专利名称：一种低成本第三代镍基单晶高温合金的制作方法
技术领域：
本发明属于镍基单晶高温合金领域，具体为一种低成本第三代镍基单晶高温合金，主要适用于在高温下承受高应力的零部件，如航空发动机的涡轮叶片。
背景技术：
在单晶高温合金发展的过程中，由于对使用温度的要求越来越高，合金中W、Mo、Ta、Re等难熔元素含量逐渐增加，特别是Re元素在合金中起重要的强化作用，加入3wt.％的Re能使合金的使用温度提高大约30℃。典型的第一代单晶高温合金CMSX-2、第二代单晶高温合金CMSX-4和第三代单晶高温合金CMSX-10中的难熔元素总含量分别为14.6wt.％、16.1wt.％和19.4wt.％，而Re含量分别为0％、3％和6％。第三代单晶高温合金是目前已经使用的高温性能最高的高温合金。但Re元素的大量加入，在提高性能的同时也带来了如下缺点成本高、密度大、易析出TCP相等。Re在地壳中的丰度非常低，＜0.001g/t，我国的储量更为稀少，因此在获得高的高温性能的前提下，减少合金中Re的用量十分重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低成本第三代单晶高温合金，在获得与第三代单晶高温合金CMSX-10相当的持久性能的同时，减少Re的加入量约1/3，显著降低合金成本。
本发明的技术方案是根据本发明的目的，同时考虑到各合金元素的作用，将Re的含量降至3～5wt.％，同时适当提高W和Ta的含量。其具体的化学成分(wt.％)如下Cr2～4％，Co11～13％，W5～7％，Mo0.5～2％，Re3～5％，Al5～7％，Ta6～10％，Hf0.05～0.2％，其余为Ni。
本发明合金(合金牌号取名为DD90)的化学成分设计主要基于如下理由
Re是镍基高温合金中的重要强化元素，它降低体扩散系数，减缓由扩散控制的过程，因而降低了γ′强化相的长大速度，也减慢了控制蠕变机制的扩散速度。Re偏聚于γ基体中，形成原子团簇，阻碍位错运动，能获得比传统的固溶效应更明显的强化效果，在高性能单晶高温合金中加入一定量的Re是必要的，可以显著提高合金的高温性能，但考虑到Re资源匮乏，价格昂贵，将Re的加入量控制在4wt.％左右。
W是镍基高温合金中的强固溶强化元素，同时也大量固溶于γ′强化相。在Re含量相对较低的情况下，要充分发挥W的强化作用。但W和Re加入过量会导致γ相过饱和，使显微组织不稳定，易形成σ相、μ相、P相等TCP脆性相，降低合金性能。W和Re过量加入还会影响合金的铸造性能，在单晶生长中出现“雀斑”(链状等轴晶粒)等缺陷。因此控制W的含量在5～7wt.％。
Mo是固溶强化元素，并能增加γ/γ′的错配度，使错配位错网密集，能有效地阻碍位错运动，提高合金性能；但Mo对合金的热腐蚀性能有不利影响，不宜添加过多，因此控制Mo的含量在1～2wt.％。
Al是在镍基高温合金中形γ′强化相Ni3Al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，因此将合金中的Al含量控制在5～7wt.％。
Ta通过固溶强化和提高γ′相强度来提高合金的高温强度，同时能有效地促进合金的抗氧化、抗热腐蚀性能和铝涂层的持久性，并且不引起TCP相的形成，因此在合金中加入6～10wt.％的Ta。
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添加Re、W、Mo等难熔金属元素多，加入大量的Cr会使合金的组织稳定性降低，因此将Cr的含量控制在2～4wt％，以获得良好的综合性能。
Co能稳定镍基高温合金的基体，在合金中加入11～13wt.％的Co，提高了合金的组织稳定性，并且能够在相对较低的固溶处理温度下获得均匀的组织，使其他合金元素充分发挥强化作用。
为改善合金的铸造性能，在合金中还加入了少量的Hf。
本发明采用真空感应炉熔炼，先浇铸成化学成分符合要求的母合金，然后再生长成单晶零部件，使用前须经过如下工艺制度进行热处理
(1)温度1295-1300℃，时间8-16h，空冷至室温；(2)温度1303-1305℃，时间12-16h，空冷至室温；(3)温度1308-1310℃，时间8-16h，空冷至室温；(4)温度1312-1317℃，时间20-28h，空冷至室温；(5)温度1150-1180℃，时间4-6h，空冷至室温；(6)温度850-870℃，时间20-24h，空冷至室温。
本发明的优点及有益效果是(1)与现有其他镍基单晶高温合金相比，本发明合金具有很高的中、高温强度、优异的耐热腐蚀性能，可在高温高应力环境下使用。
(2)本发明合金在700℃时瞬时拉伸性能σb＞1000MPa，δ5≥15％；持久性能982℃/248MPa下持久寿命＞470h；1038℃/172MPa下持久寿命＞280h；1100℃/150MPa下持久寿命＞90h。
(3)本发明合金具有优异的持久性能，持久性能与第三代单晶高温合金CMSX-10相当。与第三代单晶高温合金CMSX-10相比，本发明合金中贵重元素Re含量较低，因而成本相对较低。
具体实施例方式
下面通过实施例对本发明做进一步详细说明。
本发明采用真空感应炉熔炼，先浇铸成化学成分符合要求的母合金，然后再生长成单晶零部件，使用前须经过如下工艺制度进行热处理1300℃/8h，A.C.(空冷至室温)+1305℃/15h，A.C.(空冷至室温)+1310℃/8h，A.C.(空冷至室温)+1315℃/24h，A.C.(空冷至室温)+1180℃/4h，A.C.(空冷至室温)+870℃/24h，A.C.(空冷至室温)。
根据化学成分范围，制备了本发明合金的单晶试样，具体化学成分见表1，为了对比方便，表1中也列出了CMSX-10系列中CMSX-12C的化学成分。单晶试样经过热处理和机加工后分别进行持久性能、瞬时力学性能和抗熔盐热腐蚀性能实验，所得结果分别列入表2、表4、表5。为了对比，将本发明合金和CMSX-10系列中含6wt.％Re的CMSX-12C的982℃/248MPa持久性能数据列于表3。
表1本发明实施例与对比合金CMSX-12C的化学成分(wt％)
表2本发明实施例1的持久性能
表3本发明实施例1与对比合金CMSX-12C的982℃/248MPa持久性能
表4本发明合金实施例1的拉伸性能
表5本发明合金实施例1的抗热腐蚀性能(熔盐重量成分75％Na2SO4+25％K2SO4)
权利要求
1.一种低成本第三代单晶高温合金，其特征在于，按重量百分比计，其化学成分为Cr 2～4％，Co 11～13％，W 5～7％，Mo 0.5～2％，Re 3～5％，Al 5～7％，Ta 6～10％，Hf0.05～0.2％，其余为Ni。
2.按照权利要求1所述的低成本第三代单晶高温合金，其特征在于，按重量百分比计，其较佳的化学成分为Cr 3％，Co 12％，W 6％，Mo 1％，Re 4％，Al6％，Ta 8％，Hf0.1％，其余为Ni。
3.按照权利要求1所述的低成本第三代单晶高温合金，其特征在于合金的热处理工艺具体步骤如下(1)温度1295-1300℃，时间8-16h，空冷至室温；(2)温度1303-1305℃，时间12-16h，空冷至室温；(3)温度1308-1310℃，时间8-16h，空冷至室温；(4)温度1312-1317℃，时间20-28h，空冷至室温；(5)温度1150-1180℃，时间4-6h，空冷至室温；(6)温度850-870℃，时间20-24h，空冷至室温。
全文摘要
本发明属于镍基单晶高温合金领域，具体为一种低成本第三代镍基单晶高温合金，主要适用于在高温下承受高应力的零部件，如航空发动机的涡轮叶片。合金化学成分(wt.％)为Cr2～4％，Co11～13％，W5～7％，Mo0.5～2％，Re3～5％，Al5～7％，Ta6～10％，Hf0.05～0.2％，其余为Ni。本发明采用真空感应炉熔炼，先浇铸成化学成分符合要求的母合金，然后再生长成单晶零部件，使用前须经过如下工艺制度进行热处理1300℃/8h，A.C.+1305℃/15h，A.C.+1310℃/8h，A.C.+1315℃/24h，A.C.+1180℃/4h，A.C.+870℃/24h，A.C.。本发明合金具有优异的持久性能及良好的抗热腐蚀性能，持久性能与第三代单晶高温合金CMSX－10相当，而含Re较少，成本较低。
文档编号C22F1/10GK1966750SQ20051004775
公开日2007年5月23日 申请日期2005年11月18日 优先权日2005年11月18日
发明者金涛, 王文珍, 赵乃仁, 王志辉, 刘金来, 侯桂臣, 孙晓峰, 管恒荣, 胡壮麒 申请人:中国科学院金属研究所