一種高強抗熱腐蝕低偏析鎳基單晶高溫合金的制作方法

本發明屬于鎳基單晶高溫合金
技術領域：
，具體為一種第二代高強抗熱腐蝕低偏析鎳基單晶高溫合金，該合金主要適用于在高溫熱腐蝕條件下承受較大應力的熱端部件，如艦載機或者燃氣輪機的發動機工作葉片。
背景技術：
：伴隨著海洋環境下工作的艦載機、地面或者艦用燃氣輪機的不斷發展，其發動機材料的性能要求也在逐漸提高，不僅需要具有較高的力學性能，而且要求兼備良好的抗熱腐蝕性能。目前我國自主研制的抗熱腐蝕鎳基單晶高溫合金主要有dd8、dd10等，其強度屬于第一代鎳基單晶高溫合金的水平之列。然而隨著發動機和燃氣輪機進口溫度的不斷提高，對上述抗熱腐蝕鎳基單晶高溫合金的高溫強度產生了較大的沖擊和挑戰。國內目前達到第二代鎳基單晶高溫合金強度水平的抗熱腐蝕類合金相對較少。自20世紀60年代以后，高溫合金中的元素種類并未發生明顯的變化，多數是在原有合金成分上進行調整。其原因是隨著合金化程度的提高，合金的凝固偏析愈加嚴重，提高了tcp相的析出傾向性，降低了合金的組織穩定性，嚴重影響了合金的力學性能、環境性能及工藝性能等。因此，減少高溫合金的凝固偏析成為了推動高溫合金發展的關鍵之一。基于上述背景，迫切需要研制一種新型的高強抗熱腐蝕類鎳基單晶高 溫合金，在具備優良抗熱腐蝕性能的同時，其力學性能達到第二代鎳基單晶高溫合金的水平之列。技術實現要素：本發明的目的在于提供一種高強抗熱腐蝕低偏析鎳基單晶高溫合金。該合金不僅滿足艦載機或者燃氣輪機發動機渦輪葉片的強度設計要求，而且具備良好的抗熱腐蝕性能。本發明提供了一種高強抗熱腐蝕低偏析鎳基單晶高溫合金，其特征在于，所述合金成分組成與質量百分含量如下：co6.0～10.0％，cr7.0～14.0％，w3.0～6.0％，mo0.5～4.0％，al2.0～8.0％，ta3.0～7.5％，re0.5～3.0％，ti0～1.5％，hf0～0.5％，c0～0.5％，b0～0.4％，其余為ni。優選的配比為：co6.5～9.0％，cr8.0～13.5％，w3.5～5.5％，mo0.8～3.0％，al3.0～7.0％，ta4.0～7.0％，re1.0～2.5％，ti0～1.0％，hf0～0.3％，c0～0.3％，b0～0.2％，其余為ni。本發明提供的高強抗熱腐蝕低偏析鎳基單晶高溫合金中，雜質的成分和百分含量滿足如下要求：o≤10ppm，n≤10ppm，s≤10ppm，p≤10ppm。本發明合金取名為dd68，其化學成分設計主要基于如下理由：本發明所述合金含有較高的w、mo、ta、re等固溶強化元素，同時含有較高的抗熱腐蝕類元素cr。cr是決定合金抗熱腐蝕性能的關鍵元素，因此抗熱腐蝕類合金中必須含有較高的cr。然而，過高的cr會增加合金中tcp相的析出傾向性，降 低合金的組織穩定性。所以，本合金中cr的含量控制在7.0～14.0wt.％。re是目前鎳基單晶高溫合金中最有效的固溶強化類元素，為了降低合金的成本與密度，合金中的re含量控制在0.5～3.0wt.％。在此基礎上，通過增加w、mo、ta等固溶強化元素和γ′相形成元素al含量，以保證合金的高溫強度。co可以降低γ基體的堆垛層錯能，增加γ′相的含量，提高γ′相的溶解溫度，顯著提高合金的蠕變抗力。此外，對合金的組織穩定性也有改善效果。然而，過高的co會降低合金的初熔溫度，本發明將co含量控制在6.0～10.0wt.％。w和mo是鎳基單晶高溫合金中兩種重要的固溶強化元素，二者均可通過提高再結晶溫度和擴散激活能而顯著提高合金的熱強性。然而過量的w和mo會使合金中析出tcp相，降低合金的組織穩定性。此外，w和mo在高溫氧化環境下，極易形成揮發性氧化物，破壞合金表面氧化膜的致密性，在有na2so4的環境中，容易引發酸性熔融反應，嚴重影響合金的抗熱腐蝕性能，尤其是高mo類合金，常發生災難性的腐蝕。綜上所述，本合金中w、mo的含量分別控制為3.0～6.0wt.％和0.5～4.0％。al是鎳基單晶高溫合金中γ′相的基本組成元素，其含量對合金的高溫性能有重要影響，并且al在高溫下可以形成保護性的氧化膜，保障了合金的抗氧化性能。但過高的al含量會降低合金的組織穩定性，導致有害相的析出，因此該合金中的al含量控制在2.0～8.0wt.％。ta也是鎳基單晶高溫合金中γ′相的主要形成元素之一，具有抑制γ′相聚集長大的作用，因此可以提高合金的熱強性，并且可以改善合金的鑄造性 能，不降低合金的組織穩定性，因此合金中可以添加較高的ta含量。然而，過高的ta會使合金中的共晶含量升高，提高了熱處理的復雜度。因此，本合金中ta的添加量控制為3.0～7.5wt.％。ti原子可以替代γ′相中的al原子，形成ni3(al,ti)。在一定al含量條件下，ti可以通過降低al的溶解度促進γ′相的析出。此外，ti還可以改善合金的抗熱腐蝕性能，降低鑄造工藝性能和抗氧化性能。然而，較高的ti會導致單晶高溫合金中(γ+γ′)共晶難以溶解，降低合金的組織均勻性，增加熱處理的難度。結合上述各因素，本發明控制ti含量在0～1.5％。c、b是鎳基單晶高溫合金中兩個重要的枝晶間強化元素，作為間隙元素對枝晶間區域進行填充，通過減慢擴散速率降低枝晶間的開裂傾向，而且還可以形成碳化物和硼化物，強化單晶高溫合金中的大、小角晶界、亞晶界及枝晶間距。由于碳化物和硼化物的析出消耗了一定數量的tcp相形成元素，因此，具有穩定合金組織的作用。此外，c可以降低冶煉過程中合金液內氧化物夾雜的含量，提高合金的純凈度，進而改善合金的可鑄性。然而，過量的c、b加入會降低合金的初熔溫度，降低合金的力學性能，因此本合金對c、b的加入量分別控制在0～0.5wt.％和0～0.4wt.％。hf在鎳基單晶高溫合金中的作用主要是改善合金的工藝性能，降低合金的疏松傾向性，過多的hf會降低合金的初熔溫度，對合金性能不利，因此本合金中對hf添加量控制在0～0.5wt.％。上述各元素的合理配比是使本發明合金獲得優異綜合性能的基礎。本發明合金經真空感應爐熔煉，澆鑄成符合化學成分要求的母合金，然后通過定向凝固設備重熔、生長成單晶零部件。針對現有技術背景，本發明發展了一種高強抗熱腐蝕低偏析鎳基單晶高溫合金，該合金表現出了良好的綜合性能，能夠達到甚至超過目前第二代典型鎳基單晶高溫合金的力學性能水平，其抗熱腐蝕能力與國際上公認王牌合金in738合金相當。本發明的優點及有益效果說明如下：(1)與現有其他鎳基單晶高溫合金相比，本發明合金的特點是兼備優良的高溫力學性能和良好的抗熱腐蝕性能。力學性能達到甚至超過第二代鎳基單晶高溫合金的平均水平，1070℃/140mpa下持久壽命達170h；900℃下抗熱腐蝕性能與in738合金相當。可以在高溫、高應力、腐蝕環境下使用(如應用于海洋氣氛下工作的航空發動機高溫部件、地面或者艦用燃氣輪機高溫部件等)。(2)本發明合金在900℃、1000℃及1100℃下表現出良好的組織穩定性。附圖說明圖1為本發明鎳基單晶高溫合金鑄態低倍組織；圖2為本發明鎳基單晶高溫合金鑄態高倍組織；圖3為本發明鎳基單晶高溫合金熱處理態低倍組織；圖4為本發明鎳基單晶高溫合金熱處理態高倍組織；圖5為本發明鎳基單晶高溫合金與典型第二代鎳基單晶高溫合金cmsx-4、renen5合金持久性能的比較圖；圖6為所述鎳基單晶高溫合金900℃長期時效1000h后顯微組織之一；圖7為所述鎳基單晶高溫合金900℃長期時效1000h后顯微組織之二；圖8為所述鎳基單晶高溫合金1100℃長期時效1000h后顯微組織之一；圖9為所述鎳基單晶高溫合金1100℃長期時效1000h后顯微組織之二；圖10為所述鎳基單晶高溫合金與其它三種典型渦輪葉片材料用鎳基高溫合金經過5h熱腐蝕后外觀的比較圖；圖11為所述鎳基單晶高溫合金與其它三種典型渦輪葉片材料用鎳基高溫合金經過24h熱腐蝕后外觀的比較圖。具體實施方式下面通過實施例對本發明做進一步說明：本發明為了保證合金的抗熱腐蝕性能，加入較高的cr。為了提高合金承溫能力，加入適量的re和較高的w、ta，以提高合金的固溶強化效果。此外，盡量降低合金中的“微量元素”，以減少合金凝固過程中的偏析影響。本發明合金的具體制備方法：首先通過真空感應爐熔煉符合化學成分要求的母合金，然后在定向凝固爐上制備單晶試棒，使用前需要對其進行熱處理。實施例1-6：本發明鎳基單晶高溫合金試樣的化學成分見表1。為了便于對比，表1中列出了典型第二代鎳基單晶高溫合金cmsx-4和renen5合金的化學成分，表1中“余”表示剩余百分比，“—”表示無添加。表2為本發明實施例2合金的持久性能數據。圖1-4為本發明合金的鑄態組織和熱處理態組織。圖5為本發明實施例2合金與cmsx-4、renen5合金的持久性能比較圖。可以看出，本發明鎳基單晶高溫合金在高溫下表現出了良好的持久性能，與cmsx-4和renen5合金的持久性能水平相當。對所述鎳基單晶高溫合金在900℃和1100℃下分別進行了1000h長期 時效實驗。圖6和圖8分別為所述鎳基單晶高溫合金在900℃和1100℃下長期時效1000h后枝晶干處的γ′相形貌。可以看出，900℃下長期時效1000h后γ′相保持了較高的正方度。隨著溫度的升高，1100℃下長期時效1000h后的γ′相出現了明顯的筏化現象。圖7和圖9分別為所述鎳基單晶高溫合金在900℃和1100℃下長期時效1000h后的tcp相析出情況。結果表明，900℃下長期時效1000h后只出現極個別的tcp相，而1100℃下長期時效1000h后合金中未發現tcp相。綜上所述，本發明所述鎳基單晶高溫合金在900℃和1100℃下長期時效1000h過程中表現出了良好的組織穩定性。in738合金是目前高溫合金領域公認的抗熱腐蝕型鎳基高溫合金，該合金的高溫強度較低；dd6合金是我國自主研制的第二代鎳基單晶高溫合金，具有較高的承溫能力，但其抗熱腐蝕性能較差；dz125l是我國自主研制的一種高強度、低成本型定向凝固類鎳基高溫合金，該合金的抗熱腐蝕性能較差。目前，上述三種高溫合金均得到了廣泛的應用。圖10和圖11為本發明所述鎳基單晶高溫合金與上述三種典型渦輪葉片材料用鎳基高溫合金在900℃、75％na2so4+25％nacl鹽浴中分別熱腐蝕5h和24h后的宏觀形貌。可以看出，熱腐蝕5h后，in738和dd68合金表面仍具有一定的金屬光澤，表現出良好的抗熱腐蝕性能；dd6合金腐蝕現象較為明顯，無金屬光澤；dz125l合金腐蝕最為嚴重，腐蝕層顯著增厚。熱腐蝕24h后，in738和dd68合金為表現出明顯的腐蝕層增厚現象，dd6合金腐蝕層已有大片剝落，而dz125l合金因腐蝕嚴重而失去原有形狀。綜上所述，在本實驗條件下，dd68合金表現出了與in738合金相當的抗熱腐蝕性能，顯著優于dd6和dz125l合金的抗熱腐蝕性能。表1本發明合金(實施例1-6)的化學成分(wt.％)合金cocrwmoaltareticbhfni實施例18.311.44.81.15.65.21.8—0.010.0050.1余實施例28.511.25.21.15.44.92.2—0.0140.0080.1余實施例38.812.14.21.35.14.82.0—0.0120.0060.11余實施例46.88.54.22.83.86.41.5—0.0080.120.06余實施例57.213.23.81.56.86.22.40.30.0130.0070.18余實施例66.711.85.11.75.55.31.70.80.0120.0050.14余cmsx-49.06.560.65.66.53.00.1——0.1余renen57.57.05.01.56.26.53.0—0.050.040.15余本發明實施例2熱處理態合金試樣的持久性能見表2。表2本發明實施例2合金的持久性能溫度/℃應力/mpa持久壽命/t延伸率/％1070140145.318.641070140170.511.521070140113.025.70上述實施例只為說明本發明的技術構思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術的人士能夠了解本發明的內容并據以實施，并不能以此限制本發明的保護范圍。凡根據本發明精神實質所作的等效變化或修飾，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。當前第1頁12