一种低铼镍基单晶高温合金及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种低铼镍基单晶高温合金及其制备方法。所述合金按质量百分比表示为：6.75-7.25%Cr、7.25-7.75%Co、1.3-1.7%Mo、5.8-6.2%W、5.8-6.2%Ta、0.85-1.15%Re、5.9-6.1%Al、1.3-1.7%Ti、0.12-0.18%Hf、0.04-0.06%C、0.003-0.005%B、0.010-0.020%Y，其余为镍。制备步骤为：采用真空感应炉熔炼母合金，通过重力铸造制备母合金铸棒；采用籽晶法通过Bridgeman定向凝固技术制备单晶试棒；单晶高温合金热处理。本发明合金初熔温度高，熔化温度范围宽，凝固区间小；合金密度低，强度高，抗氧化性能好；合金的相稳定性好，长期时效不易生成有害相；合金成本低。
【专利说明】一种低铼镍基单晶高温合金及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种镍基单晶高温合金及其制备技术，特别提供了一种低铼、高性能镍基单晶高温合金及制备方法，属于高温合金制备领域。
【背景技术】
[0002]目前，航空发动机的进口温度已高达1400，°C传统铁基和钴基高温合金已不能满足要求，迫切需要选用具有更高承温能力的合金作为涡轮叶片的材料。镍基单晶高温合金具有优秀的高温抗蠕变和疲劳能力，同时显示出优秀的抗氧化和抗腐蚀性，成为涡轮叶片的主要选材。镍基高温合金发展的近30年间，先后研制了 5代镍基单晶高温合金。合金内Re、W、Mo、Ta等难熔元素的不断增加，使合金的承温能力和高温性能得到了极大的提升，但同时也带来了组织稳定性降低、合金密度大、成本高等不足。因此，难熔元素的大量添加，尤其是Re元素的添加，对高温合金成本及长期服役过程中微观组织稳定性等的影响已引起了广泛的关注，成为制约镍基单晶高温合金发展的重要因素。
[0003]当前，国内外应用较为广泛的是第2代镍基单晶高温合金(如Ren6N5、PffA1484,CMSX-4等)，在第2代单晶合金特别是含铼镍基单晶高温合金中的一个关键问题，在高温下强烈促使TCP相(如σ、μ或P相)的析出，急剧恶化了镍基单晶高温合金的性能。另外，据估算，第2代含铼镍基单 晶高温合金添加3.0wt%的Re后，合金的成本提高了约70%，极大降低了产品的市场竞争力。为此，美国GE公司开发了一系列低铼镍基单晶高温合金(专利号:W02009032578A1)以降低合金成本及提高组织稳定性，综合性能达到含铼3.0wt%的第2代单晶Ren6N5，但铼含量仅为1.5wt%，其密度为8.6g/cm3。由于服役过程中合金所受的应力与其密度成正比，而蠕变速率与应力存在对应的关系(εΚ—5，6)，因此密度越小，合金蠕变速率越慢，使用寿命越长，尤其作为航空发动机涡轮叶片材料，密度的降低对于提升发动机推重比具有重要意义。因此，为进一步提升飞机发动机工作性能，合金密度的控制也是成分设计的一个重要方向。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种低铼镍基单晶高温合金及其制备方法，用于要求抗蠕变强度高、高温持久寿命长的高温涡轮工作叶片材料。
[0005]—种低铼镍基单晶高温合金，按质量百分比计，合金成分如下:6.5-7.5%Cr,7.0-7.5%Co, 1.1-1.9%Mo, 5.5-6.5%ff, 5.5-6.5%Ta, 0.75-1.25%Re, 5.8-6.2%A1,1.1-1.9%Ti,0.l-0.2%Hf,0.02-0.08%C,0.002-0.006%B，0.010-0.020%Y，余量为 Ni。
[0006]优选方案:一种低铼镍基单晶高温合金，按质量百分比计，合金成分如下:
6.75-7.25%Cr,7.25-7.75%Co, 1.3-1.7%Μο，5.75-6.25%ff,5.8-6.2%Ta,0.85-1.15%Re,
5.9-6.1%A1,1.3-1.7%Ti，0.12-0.18%Hf,0.04-0.06%C,0.003-0.005%B，0.013-0.017%Y,余量为Ni。
[0007]一种制备上述低铼镍基单晶高温合金的方法，包括以下步骤:[0008]第一步:采用真空感应炉熔炼母合金，通过重力铸造制备母合金铸棒；
[0009]第二步:采用籽晶法通过Bridgeman定向凝固技术制备单晶试棒；
[0010]第三步:单晶高温合金热处理。
[0011]其中，第一步中所述的母合金熔炼功率为20-25KW，熔炼时间为3-5分。
[0012]第二步中所述的单晶制备工艺是温度梯度为200-300K/cm，抽拉速率为10-100 μ m/s。
[0013]第三步中所述的热处理包括固溶处理、高温时效处理和低温时效处理，其中固溶处理工艺温度为1300-1310，°C时间为2-4小时，冷却方式为空冷；高温时效处理温度为1080-1100, °C时间为2-5小时，冷却方式为空冷；低温时效处理温度为870-900，°C时间为16-24小时，冷却方式为空冷。
[0014]本发明的合金设计原理:综合运用电子空位理论和d-电子理论，初步设计镍基单晶高温合金成分，计算其主要性能评价指标，并与典型第I代、第2代镍基单晶高温合金对应的性能评价指标作比较、分析。通过以第二相析出强化主导来提高合金高温性能，以其降低合金中难熔元素、贵重元素、高密度元素的含量。具体方法:合金组织稳定性用电子空位数Nv和合金元素d分子轨道平均能级Mdt值综合衡量，强度用合金元素间共价键平均结合强度Bot值衡量，使用温度用相固溶温度IV s()lvus衡量，综合性能使用成分性能预测参数P值评价.具体评价体系:在保证合金组织稳定的前提下，具有较高的1(11:、801:、1\, solvus>P值，以及较低的密度。形成σ相的稳定性临界值是Νν〈2.49，形成Laves相的稳定性临界值 Νν〈2.30。
·[0015]本发明与现有技术相比，其显著优点是:(1)本发明合金初熔温度高，熔化温度范围宽，凝固区间小。(2)本发明合金密度低，强度高，抗氧化性能好。(3)本发明合金的相稳定性好，长期时效不易生成有害相。(4 )本发明合金成本低。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是为本发明低铼镍基单晶高温合金制备流程图。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图对本发明做进一步详细描述。
[0018]本发明低铼镍基单晶高温合金制备工艺见图1。
[0019](I)合金成分设计
[0020]合金成分设计采用式(1)-(6)计算。
[0021]①合金电子空位数计算如式⑴所示,式中:1?为i组元的摩尔分数；(Nv)i为i组元的平均电子空位数。
_ η
[0022](I)
1-lI
[0023]②d-电子理论计算如式(2)、式(3)所示，式中:Ci为i组元的原子分数；Mdi为i组元的d分子轨道能级；Mlt为平均d分子轨道能级；Boi为元素之间共价键结合强度的参数；SS为平均Boi值。
【权利要求】
1.一种低铼镍基单晶高温合金，其特征在于按质量百分比计，合金成分如下:6.5-7.5%Cr,7.0-7.5%Co, 1.1-1.9%Μο，5.5-6.5%ff, 5.5-6.5%Ta，0.75-1.25%Re,5.8-6.2%A1,1.1-1.9%Ti,0.1-0.2%Hf,0.02-0.08%C,0.002-0.006%B，0.010-0.020%Y,余量为Ni。
2.根据权利要求1所述的低铼镍基单晶高温合金，其特征在于按质量百分比计，合金成分如下:6.75-7.25%Cr,7.25-7.75%Co, 1.3-1.7%Μο，5.75-6.25%ff, 5.8-6.2%Ta,0.85-1.15%Re，5.9-6.1%A1,1.3-1.7%Ti，0.12-0.18%Hf,0.04-0.06%C,0.003-0.005%B,0.013-0.017%Y，余量为 Ni。
3.根据权利要求1所述的低铼镍基单晶高温合金，其特征在于所述合金采用以下步骤制备: 第一步:采用真空感应炉熔炼母合金，通过重力铸造制备母合金铸棒； 第二步:采用籽晶法通过Bridgeman定向凝固技术制备单晶试棒； 第三步:单晶高温合金热处理。
4.根据权利要求3所述的低铼镍基单晶高温合金，其特征在于第一步中所述的母合金熔炼功率为20-25KW，熔炼时间为3-5分钟。
5.根据权利要求3所述的低铼镍基单晶高温合金，其特征在于第二步中所述的单晶制备工艺是温度梯度为200-300K/cm，抽拉速率为10-100 μ m/s。
6.根据权利要求3所述的低铼镍基单晶高温合金，其特征在于第三步中所述的热处理包括固溶处理、高温时效处理和低温时效处理，其中固溶处理工艺温度为1300-1310，°〇时间为2-4小时，冷却方式为空冷；高温时效处理温度为1080-1100，°C时间为2_5小时，冷却方式为空 冷；低温时效处理温度为870-900，°C时间为16-24小时，冷却方式为空冷。
7.—种低铼镍基单晶高温合金的制备方法，其特征在于包括以下步骤: 第一步:采用真空感应炉熔炼母合金，通过重力铸造制备母合金铸棒； 第二步:采用籽晶法通过Bridgeman定向凝固技术制备单晶试棒； 第三步:单晶高温合金热处理。
8.根据权利要求7所述的低铼镍基单晶高温合金的制备方法，其特征在于第一步中所述的母合金熔炼功率为20-25KW，熔炼时间为3-5分钟；按质量百分比计，合金成分如下:6.5-7.5%Cr, 7.0-7.5%Co, 1.1-1.9%Mo, 5.5-6.5%ff, 5.5-6.5%Ta, 0.75-1.25%Re,5.8-6.2%A1,1.1-1.9%Ti,0.1-0.2%Hf,0.02-0.08%C,0.002-0.006%B，0.010-0.020%Y,余量为Ni。
9.根据权利要求7所述的低铼镍基单晶高温合金的制备方法，其特征在于第二步中所述的单晶制备工艺是温度梯度为200-300K/cm，抽拉速率为10-100 μ m/s。
10.根据权利要求7所述的低铼镍基单晶高温合金的制备方法，其特征在于第三步中所述的热处理包括固溶处理、高温时效处理和低温时效处理，其中固溶处理工艺温度为1300-1310，°C时间为2-4小时，冷却方式为空冷；高温时效处理温度为1080-1100，°〇时间为2-5小时，冷却方式为空冷；低温时效处理温度为870-900，°C时间为16-24小时，冷却方式为空冷。
【文档编号】C30B29/52GK103866392SQ201410035718
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2014年1月24日 优先权日:2014年1月24日
【发明者】陈 光, 周雪峰, 李沛, 严世坦 申请人:南京理工大学, 江苏省（丹阳）高性能合金材料研究院, 南京鼎正新材料科技有限公司, 南京一甲新材料科技有限公司