一种综合性能优异的高强镍基单晶高温合金的制作方法

本发明涉及镍基单晶高温合金
技术领域：
，具体涉及一种综合性能优异的高强镍基单晶高温合金，主要适用于在高温复杂条件下承受较高应力的零部件材料。
背景技术：
：镍基单晶高温合金具有优良的高温性能，是目前制造先进航空发动机和燃气轮机叶片的主要材料。20世纪80年代以来，相继发展和应用了第一代、第二代、第三代和第四代单晶高温合金，相应的每代单晶高温合金使用温度都被提高了近25℃。但是，随着单晶高温合金的不断发展，re和ru等贵重难熔元素含量不断增多，合金成本和密度也不断增加。同时，re元素的不断添加还明显恶化了合金组织稳定性。为了降低合金成本和提高其组织稳定性，从21世纪开始，人们又发展了系列无re高强二代单晶合金。但是，与含re二代单晶合金相比，无re二代单晶合金1000℃以上的高温力学性能相对较低。另外，对比研究发现，无re二代单晶合金的抗热腐蚀性能也明显不如含re二代单晶合金。针对上述背景，考虑到近海洋环境下使用的长寿命涡扇/涡轴/涡桨发动机可能存在一定的热腐蚀环境，人们期望获得一种综合性能优异的高强镍基单晶高温合金。该合金不仅具有较高的高温力学性能、良好的组织稳定性，还具有优良的抗氧化性能，以及相对较好的抗热腐蚀性能。技术实现要素：本发明的目的是提供一种综合性能优异的高强镍基单晶高温合金，该合金不仅具有较高的高温力学性能、良好的组织稳定性，还具有优良的抗氧化性能，以及相对较好的抗热腐蚀性能。为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种综合性能优异的高强镍基单晶高温合金，所述合金的组成成分构成和各成分的质量百分含量满足下述要求：cr：5.5～7.5％，co：5.0～7.0％，mo：0.5～1.0％，w：7.5～10.0％，ta：5.5～7.0％，al：5.5～6.7％，ti：0.3～1.2％，re：1.0～2.0％，si：0～0.15％，c：0～0.1％，hf：0～0.2％，其余为ni，nv≤2.1。本发明提供的综合性能优异的高强镍基单晶高温合金，按重量百分比计，优化后的合金成分范围满足下述要求：cr：6.0～6.8％，co：5.5～6.5％，mo：0.5～0.8％，w：7.5～8.5％，ta：5.7～6.5％，al：5.5～6.3％，ti：0.4～1.0％，re：1.2～1.7％，si：0.04～0.1％，c：0.02～0.06％，hf：0.05～0.15％，其余为ni，nv≤2.1。本发明提供的综合性能优异的高强镍基单晶高温合金，所述镍基单晶高温合金中，杂质的成分和质量百分含量满足下述要求：o≤0.001，n≤0.001，s≤0.001，zr≤0.0075，mn≤0.01，p≤0.005，cu≤0.05，mg≤0.008，se≤0.0003，pb≤0.0002，te≤0.00005，bi≤0.00003，sn≤0.0015。本发明合金(合金牌号取名为dd4515)的化学成分设计主要基于如下理由：本合金研制的思路是探索适中的re含量，提高合金的抗热腐蚀性能和组织稳定性；通过提高γ'相含量和难熔元素(尤其是re)的分配比，提高合金高温力学性能。re是高温合金中有效的固溶强化元素，能降低高温蠕变、持久过程中的元素扩散速率，显著提高合金的力学性能。同时，re提高了cr和ti元素的活度，促进了单晶合金cr2o3和nitio3的形成，抑制nio的形成，保证合金表面cr2o3膜的完整致密性，从而延长合金的热腐蚀孕育期，提高单晶合金的热腐蚀性能。当re含量≥1.0％时，合金热腐蚀动力学曲线还明显具有多阶段抛物线规律。但是，过量的re也会促进tcp相析出。另外，re作为战略资源，价格较贵。近期研究发现，当γ'相体积分数达到65％以上时，si元素的添加可明显改变re、w元素的分配比，即促进更多的re和w偏聚在γ基体。因此，将re的含量控制在1.0～2.0％。w、mo、ta是除re元素之外最重要的难熔元素。w和mo主要偏聚在γ基体，而ta主要偏聚在γ'相中。另外，研究发现ta元素的添加还可以促进w和mo元素的偏析。同时，ta元素增加γ'相的点阵常数，而w和mo元素则增加γ相的点阵常数，通过三者的有机结合，可改变合金的高温错配度，进而提高合金的高温力学性能。w、mo是高温合金中最重要的固溶强化元素。但它们都是促进tcp相形成元素，对于合金的组织稳定性十分不利。另外，高mo的合金，常发生灾难性的腐蚀。因此，合金mo含量为0.5～1.0％，w含量为7.5～10.0％。适量si的加入可提高合金的抗氧化性能，同时改变难熔元素在γ和γ'两相中的分配比(促进更多的re和w元素进入γ基体)，进而提高合金的高温力学性能。但过量si的加入会降低合金的组织稳定性，因此，将c含量控制在0-0.15％。al、ti、ta是高温合金中最主要的沉淀强化γ'相形成元素。al还能明显提高合金的抗氧化性能。随着al含量增加，合金γ'强化相的体积分数明显增加。所以，为了最大程度增加γ'相体积分数，合金的al含量控制在5.5～6.7％。ti还有利于提高合金的抗热腐蚀性能，但高ti合金的抗氧化性能相对较差。所以，合金的ti含量控制在0.3～1.2％。ta除了有效地提高合金的热强性以外，同时还能增加合金的抗氧化性能、耐腐蚀性能和铸造性能，但ta过高，合金中共晶含量高，使合金的热处理变得极为困难。结合这些因素本发明控制ta含量在5.5～7.0％。cr在ni基高温合金中最主要的作用是增加抗氧化和耐蚀能力，但是合金中cr含量过高时会引起拓扑密排相(tcp)的析出。所以该镍基单晶高温合金中cr含量为5.5～7.5％。co对tcp相有抑制作用，扩大热处理窗口，但过高的co含量会降低固溶温度，导致合金高温性能的降低，为保证合金的高温性能，co含量控制在5.0～7.0％。适量c的加入可提高合金的铸造性能，降低合金的再结晶倾向，特别是c的加入生成小尺寸颗粒状碳化物能够强化晶界，从而提高单晶合金的小角晶界容限，进而提高合金的成品率。但过量c的加入会降低合金的性能，因此，将c含量控制在0-0.1％。适量hf的加入可提高氧化膜的塑性和粘附力，明显增加合金的抗循环氧化性能，改善涂层与基体的相容性。因此，将hf含量控制在0～0.2％。本发明高强镍基单晶高温合金不仅具有较高的高温力学性能、良好的组织稳定性，还具有优良的抗氧化性能，以及相对较好的抗热腐蚀性能。本发明的优点及有益效果说明如下：(1)与现有的典型第二代高强镍基单晶高温合金相比，本发明合金re含量较低，合金成本相对较低。(2)与现有的无re第二代高强镍基单晶高温合金相比，本发明合金具有相对较好的抗热腐蚀性能和高温力学性能。(3)本发明合金的持久性能达到典型第二代高强单晶高温合金水平，980℃/248mpa下持久寿命>200h，1000℃/235mpa下持久寿命>100h。(4)本发明合金在900℃长期时效组织稳定。附图说明图1为本发明合金与现有技术中第一代单晶高温合金cmsx-2和第二代单晶高温合金cmsx-4的larson-miller曲线比较图；图2为不同re含量对本发明合金900℃热腐蚀性能的影响；图3为本发明合金900℃长期时效2000h后显微组织。具体实施方式以下实施例将对本发明予以进一步的说明，但并不因此而限制本发明。具体制备方法要求：采用真空感应炉熔炼，先浇注成化学成分符合要求的母合金，然后再制备单晶试棒，使用前须经过热处理。实施例1-3：本发明镍基单晶高温合金试样的化学成分均参见表1。本发明合金利用纯ni、co、cr、w、mo、ta、ti、al、re、si、c、hf等元素在真空感应炉中熔炼(精炼温度：1520±10℃，精炼时间20min，精炼期真空度≤3pa)，并浇注成化学成分符合要求的母合金，然后再通过定向凝固设备(高速凝固法或液态金属冷却法，1550℃浇注，定向凝固抽拉速率为3mm/min))重熔、利用螺旋选晶器或仔晶法定向凝固成单晶试棒。使用前需经过热处理。热处理制度为：1290℃/2h/ac+1320℃/6h/ac+1150℃/4h/ac+900℃/20h/ac(ac：空冷)。为了方便对比，表1中也列出了典型第一代镍基单晶高温合金cmsx-2和典型的第二代单晶高温合金cmsx-4的化学成分。表1本发明合金(实施例1-8)和cmsx-2、cmsx-4的化学成分组成列表(wt.％)合金crcowmotaaltiresichfni实施例17.25.58.30.66.56.10.51.30.040.040.1余实施例25.96.47.60.96.05.60.91.80.070.020.07余实施例36.66.07.80.56.15.90.91.50.040.030.13余实施例47.16.07.60.66.05.71.01.50.040.030.1余实施例57.16.07.60.66.05.71.000.040.030.1余实施例67.16.07.60.66.05.71.02.80.040.030.1余cmsx-28.05.08.00.66.05.61.0----余cmsx-46.596.00.66.55.61.03.0-0.050.1余注：表中ni含量一栏的“余”含义为“余量”。本发明实施例1、例2合金和典型的第一代镍基单晶高温合金cmsx-2和典型的第二代单晶高温合金cmsx-4的larson-miller曲线比较见图1。本发明合金的持久性能接近cmsx-4合金，明显高于cmsx-2合金。本发明实施例4、例5和例6合金的900℃热腐蚀性能的比较见图2。含1.5％re合金的热腐蚀性能与含3％re合金相当，明显优于无re合金。本发明合金完全热处理后，进行900℃长期时效实验，长期时效2000h后没有tcp相析出。本发明实施例5合金长期时效后组织见图3。当前第1页12