的含量确定为:0.01 0.1 %。Nb元素主要进入镍基高温合金的主要强化相(Y'相)中，提高Y'相的稳定性，并强化固溶体。此外，还能提高合金的焊接工艺性能。Nb元素的含量确定为:1.2 1.6%。稀土元素在合金熔炼过程中可以降低合金中的O、S、N、Sn等有害元素的含量，起到净化合金的作用，同时稀土元素可以提高合金的组织稳定性，提高合金长期时效后的持久性能。并且由于稀土元素可以降低熔融合金的粘度，从而提高合金的铸造工艺性能。但是稀土元素在熔炼过程中挥发比较严重，因此规定本合金的稀土加入量为=Ce 0.0005 0.025%，Y 0.0005 0.025%，并且单晶合金稀土含量可以不做分析。本专利技术的有益技术效果为:1、本专利技术研制的单晶合金中不含有Ta，Re和Ru，只加入W和Mo，同时本合金通过加入适量的C和B元素来提高合金的高温强度，极大的降低了合金的成本。2、本专利技术合金使用温度在1100°C以下，并可以不经热处理铸态直接使用，进一步节约成本的同时，可以完全避免单晶合金在热处 理过程中出现再结晶的危险。3、本专利技术合金具有良好的组织稳定性和单晶铸造工艺性能，其性能与目前国内一代单晶高温合金相当。附图说明图1为本专利技术实施例1单晶试棒组织图；其中，(a)为LMC法制备的合金铸态组织；(b)为HRS法制备的合金铸态组织；(c)为LMC法制备的合金热处理态组织；(d)为LMC法制备的合金热处理态组织。图2为本专利技术实施例5铸态合金与国内一代单晶高温合金DD3、DD402、DD4的持久性能比较。图3为本专利技术实施例8铸态合金900°C长期时效后的组织。具体实施例方式下面结合实施例和附图对本专利技术进一步描述。实施例1本专利技术合金(N0.1合金)成分见表I，通过液态金属冷却(LMC)定向凝固工艺制备单晶试棒。其铸态组织和热处理态组织如图1 (a、c和d)所示。通过高速凝固工艺(HRS)制备的单晶试棒铸态组织如图1(b)所示。表I单晶合金成分(wt% )本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低成本镍基单晶高温合金，其特征在于：按重量百分比计，合金成分包括：C?0.1～0.18％，Cr?4.3～5.6％，Co?8～10％，W?10.9～12.5％，Mo?0.9～1.3％，Nb?1.2～1.6％，Al?5.65～6.25％，Ti?0.9～1.3％，Hf?0.01～0.1％，B?0.001～0.015％，Ce?0.0005～0.025％，Y?0.0005～0.025％，Ni余量。

【技术特征摘要】
1.一种低成本镍基单晶高温合金，其特征在于:按重量百分比计，合金成分包括:C 0.1 0.18%,Cr 4.3 5.6%,Co 8 10%，W 10.9 12.5%,Mo 0.9 1.3%,Nb1.2 1.6%,Al 5.65 6.25%,Ti 0.9 1.3%,Hf 0.01 0.1B 0.001 0.015%,Ce 0.0005 0.025%, Y 0.0005 0.025%, Ni 余量。2.根据权利要求1所述的镍基单晶高温合金，其特征在于:按重量百分比计，合金成分包括:C 0.1 0.18%,Cr 4.3 5.6%,Co ...

【专利技术属性】
技术研发人员：申健，张健，楼狼洪，张少华，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：