一种镍基高温合金和燃气涡轮发动机部件的制作方法

本发明涉及高温合金
技术领域：
，尤其涉及一种镍基高温合金和燃气涡轮发动机部件。
背景技术：
：一般来说，高温合金是指在600℃以上及一定应力条件下能够长期工作的高温金属材料，具有优异的高温强度，良好的抗氧化和抗热腐蚀性能，良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能。随着工业的高速发展，高温合金在各个领域中展现出了良好的应用前景，主要用于制造燃气涡轮发动机的涡轮叶片、导向叶片、涡轮盘、高压压气机盘和燃烧室等高温部件。高温合金材料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。高温合金材料按基体元素主要可分为铁基高温合金、镍基高温合金和钴基高温合金。由于铁基高温合金组织不够稳定,抗氧化性较差，高温强度较差，不适合在较高温度条件下(>800℃)应用，通常只能在650℃以下使用；而钴是一种重要的战略资源，世界上大多数国家缺钴，使得钴基合金的发展受到了限制。因而，以镍为基体(含量一般大于50％)的镍基高温合金成为了目前高温合金中应用最广、发展最快的一类合金.其在700-1100℃范围内具有较高的强度和良好的抗氧化性、抗燃气腐蚀能力。镍基高温合金具有诸多优点，一是可以溶解较多的合金元素，且能保持较好的稳定性；二是可以形成有序的L12结构金属间化合物γ’-[Ni(Al,Ti,Ta)]相作为强化相，使合金的得到有效的强化，获得比铁基，钴基高温合金更高的高温强度；三是含铬的镍基合金具有比铁基高温合金更好的抗氧化和抗燃气腐蚀能力，通常其可以含有十多种元素，而Cr主要起抗氧化和抗腐蚀作用，其他元素主要起强化作用。尽管镍基高温合金具有优异的高温性能诸如：抗疲劳、耐腐蚀及抗氧化等性能，但是高温长期服役的镍基合金在疲劳强度、屈服强度和极限抗拉强度等力学性能方面均会出现明显下降。因而，如何提高高温长期服役的镍基合金的高温力学性能，成了亟待解决的关键问题。技术实现要素：本发明要解决的技术问题在于提供一种镍基高温合金和燃气涡轮发动机部件，本发明提供的镍基高温合金在长期高温的条件下，具有较好的力学性能。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种镍基高温合金，按质量百分比组成包括：Co：18-20％；Cr：13-15％；Al：2.9-3.5％；Ti：3.3-3.7％；Ta：0.9-1.1％；W：1.8-2.2％；Mo：2.5-3.5％；Nb：0.4-0.6％；Hf：0.1-0.3％；C：0.02-0.06％；B：0.003-0.012％；Zr：0.02-0.06％；余量为Ni和不可避免的杂质。优选的，所述Co的质量百分比具体为18.5-19.5％。优选的，所述Cr的质量百分比具体为13.5-14.5％。优选的，所述Al的质量百分比具体为3.0-3.4％。优选的，所述Ti的质量百分比具体为3.4-3.6％。优选的，所述W的质量百分比具体为1.9-2.1％。优选的，所述Mo的质量百分比具体为2.75-3.25％。优选的，所述Nb的质量百分比具体为0.45-0.55％。优选的，其中的质量百分比具体为：Co：19％；Cr：14％；Al：3.2％；Ti：3.5％；Ta：1.0％；W：2.0％；Mo：3.0％；Nb：0.5％；Hf：0.2％；C：0.03％；B：0.006％；Zr：0.04％。优选的，其中的质量百分比具体为：Co：19％；Cr：14％；Al：3.2％；Ti：3.5％；Ta：1.0％；W：2.0％；Mo：3.0％；Nb：0.5％；Hf：0.2％；C：0.05％；B：0.01％；Zr：0.04％。一种燃气涡轮发动机部件，所述部件的材质为如上述任一所述的一种镍基高温合金。本发明中的镍基高温合金由于按质量百分比组成包括：Co：18-20％；Cr：13-15％；Al：2.9-3.5％；Ti：3.3-3.7％；Ta：0.9-1.1％；W：1.8-2.2％；Mo：2.5-3.5％；Nb：0.4-0.6％；Hf：0.1-0.3％；C：0.02-0.06％；B：0.003-0.012％；Zr：0.02-0.06％；余量为Ni和不可避免的杂质。与现有技术相比，本发明提高了材料的组织稳定性，特别是提高了γ’相、MC相的稳定性.并有效改善原始颗粒边界(PPB)的析出；解决了高温长期服役的镍基高温合金产生有害相的问题，提升了合金材料的疲劳性能。实验结果表明，其各项指标能够优于现有的高温合金，尤其是现有的粉末冶金高温合金。采用本发明所设计的高温合金，制备的物品，尤其制备燃气涡轮发动机，特别是制备其关键热端部件，均具有较好的力学性能和高温长期服役的组织稳定性，以及较好的合金承温能力。附图说明图1为本发明实施例中的合金140与第二代典型的粉末冶金高温合金在850℃下的γ’强化相含量对比图；图2为本发明实施例中的合金140与第二代典型的粉末冶金高温合金的γ’相完全溶解温度对比图；图3为本发明实施例中的合金140与第二代典型的粉末冶金高温合金的有害相σ相的最大摩尔含量对比图；图4为本发明实施例中的合金140与第二代典型的粉末冶金高温合金的固液相线的差值对比图。具体实施方式为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本发明所用原料，对其来源没有特别限制，在市场上购买的或是按照本领域技术人员熟知的制备方法制备得到即可。本发明所述高温合金及其制备的物品，对其制备方法和其它原料的来源没有特别限制，按照本领域技术人员熟知的制备方法制备得到或是在市场上购买的即可。下面结合附图和较佳的实施例对本发明作进一步说明。本发明实施例公开了一种高温合金，按质量百分比组成包括：Co：18～20％；Cr：13～15％；Al：2.9-3.5％；Ti：3.3～3.7％；Ta：0.9～1.1％；W：1.8～2.2％；Mo：2.5～3.5％；Nb：0.4～0.6％；Hf：0.1～0.3％；C：0.02～0.06％；B：0.003～0.012％；Zr：0.02～0.06％；余量为Ni和不可避免的杂质。本发明实施例通过采用优化Al、Ti、Nb、Ta元素来增加γ’体积分数，从而降低高温合金材料在高温长时间服役过程中的有害相的析出能力，提高材料的组织稳定性。通过调整W、Mo的含量来提高固溶强化效果并降低TCP(拓扑密堆相)相含量。另外，该合金调整了元素Hf、B的含量，并增加了Ta含量，从而提高了γ’相、MC相的稳定性，并有效改善原始颗粒边界(PPB)的析出；因此降低了高温长期服役后镍基高温合金产生有害相的倾向，提升了合金材料的疲劳性能的问题。实验结果表明，其各项指标能够优于现有的高温合金，尤其是现有的粉末冶金高温合金。采用本发明所设计的高温合金，制备的物品，尤其制备燃气涡轮发动机，特别是制备其关键热端部件，均具有较好的力学性能和高温长期服役的组织稳定性，以及较好的合金承温能力。本发明实施例提供的高温合金，即一种粉末冶金镍合金，按质量百分比组成，所述元素Nb的质量百分比含量优选为0.45～0.55％，本实施例优选为0.5％,当然也可以为0.4％，或0.6％；本发明对元素Nb的来源没有特别限定，以本领域技术人员熟知的元素Nb的来源或市售的元素Nb即可；本发明对元素Nb的纯度没有特别限制，以本领域技术人员熟知的用于制备高温合金的元素Nb的纯度即可。本发明实施例通过采用0.4～0.5％的元素Nb来提高TCP相(拓扑密堆相)形成的门槛值，从而降低TCP相在高温长时间服役过程中的析出，提高材料的组织稳定性。按质量百分比组成，所述元素Co的质量百分比含量优选为18.5～19.5％，本实施例优选为19％，当然也可以为18％，或为20％；本发明对元素Co的来源没有特别限定，以本领域技术人员熟知的元素Co的来源或市售的元素Co即可；本发明对元素Co的纯度没有特别限制，以本领域技术人员熟知的用于制备高温合金的元素Co的纯度即可。本发明实施例通过优化元素Co的含量来调整γ’的固溶温度。按质量百分比组成，所述元素Hf的质量百分比含量优选为0.1～0.3％，本实施例优选为0.20％，当然也可以为0.1％，或为0.3％；本发明对元素Hf的来源没有特别限定，以本领域技术人员熟知的元素Hf的来源或市售的元素Hf即可；本发明对元素Hf的纯度没有特别限制，以本领域技术人员熟知的用于制备高温合金的元素Hf的纯度即可。本发明实施例在所述高温合金中，合金元素Hf提高γ’相的稳定性，元素Hf不仅可进入γ′、还能进入MC，在粉末颗粒内能形成更稳定的碳化物，是改善原始颗粒边界(PPB)析出的有效途径。按质量百分比组成，所述元素Al的质量百分比含量优选为3.0～3.4％，更优选为3.1～3.3％，本实施例优选为3.2％，当然也可以为2.9％，或为3.5％；本发明对元素Al的来源没有特别限定，以本领域技术人员熟知的元素Al的来源或市售的元素Al即可；本发明对元素Al的纯度没有特别限制，以本领域技术人员熟知的用于制备高温合金的元素Al的纯度即可。按质量百分比组成，所述元素Ti的质量百分比含量优选为3.4～3.6％，本实施例优选为3.5％，当然也可以为3.3％，或为3.7％；本发明对元素Ti的来源没有特别限定，以本领域技术人员熟知的元素Ti的来源或市售的元素Ti即可；本发明对元素Ti的纯度没有特别限制，以本领域技术人员熟知的用于制备高温合金的元素Ti的纯度即可。本发明实施例在所述高温合金中，通过优化Al、Ti、Nb来调整γ’相的形态和体积分数，有效增加合金在高温服役过程中的力学性能、增加合金的承温能力。按质量百分比组成，所述元素Ta的质量百分比含量优选为0.9～1.1％，本实施例优选为1.0％，当然也可以为0.9％，或1.1％；本发明对元素Ta的来源没有特别限定，以本领域技术人员熟知的元素Ta的来源或市售的元素Ta即可；本发明对元素Ta的纯度没有特别限制，以本领域技术人员熟知的用于制备高温合金的Ta的纯度即可。本发明实施例在所述高温合金中，通过增加Ta来增加γ’体积分数，并稳定γ’相，从而提高合金元素高温强度。按质量百分比组成，所述元素W的质量百分比含量优选为1.8～2.2％，更优选为1.9～2.10％，本实施例优选为2.0％，当然也可以为1.8％，或2.2％；本发明对元素W的来源没有特别限定，以本领域技术人员熟知的元素W的来源或市售的元素W即可；本发明对元素W的纯度没有特别限制，以本领域技术人员熟知的用于制备高温合金的元素W的纯度即可。按质量百分比组成，所述元素Mo的质量百分比含量优选为2.5～3.5％，更优选为2.75～3.25％，本实施例优选为3.0％，当然也可以为2.5％。或3.5％；本发明对元素Mo的来源没有特别限定，以本领域技术人员熟知的元素Mo的来源或市售的元素Mo即可；本发明对元素Mo的纯度没有特别限制，以本领域技术人员熟知的用于制备高温合金的元素Mo的纯度即可。按质量百分比组成，所述元素Cr的质量百分比含量优选为13～15％，更优选为13.5～14.5％，本实施例优选为14％，当然也可以为13％，或15％；本发明对元素Cr的来源没有特别限定，以本领域技术人员熟知的元素Cr的来源或市售的元素Cr即可；本发明对元素Cr的纯度没有特别限制，以本领域技术人员熟知的用于制备高温合金的元素Cr的纯度即可。按质量百分比组成，所述元素C的质量百分比含量优选为0.02～0.06％，更优选为0.02～0.04％，本实施例优选为0.03％，也可以为0.05％，当然也可以为0.02％，或为0.06％；本发明对元素C的来源没有特别限定，以本领域技术人员熟知的元素C的来源或市售的元素C即可；本发明对元素C的纯度没有特别限制，以本领域技术人员熟知的用于制备高温合金的元素C的纯度即可。按质量百分比组成，所述元素B的质量百分比含量优选为0.003～0.012％，更优选为0.003～0.008％，本实施例优选为0.006％，也可以为0.01％，当然也可以为0.003％，或0.012％；本发明对元素B的来源没有特别限定，以本领域技术人员熟知的元素B的来源或市售的元素B即可；本发明对元素B的纯度没有特别限制，以本领域技术人员熟知的用于制备高温合金的元素B的纯度即可。按质量百分比组成，所述元素Zr的质量百分比含量优选为0.02～0.06％，更优选为0.02～0.04％，本实施例优选为0.03％，当然也可以为0.02％，或0.06％；本发明对元素Zr的来源没有特别限定，以本领域技术人员熟知的元素Zr的来源或市售的元素Zr即可；本发明对元素Zr的纯度没有特别限制，以本领域技术人员熟知的用于制备高温合金的元素Zr的纯度即可。本发明实施例对元素Ni的来源没有特别限定，以本领域技术人员熟知的元素Ni的来源或市售的元素Ni即可；本发明对元素Ni的纯度没有特别限制，以本领域技术人员熟知的用于制备高温合金的元素Ni的纯度即可。具体的，其中的质量百分比具体为：Co：19％；Cr：14％；Al：3.2％；Ti：3.5％；Ta：1.0％；W：2.0％；Mo：3.0％；Nb：0.5％；Hf：0.2％；C：0.03％；B：0.006％；Zr：0.04％。按照这个配比的高温合金，性能更加优良。具体的，其中的质量百分比具体为：Co：19％；Cr：14％；Al：3.2％；Ti：3.5％；Ta：1.0％；W：2.0％；Mo：3.0％；Nb：0.5％；Hf：0.2％；C：0.05％；B：0.01％；Zr：0.04％。按照这个配比的高温合金，性能更加优良。本发明实施例提供一种高温合金，按质量百分比组成包括：Co：19％；Cr：14％；Al：3.2％；Ti：3.5％；Ta：1.0％；W：2.0％；Mo：3.0％；Nb：0.5％；Hf：0.2％；C：0.03％；B：0.006％；Zr：0.03％；余量为Ni和不可避免的杂质。本发明实施例提供的上述粉末冶金高温合金，优化了Al、Ti、Nb含量，同时调整W、Mo、Co含量，并添加了Ta和Hf。经检测，相比第二代粉末冶金高温合金Rene88、U720Li、FGH96，其主要强化相γ’相的完全溶解温度和体积百分比高，由此增加了合金的高温强度和承温能力。本发明实施例还提供了另一种高温合金，按质量百分比组成包括：Co：19％；Cr：14％；Al：3.2％；Ti：3.5％；Ta：1.0％；W：2.0％；Mo：3.0％；Nb：0.5％；Hf：0.2％；C：0.05％；B：0.01％；Zr：0.03％；余量为Ni和不可避免的杂质。本发明实施例提供的所述粉末冶金高温镍合金，相对第二代粉末冶金高温合金具有更好的高温强度，合金承温能力比第二代粉末冶金高温合金进一步提高。本发明实施例提供一种物品，所述物品用于燃气涡轮发动机，且按质量百分比组成，包含由以下元素形成的高温合金：Co：18～20％；Cr：13～15％；Al：2.9-3.5％；Ti：3.3～3.7％；Ta：0.9～1.1％；W：1.8～2.2％；Mo：2.5～3.5％；Nb：0.4～0.6％；Hf：0.1～0.3％；C：0.02～0.06％；B：0.003～0.012％；Zr：0.02～0.06％；余量为Ni和不可避免的杂质。本发明实施例所述物品中，包含的高温合金中的元素优选方案与前述高温合金中的元素优选方案相同，在此不再一一赘述；本发明所述物品优选用于燃气涡轮发动机，更优选用于燃气涡轮发动机的热端部件。本发明对所述燃气涡轮发动机的型号没有特别限制，以本领域技术人员熟知的采用高温合金的型号即可；本发明对所述燃气涡轮发动机的其他条件没有特别限制，以本领域技术人员熟知的燃气涡轮发动机的常规条件即可。本发明实施例所述粉末镍基高温合金，作为用于燃气涡轮发动机的高温材料，特别适用于关键热端部件的镍基粉末冶金高温合金，以及由此制造的相关材料及其构件，本发明所述高温合金相对第二代粉末冶金高温合金具有更好的高温强度，合金承温能力比第二代粉末冶金高温合金进一步提高。本发明实施例为进一步提高高温合金的高温力学强度和稳定性，还提供了另外用于制造燃气涡轮发动机，特别是制造关键热端部件的具体技术方案，包括，本发明实施例提供一种物品，所述物品用于燃气涡轮发动机，且按质量百分比组成，包含由以下元素形成的高温合金：Co：19％；Cr：14％；Al：3.2％；Ti：3.5％；Ta：1.0％；W：2.0％；Mo：3.0％；Nb：0.5％；Hf：0.2％；C：0.03％；B：0.006％；Zr：0.03％，余量为Ni。以及本发明实施例还提供另一种物品，所述物品用于燃气涡轮发动机，且按质量百分比组成，包含由以下元素形成的高温合金：Co：18.8％；Cr：13％；Al：3.25％；Ti：3.45％；Ta：1.0％；W：1.9％；Mo：3.1％；Nb：1.0％；Hf：0.2％；C：0.05％；B：0.010％；Zr：0.03％，余量为Ni。本发明实施例提供的镍基高温合金，尤其是一种粉末冶金镍基高温合金，以及由此制备的燃气涡轮发动机，特别是燃气涡轮发动机的关键热端部件，针对合金高温承温能力不足，抗高温疲劳和蠕变能力较低、原始颗粒边界、组织稳定性等直接决定合金的高温性能和构件的寿命的问题，以及粉末冶金高温合金在服役中出现的有害相是材料及构件在长期服役过程中易产生疲劳裂纹导致失效的主要因素之一。本发明实施例通过调整W、Mo的含量来提高固溶强化效果，并降低TCP相含量；调整Co的含量可提高γ’固溶温度，有效增加合金可热处理性、和通过热处理优化合金性能的可行性；增加Ta来提高γ’相稳定性。另外，该合金调整了元素Hf、B的含量，从而提高了γ’相、MC相的稳定性，并有效改善原始颗粒边界(PPB)的析出；因此很好的解决了高温长期服役的镍基高温合金产生有害相的倾向，提升了合金材料的疲劳性能的问题。本发明应用先进的合金设计方法，充分发挥固溶强化、沉淀强化的作用，提升合金的高温力学性能、平衡了各强化元素W、Mo、Nb、Al、Ti、Ta在合金中的含量，经过筛选，设计了含Ta、中等Co含量的粉末冶金高温镍合金，实验结果表明，其各项指标优于典型的第二代粉末冶金高温合金。采用本发明所设计的高温合金，制备的物品，尤其制备燃气涡轮发动机，特别是制备其关键热端部件，均具有较好的力学性能和高温长期服役的稳定性，以及较好的合金承温能力。为了进一步说明本发明实施例，以下结合实施例对本发明提供的镍基粉末冶金高温镍合金进行详细描述。本发明实施例按照一定的合金成分配比制备得到两种粉末冶金高温镍合金140，包括合金140A和合金140B，并与现有的典型的第二代粉末冶金高温合金(Rene88(DT)，U720Li，FGH96)进行成分对比，对比结果，参见表1，表1为本发明实施例得到的高温合金(合金140A和合金140B)与第二代典型粉末冶金高温合金(Rene88(DT)，U720Li，FGH96)的成分对比。表1本实施例得到的高温合金(合金140A和合金140B)与第二代典型粉末冶金高温合金(Rene88(DT)，U720Li，FGH96)的成分对比(表中数字均为质量百分比)合金140A合金140BRene88(DT)U720LiFGH96Ni余量余量余量余量余量Co1919131513Cr1414161616Al3.23.22.12.52.2Ti3.53.53.75.03.7W2.02.04.01.254.0Mo3.03.04.03.04.0Ta1.01.0000.02Nb0.50.50.75(0.7)00.8Hf0.20.2000C0.030.050.04(0.03)0.0250.03B0.0060.010.02(0.015)0.0180.01Zr0.030.030.04(0.03)0.050.04从表1可以看出，本发明实施例设计的合金140A和140B与第二代粉末冶金高温合金比较具有以下特征：与Rene88相比，Al/Ti比提高，并增加了元素Co,Hf、Ta；与U720Li相比，Al/Ti比提高，并增加了元素Co,Nb、Ta和元素Hf；与国内FGH96相比，提高元素Co的质量，并增加了元素Al,Hf、Ta。对本发明实施例设计的合金140与第二代典型的粉末冶金高温合金进行性能检测。参见图1，图1为本发明实施例中的140A和140B与第二代典型的粉末冶金高温合金在850℃下的γ’强化相含量对比图。由图1可知，在850℃的高温条件下，本发明实施例设计的高温合金140A和140B，其γ’强化相含量高于Rene88、FGH96，和U720Li相当。参见图2，图2为本发明实施例中的合金140A和140B与第二代典型的粉末冶金高温合金的γ’相完全溶解温度对比图。由图2可知，本发明实施例设计的高温合金140A和140B，其γ’相固溶温度与U720Li相当，比Rene88提高约40℃，比FGH96提高约30℃。这表明本发明设计的高温合金的高温强化相--γ’相的稳定性明显优于第二代粉末冶金高温合金。参见图3，图3为本发明实施例中的合金140A和140B与第二代典型的粉末冶金高温合金的有害相σ相的最大摩尔含量对比图。由图3可知，本发明实施例设计的高温合金140A和140B，其σ相可形成的总量较小，这表明，本发明设计的高温合金对抑制和控制σ相的形成具有明一定的优势。参见图4，图4为本发明实施例中的合金140A和140B的凝固区间大于第二代典型的粉末冶金高温合金的固液相线的范围。从上述检测结果以及说明可以看出，本发明实施例设计的粉末冶金高温镍合金，相比原有的二代粉末冶金高温合金。提高了高温强度，提高了γ’相的稳定性，从而提高了合金的高温性能，并且降低了有害相的析出能力，材料的组织稳定性也有所提高，其各项指标优于典型的第二代粉末冶金高温合金。本实施例中还公开一种燃气涡轮发动机部件，所述部件的材质为如上述任一一种镍基高温合金。以上对本发明提供的一种镍基高温合金进行了详细的介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，包括最佳方式，并且也使得本领域的任何技术人员都能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，和实施任何结合的方法。应当指出，对于本
技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。本发明专利保护的范围通过权利要求来限定，并可包括本领域技术人员能够想到的其他实施例。如果这些其他实施例具有不是不同于权利要求文字表述的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的文字表述无实质差异的等同结构要素，那么这些其他实施例也应包含在权利要求的范围内。当前第1页1 2 3