一种铂族元素强化的高热稳定性高强度镍基单晶高温合金的制作方法

本发明涉及镍基单晶高温合金
技术领域：
，具体涉及一种铂族元素强化的高热稳定性高强度镍基单晶高温合金，该合金适用于制造航空、航天、能源等领域的热端高温部件。
背景技术：
：随着航空、航天、能源等工业领域的发展，对高温合金承温能力的要求也在不断提高，铸造镍基高温合金先后经历了铸造等轴晶、定向柱状晶和单晶等几个发展阶段。镍基单晶高温合金是伴随着定向凝固工艺的应用而逐渐发展起来的。镍基单晶合金自问世以来，以其较高的承温能力，优越的抗蠕变性能以及良好的抗氧化抗腐蚀性能，成为先进航空发动机和工业燃气轮机热端部件的首选材料。至今镍基单晶高温合金也已经发展了五代合金。随着单晶高温合金代次的不断提高，其W、Mo、Re、Cr等难熔元素总量逐渐增加，其高温强度逐步获得提高。但是随着Re、W、Mo等难熔元素总量的提高，合金中析出TCP相的倾向显著增强，TCP相可以成为裂纹萌生位置，同时也降低了合金强化效果，导致合金力学性能尤其是蠕变性能显著下降。因此，获得高热稳定性高强度镍基单晶高温合金是未来发展趋势。技术实现要素：为了解决现在技术中镍基单晶高温合金高温组织稳定性差、强度低等问题，本发明的目的在于提供一种铂族元素强化的高热稳定性高强度镍基单晶高温合金，基于Ru、Ir等铂族元素对TCP相形成的抑制作用，结合Re、W、Mo、Cr等元素对TCP相形成的促进作用，综合各元素协调耦合作用，获得高热稳定性高强度镍基单晶高温合金，该合金适于制造航空、航天、能源等领域的热端高温部件。为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种铂族元素强化的高热稳定性高强度镍基单晶高温合金，按重量百分含量计，该合金化学成分如下：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％，其余为Ni。按重量百分含量计，该合金优选化学成分如下：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％，其余为Ni。所述镍基单晶高温合金中，Ru与Ir的总含量≥4wt.％。本发明上述镍基单晶高温合金中，杂质的成分满足以下要求：O≤0.003wt.％，N≤0.002wt.％，S≤0.003wt.％，P≤0.002wt.％，Si≤0.2wt.％，Pb≤0.0003wt.％，Bi≤0.00005wt.％。本发明中合金(DD495)化学成分设计主要依据如下：Ru是一种铂族元素，原子半径比Ni大7％左右，Ru固溶到Ni中能起到较强的固溶强化作用，另外，报道称Ru能降低合金元素微观偏析，显著降低合金中TCP相形成倾向，提高镍基单晶高温合金的组织稳定性，第四代单晶高温合金中加入了Ru元素，显著提高了合金的高温强度，因此Ru也成为先进单晶高温合金的代表性元素之一。Ir也是一种铂族元素，Ir具有面心立方结构，Ni和Ir能够无限互溶，在γ/γ′两相系统中Ir具有理想的分配系数，在两相之间一般等分配。Ir作为一种强化元素添加到镍基单晶高温合金中的研究不多，申请者前期工作表明Ir能抑制TCP相的形成，起到稳定合金组织的作用。最近，申请者发现在更高代次单晶合金中，Ru和Ir的协同作用对TCP相的抑制较单独Ir、Ru元素作用显著，同时，在Ru和Ir共同作用下，单晶高温合金的高温组织稳定性得到显著提高。但Ru、Ir是铂族元素，价格相对较高，因此为了控制合金成本，Ru元素的含量应控制在3～5％，Ir元素含量应控制在1～3％。为了获得更高的使用温度，必须提高镍基的单晶高温合金的高温强度。Re、W、Mo、Cr等元素可以固溶于镍基单晶合金中，一方面抑制合金元素扩散，另一方面可以通过固溶强化作用提高合金强度，抑制合金高温蠕变变形。因此，随着镍基单晶高温合金的不断发展，上述难熔元素的总含量也在不断增加。然而，难熔元素的增加也带来高温组织不稳定的问题，尤其是高温长期时效过程中合金容易析出TCP相，TCP相富含Re、W、Mo、Cr等难熔元素，降低了合金内难熔元素含量，减弱了强化效果，同时，TCP相也可以成为裂纹萌生的位置，造成合金失效。为了获得较高的高温强度，本发明合金设计时综合考虑了上述强化元素的作用，因此Re含量应控制在5.4～7％，Cr的含量应控制在2～6％，W和Mo控制在4.5～6.5％和1～3％。Al、Ta等是合金中的强化相γ′的主要形成元素。γ′相是高温合金重要的强化相，获得一定体积分数的γ′相是合金优异高温强度的关键，因此，Al、Ta等元素的含量应分别控制在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含量应控制在7～14％。Hf、Y的加入可以提高合金铸造工艺性能和抗氧化性能，但过高的Hf、Y含量可能会导致合金初熔温度降低，热处理窗口变窄，因此Hf、Y的含量应控制在0-0.2％和0-0.02％。本发明所述镍基单晶高温合金利用纯Ni、Co、Cr、W、Mo、Ta、Al、Re、Ru、Ir等元素在真空感应熔炼炉中熔炼，浇注成化学成分符合要求的母合金，采用定向凝固设备重熔母合金，采用螺旋选晶法或籽晶法定向凝固成单晶棒。使用前需经过热处理，可采用真空或普通马弗炉进行热处理。在工业用定向凝固炉上进行制备单晶合金，定向炉的温度梯度范围在40℃/cm～80℃/cm之间，浇注温度为1480～1550℃，模壳温度与浇注温度保持一致，在生长速率为3～8mm/min范围内，制备单晶试棒。本发明单晶合金DD495的热处理制度如下：(1)固溶处理，在1310～1320℃保温6～10小时；随后升温至1320-1345℃保温8～16小时，然后空冷至室温；(2)高温时效处理，在1100～1160℃保温2～6小时，随后空冷至室温；(3)低温时效处理，在850～900℃保温16～26小时，随后空冷至室温。本发明的有益效果如下：(1)本发明基于铂族元素与难熔强化元素在高温组织稳定性和高温强度间协同耦合作用机理，发展了一种高热稳定性、高强度镍基单晶高温合金，其高温力学性能超过典型四代单晶高温合金水平。(2)与现有的其它镍基单晶高温合金相比，本发明合金具有持久性能比典型第四代单晶合金强度高；(3)本发明合金在1100℃长期时效500h后无TCP相析出，时效1000h后有极少量TCP相析出；(4)本发明合金在1150℃/137MPa条件下蠕变寿命超过100h；(5)本发明合金在1000℃达抗氧化级。附图说明图1是本发明实施例5合金铸造态组织；图2是本发明实施例5合金热处理后组织；图3是实施例1合金1100℃/180MPa蠕变变形曲线；图4是实施例2在1100℃/180MPa蠕变变形曲线；图5是实施例5合金在1150℃/137MPa蠕变变形曲线；图6是本发明合金与典型第四代单晶高温合金的热强曲线对比；图7是本发明合金1000℃高温氧化增重曲线；图8是本发明合金在1100℃长期时效200h后微观组织；图9是本发明合金在1100℃长期时效500h后微观组织；图10是本发明合金在1100℃长期时效1000h后微观组织。图11是对比例1不含Ru和Ir的单晶合金1100℃长期时效200h后析出TCP相。图12是对比例1不含Ru和Ir的单晶合金1100℃长期时效500h后析出TCP相。图13是对比例1不含Ru和Ir单晶合金1100℃长期时效1000h后析出TCP相。图14是对比例2含Ir不含Ru单晶合金1100℃长期时效200h后析出TCP相。图15是对比例2含Ir不含Ru单晶合金1100℃长期时效500h后析出TCP相。图16是对比例2含Ir不含Ru单晶合金1100℃长期时效1000h后析出TCP相。图17是对比例3含Ru不含Ir单晶合金1100℃长期时效200h后析出TCP相。图18是对比例3含Ru不含Ir单晶合金1100℃长期时效500h后析出TCP相。图19是对比例3含Ru不含Ir单晶合金1100℃长期时效1000h后析出TCP相。具体实施方法以下实施例将对本发明予以进一步说明，并不因此而限制本发明。以下各实施例及对比例合金的具体制备方法要求：采用真空感应熔炼炉熔炼原材料，先浇注成化学成分符合要求的母合金，再采用定向凝固炉制备出单晶棒，使用前需进行热处理。在工业用定向凝固炉上进行制备单晶合金，定向炉的温度梯度范围在40℃/cm～80℃/cm之间，浇注温度为1480～1550℃，模壳温度与浇注温度保持一致，在生长速率为3～8mm/min范围内，制备单晶试棒。本发明单晶合金DD495的热处理制度如下：(1)固溶处理，在1310～1320℃保温6～10小时；随后升温至1320-1345℃保温8～16小时，然后空冷至室温；(2)高温时效处理，在1100～1160℃保温2～6小时，随后空冷至室温；(3)低温时效处理，在850～900℃保温16～26小时，随后空冷至室温。实施例1-6：本发明实施例1-6镍基单晶高温合金的化学成分参见表1。表1本发明合金(实施例1-6)的化学成分组成列表(wt.％)实施例1实施例2实施例3实施例4实施例5实施例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对以上实施例中合金进行性能测试，结果如下：1、实施例2合金的密度测量值为9.1g/cm3。2、实施例5合金经过热处理和机械加工后进行持久性能测试，结果见表2。表2实施例5合金持久性能3、本发明实施例1合金经过热处理和机械加工进行拉伸试验性能测试，结果如表3所示。表3实施例1合金拉伸性能4、本发明实施例5合金铸造态和经过热处理后的微观组织如图1和图2所示。5、实施例1合金1100℃/180MPa蠕变变形曲线如图3，实施例2在1100℃/180MPa蠕变变形曲线如图4，Ir元素含量的增加使得合金的蠕变寿命增加；实施例5合金在1150℃/137MPa蠕变变形曲线如图5，Ir和Ru元素协调作用导致合金高温蠕变寿命获得提高。6、本发明实施例5合金与典型第四代单晶高温合金的热强曲线对比如图6，本发明合金强度明显高于典型第四代单晶高温合金；本发明实施例5合金1000℃高温氧化增重曲线如图7；本发明实施例5合金在1100℃长期时效200h后微观组织如图8，未见有害TCP相析出；本发明实施例5合金在1100℃长期时效500h后微观组织如图9，未见有害TCP相析出；本发明实施例5合金在1100℃长期时效1000h后微观组织如图10，仅有极少量颗粒状TCP相析出。对比例1：本例合金成分中不含铂族元素Ru和Ir元素，具体合金成分如下(wt.％)：Cr5.5％，Co10％，Mo1.5％，W6％，Al6％，Ta8.5％，Re5.5％，Hf0.1％，Y0.02％，其余为Ni。本例无Ru和Ir元素的镍基单晶高温合金在1100℃时效200h、500h、1000h后观察到TCP相，分别如图11、图12、图13所示。对比例2：本例合金成分中含有铂族元素Ir，但不含Ru元素，具体合金成分如下(wt.％)：Cr5.5％，Co10％，Mo1.5％，W6％，Al6％，Ta8.5％，Re5.5％，Ir3％，Hf0.1％，Y0.02％，其余为Ni。本例含Ir不含Ru元素镍基单晶高温合金1100℃时效200h后有TCP相形成，如图14。该合金1100℃长期时效500h后，以及1100℃时效1000h后均有TCP相形成，如图15-16。对比例3：本例合金成分中含有铂族元素Ru，但不含Ir元素，具体合金成分如下(wt.％)：Cr5.5％，Co10％，Mo1.5％，W6％，Al6％，Ta8.5％，Re5.5％，Ru3％，Hf0.1％，Y0.02％，其余为Ni。本例含Ru不含Ir元素镍基单晶高温合金1100℃时效200h后有TCP相形成，如图17所示。该合金1100℃长期时效500h后，以及1100℃时效1000h后均有TCP相形成，如图18-19。当前第1页1 2 3