一类镍基单晶高温合金的成分及其应用的制作方法

本发明涉及一类镍基单晶高温合金的成分及其应用，属于高温合金技术领域。

背景技术：

镍基高温合金主要是指以铁、钴和镍为基，能在600℃以上在一定应力条件下能够长期工作的一种高温结构材料。这种材料具有较高的承温能力、较长的持久寿命、良好的抗氧化能力和抗腐蚀能力以及良好的疲劳性能和断裂韧性。随着工业的高速发展，高温合金在各个领域中展现了良好的应用前景，主要用于航空发动机和燃气轮机的涡轮叶片、导向叶片和涡轮盘等高温部件。

高温合金按照制备工艺可分为变形高温合金、铸造高温合金和粉末冶金高温合金(包括氧化物弥散强化高温合金)。其中按照金属材料基体主要可以分为铁基高温合金、钴基高温合金和镍基高温合金。铁基高温合金由于组织稳定性和抗氧化性相对较差，高温强度不足，不能在更高的温度下使用，只能在中温条件(600~800℃)条件下使用。而钴是一种重要的战略性资源，世界大多数国家钴资源稀缺。因此，以镍为基体的镍基高温合金成为目前高温合金中应用最广、高温强度最高的一类合金，其在650~1000℃范围内具有较高的强度和较强的抗氧化性。镍基高温合金具有许多优点，首先可以固溶较多的合金元素，且能保持较好的稳定性；其次可以形成γ′-ni3al超点阵，与基体完全共格，实现高温强化。最后含有铬的镍基高温合金具有更高的抗氧化、抗腐蚀能力。

其中，镍基高温合金最早是变形高温合金。但随着高温性能的提高，合金的变形也变得困难。为了突破变形工艺的束缚，科研人员研发出了等轴晶铸造合金。通过实际使用发现，镍基高温合金叶片的工作寿命受垂直于应力轴晶界(横向晶界)的影响，因此通过定向凝固技术，消除横向晶界，研发出定向凝固柱晶高温合金，如tmd-5和tmd-k35。定向凝固柱晶高温合金的晶界方向与应力方向平行，因此提高和镍基高温合金的性能。但晶界在高温条件下是薄弱环节。因此，通过相关技术手段去除晶界，制备出单晶高温合金。第一代单晶高温合金以tms-12和tms-6为代表，为廉价合金。第二代单晶合金在第一代单晶合金的基础上，加入3wt%的re元素，如tms-145，承温能力提高了大约30℃。同时，第三代单晶合金(tms-75和tms-80)加入6wt%的re，性能进一步提高。但为了抑制tcp的析出，第四代单晶合金开始，加入ru，如tms-138(第四代单晶)，tms-196(第五代单晶)和tms-238(第六代单晶)，同样高温性能也得到提高。

镍基高温合金从变形合金发展到铸造合金，而铸造合金从等轴晶铸造合金、定向凝固合金和单晶高温合金，而镍基单晶高温合金从第一代发展到第六代。在合金的发展过程中，合金的性能(承温能力和持久寿命)在不断提高，但镍基高温合金的成分规律一直缺少解释。

如何通过描述镍基高温合金的微观结构，找出镍基高温合金的成分发展规律，并确定镍基高温合金的成分，一直是业内需要解决的关键问题。

技术实现要素：

本发明基于现有镍基高温合金的成分，找出镍基高温合金的成分规律和性能参数，最终确定具有高结构稳定性的镍基单晶高温合金的成分，并命名为nideal合金，为航机用镍基单晶高温合金的成分设计提供理论依据。

本发明采用的技术方案是：一类镍基单晶高温合金的成分，主要合金的成分包括类ni元素、形成γ′析出相的元素、形成γ基体元素和al元素，所述类ni元素选用ni、co、re、ru、ir、fe、pt、pd、os、rh、tc中的一种或几种，选用元素的原子百分比总量为751.5，所述形成γ′析出相的元素选用ti、v、nb、ta、zr、hf中的一种或几种，选用元素的原子百分比总量为3.10.1，所述形成γ基体元素选用cr、mo、w中的一种或几种，选用元素的原子百分比总量为9.40.2，所述al元素的原子百分比总量为12.50.2，所述成分需同时满足；在所述主要合金的成分确定之后，还可以选用mg、si、c、b以及la、ce、y等稀土元素中的一种或几种，原子百分比总量应控制在所述主要合金成分的原子百分比总量的0.5以内。

所述的一类镍基单晶高温合金的成分应用于航空发动机的镍基单晶高温合金的成分构建。

本发明的有益效果是：这种镍基单晶高温的成分应用于航空发动机的镍基单晶高温合金的成分构建。合金元素分为主要合金元素和其他元素。主要合金元素包括类ni元素(ni、co、re、ru、ir、fe、pt、pd、os、rh或tc)、形成γ′析出相的元素(ti、v、nb、ta、zr或hf)、形成γ基体元素(cr、mo或w)和元素al。其中类ni元素原子百分比总量为751.5，形成γ′析出相的元素的原子百分比总量为3.10.1，形成γ基体元素的原子百分比总量为9.40.2,元素al的原子百分比总量为12.50.2，。此外，主要合金化元素确定之后，还可以添加少量其它元素，包括mg、si、c或b以及la、ce、y等稀土元素，其原子百分比总量应控制在上述主要合金元素总含量的原子百分比0.5以内。该合金命名为nideal，为具有高承温能力和长持久寿命的高结构稳定性镍基单晶高温合金。

附图说明

图1为主要合金化元素的合金矢量法比较。图1中每一个点表示原子百分比含量为90的ni元素与原子百分比含量为10的合金化元素的混合，如al表示原子百分比为90的ni与原子百分比为10的al的混合。按照合金化元素的向量分布特征，可归出al（其合金矢量基本水平方向）、形成γ′析出相元素(ti、v、nb、ta、zr或hf，合金矢量最靠近al)、形成γ基体元素(cr、mo或w，位于中间位置)、以及类ni元素（ni、co、fe、re、ru、ir、os、rh或tc，与指向al的矢量的夹角最大）。

图2为表1中tm系列镍基高温合金的成分点在一种伪三元成分图上的分布，图中三元指类ni元素(ni、co、re、ru、ir、fe、pt、pd、os、rh或tc)、形成γ′析出相的元素al、以及其它元素（含形成γ′析出相的元素ti、v、nb、ta、zr或hf以及形成γ基体元素cr、mo或w)。具体合金成分见表1。tm系列镍基高温合金的发展，从定向凝固合金(directionallysolidified)发展到单晶高温合金(singlecrystal)。而单晶高温合金合金从第一代发展到第六代。在合金的发展过程中，合金的性能不断提高。合金在发展的过程中，高代次的单晶高温合金，类ni元素的原子百分比总量趋近于75，而γ′析出相的元素中的al趋近于12.5。其它元素总量趋近于12.5。

图3类似于图2，但是将形成γ′析出相的元素合并，与形成基体γ的元素cr、mo、w和类ni元素作图，可以发现，镍基高温合金在向高代次单晶合金发展的过程中，形成基体γ的元素的原子百分比总量趋近于9.4%。之前的图2表明，除了al和类ni之外的其它元素的原子百分比总量趋近于12.5，因此除了al之外的其它形成γ′析出相的元素的原子百分比总量趋近于3.1(3.1=12.5-9.4)。镍基高温合金在发展的过程中一直靠近于成分点，即本发明涉及的nideal成分点。

图4为典型镍基高温合金的承温能力和成分分布图，即镍基高温合金在1000小时持久寿命、137mpa下的承温能力，同时也反应了镍基高温合金的发展历程。镍基高温合金在发展的过程中，合金的承温能力在不断的提高，同时，合金的成分点一直靠近与nideal合金成分点，即原子百分比15.6成分线与9.4成分线的交点。图4中可以发现，pwa1484合金距离nideal合金成分点为原子百分比0.5，但pwa1484的al原子含量12.9，与nideal的12.5相比，偏高0.4，高于本发明提出的nideal合金的al的成分，12.5±0.2。同时该合金不含有近代单晶合金的特殊元素。图4中承温能力最高为tms-162合金，位于nideal合金成分点的附近，但是仍然有原子百分比为2.2的成分距离。

图5为典型镍基单晶高温合金持久寿命与元素分布。可以看出，现有合金成分没有理想满足nideal合金成分点的合金，距离最近的仍然为pwa1484，但随着持久寿命的增加，合金都趋近于nideal成分点，即原子百分比15.6成分线与9.4成分线的交点。

具体实施方法

以下实施例将对本发明予以进一步说明。

本实施例描述tm系列单晶合金的第四代tms-138a到第六代tms-238的演化过程。

tm系列第四代单晶合金tms-138a，在1100℃/137mpa下的持久寿命为720小时（kyokokawagishi,superalloys2012,tms2012）。其牌号标准成分为质量百分比的ni-5.8co-5.8re-3.6ru-3.2cr-2.9mo-5.6w-5.7al-5.6ta-0.1hf，并转换成原子百分比。

将主要合金化元素分类并与nideal成分做出比较。其ni元素ni0.86co0.08re0.03ru0.03、形成γ′析出相元素al、其它形成γ′析出相元素ta0.98hf0.02、和形成γ基体元素cr0.5mo0.25w0.25的原子百分比总量分别为：76.9，13.4，2.0，7.7。可见，该合金与nideal合金仍然有一定的成分距离，体现在：类ni元素比nideal的75高出1.9，al比nideal的12.5高出0.9，其他形成γ′析出相元素比nideal的3.1欠缺1.1，γ基体的元素比nideal的9.4欠缺1.7。因此从nideal合金角度，tms-138a应该具有较大的成分改良空间。该合金在1100℃/137mpa下的持久寿命为720小时。

以类似的方式分析第六代单晶合金牌号tms-238的成分，其标准质量百分比成分为ni-6.5co-6.4re-5ru-5.9al-7.6ta-0.1hf-4.6cr-1.1mo-4w。转化成原子百分比，可得其类ni元素ni0.84co0.09re0.03ru0.04的原子百分比为75.7（相对于tms-138a下降了1.2，比nideal的75仍然高出0.7），al元素原子百分比为13.8（相对于tms-138a的13.4仍然略有增加，比nideal的12.5高出1.3），其他形成γ′析出相元素ta0.99hf0.01的原子百分比增加到2.7（相对于tms-138a的2.0增加了0.7，比nideal的3.1仅欠缺0.4），形成γ基体的元素cr0.73mo0.09w0.18的原子百分比总量保持不变，仍然为7.7（比nideal的9.4欠缺1.7）。总的来讲，该合金成分更加接近nideal，其在1100℃/137mpa下的持久寿命为1930小时，是第四代tms-138a的2.7倍。可见，tm系列合金从tms-138a向tms-238发展的过程中，合金更加靠近nideal的成分。因此可以预测，理想合金nideal的性能将会进一步提升。

tm系列镍基高温合金主要合金化元素成分，如表1所示。

具体制备方法

根据前面步骤，确定基于第六代单晶合金tms-238的nideal合金成分为：(ni0.84co0.09re0.03ru0.04)75al12.5(ta0.99hf0.01)3.1(cr0.73mo0.09w0.18)9.4，其中四类合金元素均与tms-238一致，但是其相对含量换成理想的百分比。换算成质量百分比，形成新的nideal合金的一种标准配方：ni-6.15co-6.48re-4.69ru-5.22al-8.59ta-0.09hf-5.52cr-1.26mo-4.81w。

真空感应熔炼，制备出nideal合金的母合金，测试实际成分并与名义成分进行比较，并控制实验误差。

利用选晶法将nideal母合金制备成nideal单晶合金。利用dta和金相法，测试合金的初熔点。根据合金的初熔点确定nideal合金的热处理制度。其中固溶温度一般比初熔温度低5~10℃，同时确保炉膛温度准确。

对镍基单晶高温合金nideal合金进行热处理，并进行相关性能测试，根据测试结果再次调整成分和热处理工艺，并最终得到性能优异的镍基单晶高温合金。关键是确定合金成分与热处理工艺的匹配。

可以预测，理想合金nideal的性能将优于tms-238。