一种无铼低密度高性能镍基单晶高温合金及其热处理工艺

摘要

本发明公开了一种无铼低密度高性能镍基单晶高温合金及其热处理工艺，属于镍基单晶高温合金领域。该合金化学成分(wt.％)：Cr：6.0～8.0％，Co：8.0～10.0％，W：6.0～9.0％，Mo：1.0～3.0％，Nb：0～2％，Al：3.0～6.0％，Ti：1.0～3.0％，Ta：1.0～5.0％，C：0.02～0.06％，B：0.001～0.003％，Ce：0～0.02％，Y：0～0.01％，其余为Ni。该合金具有优异的低温、中温和高温强度和抗氧化性能，持久和低周疲劳性能与含3wt.％Re的第二代单晶高温合金CMSX-4相当，不含贵重元素Re，合金成本降低70％以上，合金密度降低3％左右。

说明书

技术领域

本发明涉及镍基单晶高温合金领域，具体为一种无铼低密度高性能镍基 单晶高温合金及其热处理工艺，该合金主要适用于高温下(1000-1100℃) 承受高应力的零部件，如航空发动机的涡轮叶片，导向叶片等。

背景技术

高推重比发动机的研制对热端部件的承温能力不断提出更高的要求。 第一代单晶高温合金比定向柱晶高温合金的使用温度提高25～30℃；第二代 单晶高温合金(CMSX-4，ReneN5等)由于添加了3wt.％左右的贵金属元 素铼(Re)，比第一代单晶高温合金使用温度又提高了30℃；第三代单晶高 温合金中Re含量在6wt.％左右，可使耐温能力再提高30℃，达到1150℃ 左右。但是，合金承温能力提高的同时，其成本和密度也在显著提高，而 且含Re合金组织稳定性较差，容易析出有害的TCP相。我国Re资源非常 有限，一旦含Re合金大量使用，很快会造成Re的价格上涨，供应紧张， 资源枯竭。因此在获得优异的高温性能的前提下，尽量避免使用Re元素是 十分必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无铼低密度高性能镍基单晶高温合金及其 热处理工艺，通过优化W，Mo，Nb，Ta等难熔金属元素含量来综合强化 合金，使该镍基单晶高温合金具有优异的低、中和高温强度和抗氧化性能， 组织稳定性好。其持久和低周疲劳性能与含3wt.％Re的第二代单晶高温合 金CMSX-4相当，但不含贵重元素Re，降低了合金成本及密度。

本发明的技术方案是：

一种无铼低密度高性能镍基单晶高温合金(DD455)，其化学成分(wt.％) 如下：

Cr：6.0～8.0％，Co：8.0～10.0％，W：6.0～9.0％，Mo：1.0～3.0％，Nb： 0～2％，Al：3.0～6.0％，Ti：1.0～3.0％，Ta：1.0～5.0％，C：0.02～0.06％，B： 0.001～0.003％，Ce：0～0.02％，Y：0～0.01％，其余为Ni。

优选的合金成分为(wt.％)：Cr：6.0～8.0％，Co：8.0～10.0％，W：7.0～8.5％， Mo：1.0～2.0％，Nb：1.0～2.0％，Al：3.0～6.0％，Ti：1.0～3.0％，Ta：3.0～5.0％， C：0.03～0.05％，B：0.001～0.003％，Ce：0～0.02％，Y：0～0.01％，其余为 Ni。

本发明合金DD455化学成分设计主要基于如下理由：

Cr是提高合金抗热腐蚀性能的关键元素，在合金中必须添加适量的Cr， 但由于高强度合金中W、Mo等难熔金属元素高，大量加入Cr会降低合金 的组织稳定性。本合金相对于典型二代单晶高温合金而言，由于去除了Re 元素，因此适当提高了Cr含量，其控制在6.0～8.0wt.％。

Co对TCP相有抑制作用，但过高的Co含量会降低固溶温度，导致合 金高温性能降低，为保证合金的高温性能，Co含量控制在8.0～10.0wt.％。

W是镍基高温合金的主要固溶强化元素，尤其在高温下的强化效果显 著。W同时也大量固溶于γ’强化相，提高γ’相的热稳定性。在不添加Re 元素的情况下，要充分发挥W的强化效果。但过量的W会导致组织不稳定， 易形成TCP相，降低合金性能。因此控制W的含量在6.0～9.0wt.％。

Mo也是固溶强化元素，并能增加γ/γ’的错配度，使位错网密集，有效 的阻碍位错运动，提高合金高温性能。Mo和W分别富集于枝晶间和枝晶 干，同时加入有利于合金的综合强化。但过量的Mo也会导致有害相的析出， 对合金的热腐蚀性能也有不利影响，因此控制Mo的含量在1.0～3.0wt.％。

Nb也是常见的固溶强化元素之一。Nb原子半径比W和Mo更大，因此 固溶强化作用比W和Mo更明显。但对于γ’相强化的镍基单晶高温合金， Nb主要溶解于γ’相。由于Nb明显降低γ基体的堆垛层错能，所以明显降 低蠕变速率，提高蠕变性能。同时，Nb还参与硼化物形成，Nb含量过高 还会引起Laves相的析出，因此在合金中加入0～2wt.％的Nb。

Ta主要通过增加γ’相数量、提高γ’相强度和热稳定性来提高合金的高温 强度，同时也有固溶强化作用。Ta对合金的抗氧化、抗热腐蚀性能也有有 益作用，并且不引起TCP相的形成。但是Ta的密度比较大，因此在合金中 加入1.0～5.0wt.％的Ta。

Al是在镍基高温合金中形成γ’相的基本元素，它的含量对合金高温性能 起着重要作用，同时Al的含量对合金的抗氧化性能也至关重要，因此合金 中必须加入一定量的Al，但过量的Al会降低合金的组织稳定性，导致有害 相析出，因此将合金中Al的含量控制在3.0～6.0wt.％。

Ti也是形成γ’的基本元素，合金中加入Ti后，γ’相由Ni₃Al变为Ni₃(Al， Ti)。Ti对合金的抗热腐蚀性能也有有益作用，因此合金中的Ti控制在 1.0～3.0wt.％。

C和B是高温合金中应用最广泛的微合金化元素，加C是为了净化合金 液(脱氧)，对抗腐蚀性能也有益，并且可以减少出现再结晶的几率，以及 降低热裂倾向；加B是为了强化单晶合金中不可避免的小角度晶界，但是 C和B的加入会降低合金的初熔温度，而且过多量的C和B的加入在合金 中会形成尺寸较大的碳化物及硼化物，这些对合金的蠕变及低周疲劳性能 有不利的影响。因此，合金中的C含量控制在0.02～0.06wt.％，B含量控制 在0.001～0.003wt.％。

Ce和Y稀土元素加入到合金中，主要有以下三种有益作用。作为净化 剂有脱氧和脱硫的作用；作为微合金化元素偏聚与小角晶界和亚晶界，起 强化作用；作为活性元素改善合金的抗氧化性能。因此合金中加入了少量 的稀土元素。

上述各元素的合理配比以及合理的热处理制度是使本发明合金获得良 好综合性能的保证。

本发明采用真空感应炉熔炼化学成分符合要求的母合金，然后利用液态 金属冷却(LMC)或高速凝固法(HRS)定向凝固工艺制备单晶部件，使 用前须经过如下工艺热处理：

(1)温度1275-1285℃，时间6-10h，空冷至室温；

(2)温度1080-1110℃，时间4-6h，空冷至室温；

(3)温度840-870℃，时间20-30h，空冷至室温。

本发明的优点及有益效果说明如下：

1、与现有其他镍基单晶高温合金相比，本发明合金具有优异的持久、 低周疲劳性能和抗高温氧化性能，760℃/850MPa下持久寿命高达126h； 982℃/248MPa下持久寿命高达156h；1070℃/160MPa下持久寿命达95h； 1100℃/130MPa下持久寿命达114h。950℃，应变比为R＝-1，应变幅为± 0.5％时低周疲劳寿命达19488周次；应变幅为±0.6％时低周疲劳寿命达 5664周次；应变幅为±0.7％时低周疲劳寿命达2046周次。可在高温高应力 条件下使用。

2、本发明合金的持久、低周疲劳性能与含3wt.％Re的第二代单晶高温 合金CMSX-4相当，但由于不含贵重金属元素Re，合金成本降低70％以上。

3、本发明合金密度为8.28～8.53g/cm³，与含3wt.％Re的第二代单晶高 温合金CMSX-4(8.70g/cm³)和ReneN5(8.70g/cm³)相比，明显降低。

附图说明

图1为实施例1HRS工艺制备的合金铸态组织。

图2为实施例1HRS工艺制备的合金热处理态组织。

图3为实施例1HRS工艺制备的合金热处理态组织。

图4为实施例2LMC工艺制备的合金铸态组织。

图5为本发明合金与CMSX-4和ReneN5合金的Larson-Miller曲线比 较图。

图6为本发明合金与CMSX-4合金的低周疲劳σ-N曲线比较图。

图7为本发明合金900℃时效3000小时后显微组织。

图8为本发明合金1100℃时效1000小时后显微组织。

图9为1100℃本发明合金与PWA1484合金的恒温氧化增重曲线对比 图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细的说明：

本发明实施例1-9合金成分具体见表1。各实施例首先采用真空感应炉 熔炼化学成分符合要求的母合金，母合金精炼温度为1500±10℃，精炼时间 为20分钟，浇注温度为1450±10℃。为了方便对比，表1中也列出了典型 第二代镍基单晶高温合金CMSX-4、ReneN5的化学成分，表1中Ni含量 一栏的“余”含义为“余量”。

然后利用液态金属冷却(LMC)定向凝固工艺和高速凝固工艺(HRS) 制备单晶部件，其中：液态金属冷却(LMC)定向凝固工艺为保温炉温度 为1500±10℃，拉速为8±2mm/min；高速凝固工艺(HRS)为保温炉温度 为1540±10℃，拉速为5±2mm/min。合金铸态和热处理态典型显微组织见 图1-4。实施例1、7所述镍基单晶高温合金的密度数据参见表2，实施例 1-9中所述镍基单晶高温合金的密度明显低于CMSX-4、ReneN5。

单晶部件使用前经过如下工艺制度进行热处理：(1)1280℃，8h，A.C.； (2)1110℃，4h，A.C.；(3)850℃，24h，A.C.。

根据化学成分范围，制备了本发明合金的单晶试样，试样经过热处理 和机加工后进行持久和低周疲劳性能测试的结果见表3～8。本发明合金和 CMSX-4和ReneN5合金在几种条件下的持久Larson-Miller曲线见图5，低 周疲劳σ-N曲线见图6。可以看出，本合金不含Re，但持久和低周疲劳性 能与含Re的CMSX-4和ReneN5合金相当。本发明合金的组织稳定性好， 在900℃长期时效3000h，以及1100℃长期时效1000h，未出现有害的TCP 相析出，见图7和图8。本发明合金的恒温氧化实验结果列于图9，在1100℃ 以下合金为完全抗氧化级。

表1本发明实施例的合金成分(wt.％)

表2实施例1、7合金的密度列表

合金 密度(g/cm³) 实施例1 8.52 实施例7 8.28 CMSX-4 8.70 Rene N5 8.70

表3实施例1合金的持久性能

温度/℃ 应力MPa 寿命/h 延伸率/％ 1100 130 114 8.5 1100 130 61 15.2 1070 160 74 12.1 1070 160 95 11.5 1070 160 69 10.0 1070 160 70 9.1 1070 160 70 21.5 1070 160 72 20.6 982 248 133 26.8 982 248 156 31.2 982 248 98 32.7 982 248 131 36.5 850 630 67 20.6 850 630 64 22.7 850 630 66 16.1 760 850 126 18.4

表4实施例1合金的低周疲劳性能

表5实施例4合金的持久性能

温度/℃ 应力MPa 寿命/h 延伸率/％ 1070 160 51 18 1070 160 70 22 1070 160 57 20 982 248 94 31 982 248 85 26 850 630 59 25

表6实施例5合金的持久性能

温度/℃ 应力MPa 寿命/h 延伸率/％ 1070 160 70 29 1070 160 73 24 982 248 98 33 982 248 131 37 850 630 67 21 850 630 64 23

表7实施例6合金的持久性能

温度/℃ 应力MPa 寿命/h 延伸率/％ 1100 130 70 19 1070 160 95 20 1070 160 57 24 982 248 100 29 982 248 121 26 982 248 133 27 850 630 100 27 850 630 89 27 760 850 100 17

表8实施例6合金的低周疲劳性能