一种由两种合金复合成的功能梯度单晶叶片材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及Ni基高温合金和Ni3Al基超高温合金的单晶叶片制备和热处理等领域，特别是一种由Ni基高温合金和Ni3Al基超高温合金复合成的功能梯度单晶叶片材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]随着航空技术的快速发展和国际局势的日趋紧张，发展第四代(甚至第五代)航空战斗机对于国家军事战略和国防安全具有重大意义，而研发拥有自主知识产权的推重比为12?15的新一代航空发动机更是重中之重。更高的推重比来源于更高的涡轮前温度，新一代航空发动机叶片承温将高达到1200°C，比目前成熟的推重比10的发动机叶片承温高出将近80°C。单晶高温合金由于具有较高的熔点、优秀的高温抗蠕变性能和良好的耐蚀性，已成为制造航空发动机导向叶片和涡轮叶片的关键材料。发动机叶片工作时，燃烧室燃气经过导向整流后发生旋转，在旋转离心力的作用下向叶片顶部移动，使得叶片顶部显著升温，承温在1100?1200°C左右，而叶根和涡轮盘部分温度较低，承温在700?1000°C左右。因此发动机叶片的工作服役具有功能梯度的属性，叶根和中部实现中低温服役，叶顶实现超高温服役。传统发动机单晶叶片由单一高温合金经连续单晶生长制得，要求所用合金材料同时具有不错的高温性能和中低温性能。
[0003]传统Ni基高温合金单晶叶片已是航空发动机涡轮部件的首选材料，其强化机理和合金化设计已经发展成熟，尤其是在中低温力学性能方面实现了最优化，但是第三代(或第二代)Ni基单晶高温合金(已公开的，包括:CMSX-4、CMSX-10, Rene N5、Rene N6、PWA1484、TMS-75等等)最高承温均在1120°C以下，远远达不到新一代航空发动机1200°C承温的设计需求；另一方面，北京航空航天大学自主研发的IC系列Ni3Al基超高温合金(申请号:201110125242X)最高承温可达1220°C，实现了超高温服役，完全符合新一代航空发动机的设计需求，但是其中低温性能有所退化且相关研宄刚刚起步。最近的研宄表明，高温合金的超高温(1200°C以上)性能的提高和中低温性能的优化在合金化设计和微观组织控制方面是很难调和的，有时候甚至是相悖的。简而言之，传统Ni基单晶高温合金不能实现超高温服役，而IC3系列Ni3Al基单晶超高温合金中低温性能的优化尚需时日。由此可见，使用单一高温合金经连续单晶生长制备的传统叶片材料不能满足新一代航空发动机的设计需求。因此，航空发动机叶片材料的设计必须另辟新径，新型叶片材料的制备方法必须得到足够的重视和系统化的研宄。
【发明内容】
[0004]针对发动机叶片服役的功能梯度属性，本发明给出了一个新型单晶叶片材料的设计思路及其制备方法，旨在得到一种叶根及中部为Ni基高温合金、叶顶为Ni3Al基超高温合金的单晶叶片材料，预计该材料的叶根及中部具有较好的中低温服役性能，其叶顶具有较好的超高温服役性能。事实上，这是一种单晶叶片材料的复合制备方法，存在很多技术难点:对模壳进行两次浇注同时保证两种合金在叶片纵向分布精确可控；定向凝固过程要足够合理使得两合金的互扩散过渡区不会形成空洞和缩松等铸造缺陷；单晶生长过程要足够稳定使得两合金生长成为一个完整的单晶叶片；热处理工艺要顾全两种合金的微观组织控制以实现各自力学性能的最优化等等。
[0005]本发明的目的在于提供一种由Ni基高温合金和Ni3Al基超高温合金复合成的、叶根及中部具有良好中低温性能的、叶顶具有良好超高温性能的功能梯度单晶叶片材料的模壳设计、浇注工艺、单晶生长控制和热处理制度等制备方法。
[0006]本发明提供的由两种合金复合成的功能梯度单晶叶片材料的制备方法，具体包括如下步骤:
[0007]第一步，制备顶部浇注式叶片模壳。
[0008]叶片叶顶朝上正放，使用起晶器、螺旋选晶器和单晶放大器来获得单晶，并设计直径为0.8?1.2_的窄通道横置在相邻起晶器之间，窄通道的设置高度为起晶器高度的1/2处，使起晶器相互连通；计算所需Ni基高温合金的质量，为起晶器、螺旋选晶器、单晶放大器和部分叶片(依照所设计的复合参数，一般叶根和叶中部长度在叶片总长的2/3?4/5长度范围内)的体积总和乘以该Ni基高温合金密度；所需Ni3Al基超高温合金的质量为剩余叶片(叶顶)与浇注盘的体积之和乘以该Ni3Al基超高温合金密度；
[0009]第二步，在定向凝固设备中安装两个磁感应熔化炉，按照所需质量在高温室分别熔化两种合金:Ni基高温合金熔化温度为1480?1520°C，Ni3Al基超高温合金熔化温度为1520 ?1570? ；
[0010]第三步，设定浇注温度为1500?1580°C，模壳温度与浇注温度相同，先浇注Ni基高温合金，饶注后静置5min ；以3mm/min抽拉速率运行5?8min，使起晶器和管道完全凝固；再浇注Ni3Al基超高温合金，浇注后静置5min ；
[0011]第四步，进行单晶叶片的生长:螺旋选晶器生长速率为3?4mm/min、单晶放大器生长速率逐步增加到4?6mm/min，叶根及叶中部生长速率为4?6mm/min，在两种合金互扩散形成的过渡区生长速率逐步放慢到3?4mm/min，叶顶及饶注盘生长速率维持3?4mm/min，直至单晶生长完成；所述的Ni基高温合金铸造的叶根及叶中部的长度为叶片总长的2/3?4/5长度范围内，其余为叶顶；所述的过渡区是指Ni基高温合金铸造部分和Ni3Al基超高温合金铸造部分的界面上下各1mm长度叶片段，该过渡区由于两中合金在液相条件下进行相互扩散，其成分从Ni基高温合金均匀过渡到Ni3Al基超高温合金；所述生长速率逐步增加或逐步放慢是指速率变化率为0.5mm/min2o
[0012]第五步，所得材料施加再设计的固溶均匀化处理、高温时效处理和低温时效处理。通过高温合金手册和公开报道得到两种合金的标准热处理制度，然后基于其标准热处理制度通过以下步骤设计所得材料的热处理制度。固溶均匀化处理制度的再设计方法为:选取两合金标准固溶制度全部温度点中的最低温度和最高温度，在两温度之间以20度为温度梯度增加温度点，形成所设计的固溶制度温度点序列，其最低温度点保温2小时，其最高温度点保温10小时，中间的每个温度点均保温2?6小时。高温时效处理制度的再设计方法为:选取两种合金标准高温时效制度温度点，分别称为较低温度和较高温度，按照“较低温度保温I小时+较高温度保温2小时+较低温度保温I小时”设计该材料的高温时效处理制度；Ni基高温合金的标准高温时效温度点一般为1040°C?1100°C，Ni3Al基高温合金标准高温时效制度温度点一般为1100°C?1160°C，一般情况下，两者中Ni基高温合金标准高温时效温度点为较低温度点，Ni3Al基高温合金标准高温时效制度温度点为较高温度点。低温时效处理制度的再设计方法为:选取两种合金标准低温时效制度保温时间中的较长时间，按照“870°C保温该较长时间”设计低温时效处理制度。所述的较长时间可以选取20?32小时。
[0013]本发明的工作原理如下:
[0014]1、所述管道作为窄通道使起晶器相互连通，可在各个叶片模壳之间形成连通器。当浇注Ni基高温合金时，由于连通器效应，使得该Ni基高温合金金属液在各个叶片模壳中保持相同高度。之后凝固起晶器和窄通道，使各个叶片相互独立。再浇注Ni3Al基超高温合金直至注满全部腔体。此时两合金在叶片纵向分布可严格实现设计需求，实现了精确控制。
[0015]2、螺旋选晶器使用较慢的单晶生长速率可以提高对(001)取向晶粒的选择和控制，故其单晶生长速率定为3?4mm/min ;叶根和叶中部的材料是Ni基高温合金，使用较快的单晶生长速率有利于减小一次枝晶间距，降低枝晶/枝晶间的铸造偏析，抑制枝晶间析出物的形核长大，便于固溶均匀化处理，故其单晶生长速率定为4?6mm/min ;叶顶材料是Ni3Al基超高温合金，为了保证在两合金过渡区不形成杂晶和不发生晶向偏离，需要两合金在定向凝固时保持一个相近的一次枝晶间距，多次实验结果表明，当Ni3Al基超高温合金的单晶生长速率为Ni基高温合金的2/3左右时，两合金的一次枝晶间距是相近的，故其单晶生长速率定为3?4mm/min ;在单晶放大器和两合金过渡区使用梯度变化的单晶生长速率，使前后生长速率的差异得到缓冲和调和。由此本