一種鉑族元素強化的高熱穩定性高強度鎳基單晶高溫合金的制作方法

本發明涉及鎳基單晶高溫合金
技術領域：
，具體涉及一種鉑族元素強化的高熱穩定性高強度鎳基單晶高溫合金，該合金適用于制造航空、航天、能源等領域的熱端高溫部件。
背景技術：
：隨著航空、航天、能源等工業領域的發展，對高溫合金承溫能力的要求也在不斷提高，鑄造鎳基高溫合金先后經歷了鑄造等軸晶、定向柱狀晶和單晶等幾個發展階段。鎳基單晶高溫合金是伴隨著定向凝固工藝的應用而逐漸發展起來的。鎳基單晶合金自問世以來，以其較高的承溫能力，優越的抗蠕變性能以及良好的抗氧化抗腐蝕性能，成為先進航空發動機和工業燃氣輪機熱端部件的首選材料。至今鎳基單晶高溫合金也已經發展了五代合金。隨著單晶高溫合金代次的不斷提高，其W、Mo、Re、Cr等難熔元素總量逐漸增加，其高溫強度逐步獲得提高。但是隨著Re、W、Mo等難熔元素總量的提高，合金中析出TCP相的傾向顯著增強，TCP相可以成為裂紋萌生位置，同時也降低了合金強化效果，導致合金力學性能尤其是蠕變性能顯著下降。因此，獲得高熱穩定性高強度鎳基單晶高溫合金是未來發展趨勢。技術實現要素：為了解決現在技術中鎳基單晶高溫合金高溫組織穩定性差、強度低等問題，本發明的目的在于提供一種鉑族元素強化的高熱穩定性高強度鎳基單晶高溫合金，基于Ru、Ir等鉑族元素對TCP相形成的抑制作用，結合Re、W、Mo、Cr等元素對TCP相形成的促進作用，綜合各元素協調耦合作用，獲得高熱穩定性高強度鎳基單晶高溫合金，該合金適于制造航空、航天、能源等領域的熱端高溫部件。為實現上述目的，本發明所采用的技術方案如下：一種鉑族元素強化的高熱穩定性高強度鎳基單晶高溫合金，按重量百分含量計，該合金化學成分如下：Cr2～6％，Co7～14％，Mo1～3％，W4.5～6.5％，Al4.7～6.7％，Ta5～9％，Re5.4～7％，Ru2～5％，Ir1～3％，Hf0-0.2％，Y0-0.2％，其余為Ni。按重量百分含量計，該合金優選化學成分如下：Cr2.5～5.5％，Co8～12％，Mo1.5～3％，W5～6％，Al5～6.5％，Ta5～8.5％，Re5～7％，Ru2～5％，Ir1～3％，Hf0-0.2％，Y0-0.2％，其余為Ni。所述鎳基單晶高溫合金中，Ru與Ir的總含量≥4wt.％。本發明上述鎳基單晶高溫合金中，雜質的成分滿足以下要求：O≤0.003wt.％，N≤0.002wt.％，S≤0.003wt.％，P≤0.002wt.％，Si≤0.2wt.％，Pb≤0.0003wt.％，Bi≤0.00005wt.％。本發明中合金(DD495)化學成分設計主要依據如下：Ru是一種鉑族元素，原子半徑比Ni大7％左右，Ru固溶到Ni中能起到較強的固溶強化作用，另外，報道稱Ru能降低合金元素微觀偏析，顯著降低合金中TCP相形成傾向，提高鎳基單晶高溫合金的組織穩定性，第四代單晶高溫合金中加入了Ru元素，顯著提高了合金的高溫強度，因此Ru也成為先進單晶高溫合金的代表性元素之一。Ir也是一種鉑族元素，Ir具有面心立方結構，Ni和Ir能夠無限互溶，在γ/γ′兩相系統中Ir具有理想的分配系數，在兩相之間一般等分配。Ir作為一種強化元素添加到鎳基單晶高溫合金中的研究不多，申請者前期工作表明Ir能抑制TCP相的形成，起到穩定合金組織的作用。最近，申請者發現在更高代次單晶合金中，Ru和Ir的協同作用對TCP相的抑制較單獨Ir、Ru元素作用顯著，同時，在Ru和Ir共同作用下，單晶高溫合金的高溫組織穩定性得到顯著提高。但Ru、Ir是鉑族元素，價格相對較高，因此為了控制合金成本，Ru元素的含量應控制在3～5％，Ir元素含量應控制在1～3％。為了獲得更高的使用溫度，必須提高鎳基的單晶高溫合金的高溫強度。Re、W、Mo、Cr等元素可以固溶于鎳基單晶合金中，一方面抑制合金元素擴散，另一方面可以通過固溶強化作用提高合金強度，抑制合金高溫蠕變變形。因此，隨著鎳基單晶高溫合金的不斷發展，上述難熔元素的總含量也在不斷增加。然而，難熔元素的增加也帶來高溫組織不穩定的問題，尤其是高溫長期時效過程中合金容易析出TCP相，TCP相富含Re、W、Mo、Cr等難熔元素，降低了合金內難熔元素含量，減弱了強化效果，同時，TCP相也可以成為裂紋萌生的位置，造成合金失效。為了獲得較高的高溫強度，本發明合金設計時綜合考慮了上述強化元素的作用，因此Re含量應控制在5.4～7％，Cr的含量應控制在2～6％，W和Mo控制在4.5～6.5％和1～3％。Al、Ta等是合金中的強化相γ′的主要形成元素。γ′相是高溫合金重要的強化相，獲得一定體積分數的γ′相是合金優異高溫強度的關鍵，因此，Al、Ta等元素的含量應分別控制在4.7～6.7％和5～9％。Co元素可以降低其他合金元素的偏析，起到抑制TCP相形成的作用，因此合金中Co含量應控制在7～14％。Hf、Y的加入可以提高合金鑄造工藝性能和抗氧化性能，但過高的Hf、Y含量可能會導致合金初熔溫度降低，熱處理窗口變窄，因此Hf、Y的含量應控制在0-0.2％和0-0.02％。本發明所述鎳基單晶高溫合金利用純Ni、Co、Cr、W、Mo、Ta、Al、Re、Ru、Ir等元素在真空感應熔煉爐中熔煉，澆注成化學成分符合要求的母合金，采用定向凝固設備重熔母合金，采用螺旋選晶法或籽晶法定向凝固成單晶棒。使用前需經過熱處理，可采用真空或普通馬弗爐進行熱處理。在工業用定向凝固爐上進行制備單晶合金，定向爐的溫度梯度范圍在40℃/cm～80℃/cm之間，澆注溫度為1480～1550℃，模殼溫度與澆注溫度保持一致，在生長速率為3～8mm/min范圍內，制備單晶試棒。本發明單晶合金DD495的熱處理制度如下：(1)固溶處理，在1310～1320℃保溫6～10小時；隨后升溫至1320-1345℃保溫8～16小時，然后空冷至室溫；(2)高溫時效處理，在1100～1160℃保溫2～6小時，隨后空冷至室溫；(3)低溫時效處理，在850～900℃保溫16～26小時，隨后空冷至室溫。本發明的有益效果如下：(1)本發明基于鉑族元素與難熔強化元素在高溫組織穩定性和高溫強度間協同耦合作用機理，發展了一種高熱穩定性、高強度鎳基單晶高溫合金，其高溫力學性能超過典型四代單晶高溫合金水平。(2)與現有的其它鎳基單晶高溫合金相比，本發明合金具有持久性能比典型第四代單晶合金強度高；(3)本發明合金在1100℃長期時效500h后無TCP相析出，時效1000h后有極少量TCP相析出；(4)本發明合金在1150℃/137MPa條件下蠕變壽命超過100h；(5)本發明合金在1000℃達抗氧化級。附圖說明圖1是本發明實施例5合金鑄造態組織；圖2是本發明實施例5合金熱處理后組織；圖3是實施例1合金1100℃/180MPa蠕變變形曲線；圖4是實施例2在1100℃/180MPa蠕變變形曲線；圖5是實施例5合金在1150℃/137MPa蠕變變形曲線；圖6是本發明合金與典型第四代單晶高溫合金的熱強曲線對比；圖7是本發明合金1000℃高溫氧化增重曲線；圖8是本發明合金在1100℃長期時效200h后微觀組織；圖9是本發明合金在1100℃長期時效500h后微觀組織；圖10是本發明合金在1100℃長期時效1000h后微觀組織。圖11是對比例1不含Ru和Ir的單晶合金1100℃長期時效200h后析出TCP相。圖12是對比例1不含Ru和Ir的單晶合金1100℃長期時效500h后析出TCP相。圖13是對比例1不含Ru和Ir單晶合金1100℃長期時效1000h后析出TCP相。圖14是對比例2含Ir不含Ru單晶合金1100℃長期時效200h后析出TCP相。圖15是對比例2含Ir不含Ru單晶合金1100℃長期時效500h后析出TCP相。圖16是對比例2含Ir不含Ru單晶合金1100℃長期時效1000h后析出TCP相。圖17是對比例3含Ru不含Ir單晶合金1100℃長期時效200h后析出TCP相。圖18是對比例3含Ru不含Ir單晶合金1100℃長期時效500h后析出TCP相。圖19是對比例3含Ru不含Ir單晶合金1100℃長期時效1000h后析出TCP相。具體實施方法以下實施例將對本發明予以進一步說明，并不因此而限制本發明。以下各實施例及對比例合金的具體制備方法要求：采用真空感應熔煉爐熔煉原材料，先澆注成化學成分符合要求的母合金，再采用定向凝固爐制備出單晶棒，使用前需進行熱處理。在工業用定向凝固爐上進行制備單晶合金，定向爐的溫度梯度范圍在40℃/cm～80℃/cm之間，澆注溫度為1480～1550℃，模殼溫度與澆注溫度保持一致，在生長速率為3～8mm/min范圍內，制備單晶試棒。本發明單晶合金DD495的熱處理制度如下：(1)固溶處理，在1310～1320℃保溫6～10小時；隨后升溫至1320-1345℃保溫8～16小時，然后空冷至室溫；(2)高溫時效處理，在1100～1160℃保溫2～6小時，隨后空冷至室溫；(3)低溫時效處理，在850～900℃保溫16～26小時，隨后空冷至室溫。實施例1-6：本發明實施例1-6鎳基單晶高溫合金的化學成分參見表1。表1本發明合金(實施例1-6)的化學成分組成列表(wt.％)實施例1實施例2實施例3實施例4實施例5實施例6Cr5.55.55553.5Co1010101099Mo1.51.51.51.522.2W66665.55.6Al66665.66Ta8.58.58.58.58.57Re5.55.55.55.566Ru2.52.53344.5Ir1.531.5333Hf0.10.10.10.10.10.1Y0.020.020.020.020.020.02Ni余量余量余量余量余量余量對以上實施例中合金進行性能測試，結果如下：1、實施例2合金的密度測量值為9.1g/cm3。2、實施例5合金經過熱處理和機械加工后進行持久性能測試，結果見表2。表2實施例5合金持久性能3、本發明實施例1合金經過熱處理和機械加工進行拉伸試驗性能測試，結果如表3所示。表3實施例1合金拉伸性能4、本發明實施例5合金鑄造態和經過熱處理后的微觀組織如圖1和圖2所示。5、實施例1合金1100℃/180MPa蠕變變形曲線如圖3，實施例2在1100℃/180MPa蠕變變形曲線如圖4，Ir元素含量的增加使得合金的蠕變壽命增加；實施例5合金在1150℃/137MPa蠕變變形曲線如圖5，Ir和Ru元素協調作用導致合金高溫蠕變壽命獲得提高。6、本發明實施例5合金與典型第四代單晶高溫合金的熱強曲線對比如圖6，本發明合金強度明顯高于典型第四代單晶高溫合金；本發明實施例5合金1000℃高溫氧化增重曲線如圖7；本發明實施例5合金在1100℃長期時效200h后微觀組織如圖8，未見有害TCP相析出；本發明實施例5合金在1100℃長期時效500h后微觀組織如圖9，未見有害TCP相析出；本發明實施例5合金在1100℃長期時效1000h后微觀組織如圖10，僅有極少量顆粒狀TCP相析出。對比例1：本例合金成分中不含鉑族元素Ru和Ir元素，具體合金成分如下(wt.％)：Cr5.5％，Co10％，Mo1.5％，W6％，Al6％，Ta8.5％，Re5.5％，Hf0.1％，Y0.02％，其余為Ni。本例無Ru和Ir元素的鎳基單晶高溫合金在1100℃時效200h、500h、1000h后觀察到TCP相，分別如圖11、圖12、圖13所示。對比例2：本例合金成分中含有鉑族元素Ir，但不含Ru元素，具體合金成分如下(wt.％)：Cr5.5％，Co10％，Mo1.5％，W6％，Al6％，Ta8.5％，Re5.5％，Ir3％，Hf0.1％，Y0.02％，其余為Ni。本例含Ir不含Ru元素鎳基單晶高溫合金1100℃時效200h后有TCP相形成，如圖14。該合金1100℃長期時效500h后，以及1100℃時效1000h后均有TCP相形成，如圖15-16。對比例3：本例合金成分中含有鉑族元素Ru，但不含Ir元素，具體合金成分如下(wt.％)：Cr5.5％，Co10％，Mo1.5％，W6％，Al6％，Ta8.5％，Re5.5％，Ru3％，Hf0.1％，Y0.02％，其余為Ni。本例含Ru不含Ir元素鎳基單晶高溫合金1100℃時效200h后有TCP相形成，如圖17所示。該合金1100℃長期時效500h后，以及1100℃時效1000h后均有TCP相形成，如圖18-19。當前第1頁1 2 3