專利名稱：一種低成本鎳基單晶高溫合金及其制備方法
技術領域：
本發明屬于鎳基單晶高溫合金及其制備技術領域，具體涉及一種低成本鎳基單晶高溫合金及其制備方法，該合金適用于制作航空發動機燃氣渦輪轉子葉片和導向葉片及其他高溫部件。
背景技術：
在整個高溫合金領域中，鎳基高溫合金占有特殊重要的地位。與鐵基和鈷基高溫合金相比，鎳基高溫合金具有更高的高溫強度和組織穩定性，廣泛應用于制作航空噴氣發動機和工業燃氣輪機的熱端部件。由于垂直于受力方向的橫向晶界是高溫下材料的薄弱環節，消除橫向晶界可以顯著提高合金的綜合性能，因此鑄造高溫合金由等軸晶發展到定向柱晶，為了進一步提高性能又發展了沒有晶界的單晶高溫合金。單晶高溫合金作為各種航空發動機和燃氣輪機的渦輪葉片材料是未來幾十年的發展趨勢。八十年代以來各國就開始爭相發展自己的單晶高溫合金，為研制大推重比的先進發動機作好材料準備，到目前為止，已經有四代單晶高溫合金相繼問世。而我國在單晶高溫合金的研制方面，還處于落后狀態。目前研制的單晶合金主要是第一代單晶合金，如DD402、DD8、DDlO等，第二代單晶合金僅有DD6，這使我國在先進航空發動機研制中，關鍵熱端渦輪葉片的選材困難很大，因此國內急需研制先進的單晶材料以滿足先進發動機的需求。單晶高溫合金成分發展的特點是將晶界強化元素C、B等完全去除，或者是微量使用，增加難熔元素的含量。例如:以CMSX系列單晶合金為例，難熔元素的加入量，第一代為14.6wt %，第二代為16.4wt %，而第三代高達20.7wt %。常規的難熔元素為W和Mo，隨著單晶高溫合金的發展又加入了難熔元素Ta，Re和Ru。隨著這些新型難熔元素的加入合金的成本也成倍增加。目前已知的單晶高溫合金都需要進行熱處理才能使用，并且熱處理工藝也變得越來越復雜，例如CMSX-10單晶高溫合金，熱處理制度為:固溶處理: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，氦氣冷卻；時效處理:1150°C /4h空冷+870°C /24h空冷+760°C /30h空冷。這種復雜的熱處理工藝使得單晶高溫合金的生產成本大大增加，并且不利于節約能源。同時由于單晶高溫合金在高溫固溶處理時極易誘發再結晶缺陷，再結晶嚴重降低單晶合金的性能，在生產中單晶高溫合金中是不允許出現再結晶的。
發明內容
本發明的目的在于提供一種低成本鎳基單晶高溫合金一種低成本鎳基單晶高溫合金及其制備方法，該 合金制備成本低，可在鑄態下直接使用，同時具有較高的蠕變強度、抗疲勞性能和良好的組織穩定性，并具有良好的單晶鑄造性能、焊接性能和涂層性能。本發明的技術方案如下:
一種低成本鎳基單晶高溫合金(DD26)，按重量百分比計，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。本發明優選的合金成分為(以重量百分比計):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。本發明合金可以利用純金屬元素在真空感應熔煉爐中熔煉為母合金，母合金再通過定向凝固設備(高速凝固法，High rate solidification或液態金屬冷卻法，Liquidmetal cooling)重熔，利用螺旋選晶法或籽晶法定向凝固成單晶鑄件。為了進一步提高綜合性能，本發明合金也可以進行簡單的熱處理后使用。本發明合金成分設計原理如下:發明合金中不含有Re和Ta等貴重金屬元素，主要依靠難熔元素W和Mo提高材料的高溫強度，而W和Mo元素又是TCP有害相的形成元素，綜合考慮確定W元素的成分范圍:
10.9% 12.5%，Mo元素的成分范圍為:0.9 1.3%。眾所周知傳統單晶高溫合金的設計思路是一代單晶高溫合金完全消除晶界強化元素(C和B元素)，二至四代單晶高溫合金中加入微量晶界強化元素C和B ( —般不超過0.05 % )，而本合金是通過加入適量C元素來提高合金的高溫強度，同時C元素在合金熔煉過程中可以有效的凈化合金(脫氧)，對抗腐蝕性能也有益，并且改善單晶合金的鑄造工藝性。同時C元素的加入也可以降低TCP相的形成傾向。通過研究發現當本合金中C含量大于0.18%時合金的持久性能降低。合金的C含量為:0.1 0.18%時可以獲得較好的綜合性能。B元素可以強化單晶合金中不可避免的小角度晶界，B的含量確定為:0.001 0.015%。本合金中還加入了微量的Hf元素，可以明顯地改善涂層與基體的相容性和粘結性而提高涂層壽命，同時對單晶合金的工藝性能和力學性能也有好處，Hf元素的含量確定為:0.01 0.1 %。Nb元素主要進入鎳基高溫合金的主要強化相(Y'相)中，提高Y'相的穩定性，并強化固溶體。此外，還能提高合金的焊接工藝性能。Nb元素的含量確定為:1.2 1.6%。稀土元素在合金熔煉過程中可以降低合金中的O、S、N、Sn等有害元素的含量，起到凈化合金的作用，同時稀土元素可以提高合金的組織穩定性，提高合金長期時效后的持久性能。并且由于稀土元素可以降低熔融合金的粘度，從而提高合金的鑄造工藝性能。但是稀土元素在熔煉過程中揮發比較嚴重，因此規定本合金的稀土加入量為=Ce 0.0005 0.025%，Y 0.0005 0.025%，并且單晶合金稀土含量可以不做分析。本發明的有益技術效果為:1、本發明研制的單晶合金中不含有Ta，Re和Ru，只加入W和Mo，同時本合金通過加入適量的C和B元素來提高合金的高溫強度，極大的降低了合金的成本。2、本發明合金使用溫度在1100°C以下，并可以不經熱處理鑄態直接使用，進一步節約成本的同時，可以完全避免單晶合金在熱處 理過程中出現再結晶的危險。3、本發明合金具有良好的組織穩定性和單晶鑄造工藝性能，其性能與目前國內一代單晶高溫合金相當。
圖1為本發明實施例1單晶試棒組織圖；其中，(a)為LMC法制備的合金鑄態組織；(b)為HRS法制備的合金鑄態組織；(c)為LMC法制備的合金熱處理態組織；(d)為LMC法制備的合金熱處理態組織。圖2為本發明實施例5鑄態合金與國內一代單晶高溫合金DD3、DD402、DD4的持久性能比較。圖3為本發明實施例8鑄態合金900°C長期時效后的組織。
具體實施例方式下面結合實施例和附圖對本發明進一步描述。實施例1本發明合金(N0.1合金)成分見表I，通過液態金屬冷卻(LMC)定向凝固工藝制備單晶試棒。其鑄態組織和熱處理態組織如圖1 (a、c和d)所示。通過高速凝固工藝(HRS)制備的單晶試棒鑄態組織如圖1(b)所示。表I單晶合金成分(wt% )
權利要求
1.一種低成本鎳基單晶高溫合金，其特征在于:按重量百分比計，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.根據權利要求1所述的鎳基單晶高溫合金，其特征在于:按重量百分比計，合金成分包括:C 0.1 0.18%,Cr 4.3 5.6%,Co 8 10%，W 11.2 12.2%，Mo 1.1 1.2%,Nb1.2 1.6% ,Al 5.65 6.25% ,Ti 0.9 1.3%，Hf 0.04 0.1 %，B0.001 0.015%,Ce 0.0005 0.025 %, Y 0.0005 0.025%, Ni 余量。
3.—種如權利要求1或2所述的鎳基單晶高溫合金的制備方法，其特征在于:采用真空感應熔煉爐熔煉母合金，母合金再通過定向凝固設備重熔，利用螺旋選晶法或籽晶法定向凝固成單晶鑄件。
4.根據權利要求3所述的鎳基單晶高溫合金的制備方法，其特征在于:對單晶鑄件進行熱處理后使用。
全文摘要
本發明公開了一種低成本鎳基單晶高溫合金及其制備方法，按重量百分比計，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。該合金制備成本低，可在鑄態下直接使用，同時具有較高的蠕變強度、抗疲勞性能和良好的組織穩定性，并具有良好的單晶鑄造性能、焊接性能和涂層性能。
文檔編號C22C19/05GK103173865SQ20111044068
公開日2013年6月26日 申請日期2011年12月23日 優先權日2011年12月23日
發明者申健, 張健, 樓狼洪, 張少華 申請人:中國科學院金屬研究所