一种含铂无铼镍基单晶高温合金及其制备方法和应用

文档序号:9781032阅读:472来源:国知局
一种含铂无铼镍基单晶高温合金及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001] 本发明设及儀基单晶高溫合金领域,具体设及一种含销无鍊儀基单晶高溫合金及 其制备方法和应用。
【背景技术】
[0002] 满轮(透平)前进气溫度是衡量燃机热效率和水平最重要的指标之一:目前,国际 最先进航空发动机的透平前溫度已达1750度,在研的达1850度;大型地面燃机透平前溫度 达1600度的J级也已进入商业运行,未来级(透平初溫达1700度)燃气轮机的研发业已经完 成,预计5年后将进入商业化运行。
[0003] 基于现代燃机的工作原理和设计,满轮(透平)前进气溫度主要由满轮关键部件的 设计(如满轮叶片的叶形、冷却气道及冷却介质等)和部件制备材料的耐溫性能决定,其中, 最关键的部件是满轮高压盘和满轮一级高压叶片,其材料和制备技术是现代发达国家航空 发动机材料研发的热点和重点。现代燃机满轮高压盘等是由变形高溫合金制作而成,而满 轮一级高压叶片目前均采用空冷单晶叶片。
[0004] 儀基单晶高溫合金用于制作满轮叶片是近30年来航空发动机发展史上具有里程 碑意义的技术革命。单晶叶片就是整个叶片铸件由一个晶粒组成(没有晶界),叶片在内部 晶体结构上没有应力集中和容易断裂的晶界薄弱点;另外,由于制备单晶叶片的高溫合金 不必加入晶界强化元素,使合金的初烙溫度相对升高,从而提高了合金的高溫强度并进一 步改善了合金的综合性能。因此,制备单晶叶片用高溫合金不同于通常的多晶高溫合金,其 设计和制备处理技术属于行业尖端技术,一直被国外工业技术先进国家所垄断。
[0005] 单晶合金通过创新成分设计及制备技术的提高,耐溫能力逐步提高。目前第Ξ代 单晶合金已进入实际应用,代表是CMSX-10、ReneN6和TMS75,承溫能力约为1050~1070°C (137MPa/1000小时持久寿命)。我国在第Ξ代、第四代航空产品所需的一些关键满轮部件如 单晶叶片及其合金设计及制备技术上与国外先进国家的水平相比还有比较大的差距。
[0006] 从目前广泛使用的CMSX、Rene和TMS系列单晶合金发展进程来看,第一代单晶高溫 合金(CMSX-2、Rene N4、TMS26)合金成分不含Re,第二代单晶高溫合金(CMSX-4、Rene N5、 TMS82)含约3%的Re,第Ξ代单晶高溫合金需同时添加 Re和Ru且Re和Ru量总和超过约7wt% (CMSX-10、Rene N6、TMS75)。因此,同时添加鍊(Re)和钉(Ru)元素且加入量不断提高是目前 第Ξ代及更先进单晶高溫合金提高强度、稳定合金高溫结构的主要手段和最突出的成分特 征。
[0007] 然而,Re是地球上最稀少的金属元素之一,分布高度分散、不易提纯,因此价格昂 贵,据估算,第二代单晶高溫合金元素加入了3wt%的Re之后成本提高了70%,第Ξ代单晶 (6wt%Re)的成本与第二代单晶相比又提高约90%。另外,由于Re主要偏聚于基体丫相中, 且扩散速度低,在凝固过程中易形成枝晶偏析和TCP相。TCP相的量在高溫下长时间使用时 会增加并降低合金的蠕变强度;同时,Re的密度达到20.53g/cm3sRe元素的运些特性直接导 致满轮叶片制造成本提高,组织性能稳定性降低,重量增加(推重比下降)。降低或取消Re在 单晶高溫合金中的使用,成为设计新一代高强低成本满轮发动机材料的主要趋势。
[0008] 典型Μ基单晶高溫合金的微观组织结构比较简单,主要由具有奥氏体结构的基体 丫相和基本与其共格的具有有序Α3Β型金属间化合物丫 /析出强化相构成。为了提高Μ基单 晶高溫合金的蠕变强度,通常综合采用固溶强化和沉淀强化二种强化方式。
[0009] 固溶强化通常利用能在奥氏体基体丫相大量固溶的难烙元素如鹤(W)、钢(Mo)、粗 (化)、钻(Co)、铭(化)Re和钉(Ru)等元素来获得强化效果。第一代单晶高溫合金(CMSX-2)难 烙元素(胖、]?〇、了日、(:〇等)加入量约为1物1%,第二代化15乂-4)达约16.物1%,第^代(〔15乂- 10)超过20wt%。大量难烙元素(尤其是第二代W后加入的贵金属Re,Ru等)的加入在提高合 金性能的同时也带来了诸如成本高、密度大、显微组织不稳定,易析出TCP相 (Topologically Close-Packed phase相,如σ,μ或P相)等缺点。目前已难W利用添加更多 的固溶强化元素来提高儀基单晶高溫合金的高溫强度。
[0010] 沉淀强化目前通常利用可W与面屯、结构的Μ基体丫相形成共格有序的面屯、A浊型 化12结构)有序金属间化合物γ/的元素,如侣(A1)、铁(Ti)、妮(Nb)和粗(Ta)等,在Μ基体 丫相中形成析出强化相Ni3X(X主要为Α1、Ti、Nb和化等),其高溫强化作用取决于丫 /相的物 理性能和组织特征,如数量、尺寸、与基体的共格关系、固溶溫度和自身强度等。目前最先进 单晶高溫合金含沉淀强化丫 /相的体积分数量已近70%,其强化效果远大于固溶强化,是儀 基单晶高溫合金具有优异高溫蠕变强度的根本原因。
[0011] 含高Y /相合金在高溫服役或蠕变变形过程中,丫 /相形貌会发生俊形化并进而影 响合金的蠕变性能。丫 /相俊形化的速率通常由丫 /相形成元素的扩散速率和丫 / Y /晶格错 配度所控制。丫/ 丫/晶格错配度可表示为S = 2(a丫'-a丫)/(a丫'+a丫),其中,a丫'和a丫分别为丫' 和丫相的晶格常数。晶格错配度的大小可W反映丫 / 丫 /两相界面的稳定程度和应力状态, 直接影响丫 /相形貌和其他微观特征并进而影响合金的性能。由于丫和丫 /两相的晶格常数 随相成分、物理特性(如原子和相原子结合力、弹性率、热膨胀性等)和溫度等内外部参数而 变化,因而影响晶格错配度变化的因素复杂、缺乏规律,难于预测和控制。

【发明内容】

[0012] 本发明鉴于目前先进单晶超合金丫 /强化相稳定性差和含Re高导致合金稳定性降 低和成本提高等实际应用中存在的问题,提供了一种含销(Pt)无鍊(Re)儀(Ni)基单晶高溫 合金及其制备方法和应用,通过不添加 Re而平衡添加 Pt-Pt3Al来改变丫-丫 /相的成分、调 整丫 / 丫 /晶格错配度,使本发明的合金达到第Ξ代单晶高溫合金的承溫能力,同时合金成 本明显降低,具有高强度、低成本等特点,可满足现代高推重比航空发动机的设计需要。
[0013] -种含销(Pt)无鍊(Re)儀(Ni)基单晶高溫合金,由W下质量百分含量的合金成分 构成: Cr 2.0% ~4.0%; W 3.0%~5.0%; Ta 5.5% ~8%; Mo 1.0% ~2.0%; Pt 10.0% ~12,5%;
[0014] A1 6.0% ~8%; Τ? 0.05% ~化 6%; Nb 0.1 %~!.0%; €〇 10.5% ~ Hf ?.05%-0.2%; 飄 0.05% ~0.40%;
[001 引 妨 0.05 % ^0.2 %; Μ 余量。
[0016] 作为优选,所述的含销(Pt)无鍊(Re)儀(Ni)基单晶高溫合金,由W下质量百分含 量的合金成分构成: 位 2.0% ~4.0%:; W 3.0% ~5.0%; T 汪 6.0 % ~7.5 %; Mo: 1.0% ~2.0%; Pt 10.0% ~12.0%; A1 6.0 % ~7.5 %;
[0017] Ti 0-1 % ~0.5 ; Nb 0.2%~1.0%; Co 11.0% ~14.0%; Hf 0.05 %-0.15 %: Si 0.05 % ~0.30 %; Ce α〇5^~0·1:5〇χ?;: Ni 余量。
[0018] 本发明的合金具有无序面屯、结构的奥氏体(丫)Ni-Pt基体,在合金中弥散分布着 具有有序结构的(化古〇3^1,11),能析出强化相丫/,丫和丫/相,晶格常数在1100°0满足: 0.9950a丫 < 曰丫' < 0.9970a丫,丫 '相的体积分数为70%-75%,合金在 1070°C/137M
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