一种基于中高温持久性能的第四代镍基单晶高温合金

本发明属于镍基单晶高温合金，尤其是涉及一种基于中高温持久性能的第四代镍基单晶高温合金，其具有优良高温组织稳定性、中高温持久性能优异，适用于先进航空发动机的制造。

背景技术：

1、为提高航空发动机的推重比，新型航空发动机的高压涡轮前端进气口温度不断攀升，先进航空发动机的进气口最高温度可以达到2200k左右。这对航空发动机进气端涡轮叶片材料提出了较高的耐温要求和力学性能要求。而镍基单晶高温合金由于其优异的高温力学性能，被广泛用于航空发动机涡轮叶片的制造。为了适应航空发动机的性能需求，需要进一步开发高性能的镍基单晶高温合金，实现叶片强度的提高以及发动机性能的提升。同时，由于涡轮叶片不同区域的服役温度和应力状况存在差异，研发不同条件下力学性能均较为优异的镍基单晶高温合金也至关重要。

2、目前国际上已研发出第六代镍基单晶高温合金，随着合金代次的不断升高，合金的高温力学性能也不断得到优化。为了起到更好的强化作用，高代次合金中往往需要加入较高含量的重元素，例如铼、钼和钨，其中铼元素对于镍基单晶高温合金的高温性能的提升较为显著。从第二代单晶合金到第五代单晶高温合金，铼含量从2wt.％上升到了大约6wt.％。为了保持组织稳定性，从第四代单晶合金开始加入约2wt.％钌元素，到第五代合金钌含量大约上升至5wt.％。由于铼和钌元素的价格较高，且铼的加入显著提高合金的密度，不利于合金的服役，因此在新型合金的开发中，需要限制铼元素和钌元素含量的进一步上升。钼元素和钨元素作为典型的强化元素，价格都显著低于铼，且钼元素密度较低，因此钼和钨受到了广泛的关注。因此探究钼和钨的最优含量与比例对于新型合金的开发也至关重要。

3、在高温长时间服役的过程中，以铼为代表的重元素促进拓扑密堆积相(tcp相)的析出。tcp相的析出大量消耗关键强化元素，并造成局部应力集中，损害了合金的高温力学性能，因此需要调整合金元素的设计，制备组织稳定高的合金，且能够维持优异的中高温力学性能。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对目前高性能航空发动机的需求，设计一种具有优异中高温持久性能的第四代镍基单晶高温合金。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于中高温持久性能的第四代镍基单晶高温合金，其特征在于，按重量百分比计，合金化学成分如下：

3、铬2wt.％-4wt.％，钴3wt.％-7wt.％，钼1wt.％-5wt.％，钨6.5wt.％-8wt.％，钽6wt.％-8wt.％，铝4wt.％-7.5wt.％，铪0.05wt.％-0.25wt.％，铼2wt.％-6wt.％，钌1wt.％-3wt.％，钇0wt.％-0.02wt.％，余量为镍；

4、且按重量百分比计，0.17<钼/钨<0.7，8.5wt.％<钼+钨<12wt.％。

5、进一步的，按重量百分比计，合金化学成分如下：铬2wt.％-4wt.％，钴4wt.％-6.5wt.％，钼1wt.％-4.5wt.％，钨6.5wt.％-7wt.％，钽6wt.％-7wt.％，铝4wt.％-6wt.％，铪0.05wt.％-0.25wt.％，铼3wt.％-5.5wt.％，钌2wt.％-3wt.％，钇0wt.％-0.02wt.％，余量为镍。

6、进一步的，合金在1100℃下的元素有效扩散系数为2.3-4.5*10-19m2/s。

7、本发明的镍基单晶高温合金主要由基体相γ相和强化相γ′相组成，其中γ′相主要起到沉淀强化的作用，al和ta的含量用以保持γ′相的含量和体积分数。al和ta还可以维持合金的抗氧化性和抗腐蚀性。本发明控制al含量4wt.％-7.5wt.％，ta含量6wt.％-8wt.％。

8、cr元素常用于提高合金的抗氧化性和抗热腐蚀性，然而过量cr元素的添加会加速tcp相的析出，破坏组织稳定性，因此，cr含量控制在2wt.％-4wt.％。

9、co和ru可以作为组织稳定性元素，抑制tcp相的析出。然而co的添加会显著降低γ′相固溶温度，降低高温服役下的γ′相的含量，因此控制co含量3wt.％-7wt.％。ru元素添加过高会显著增加合金的成本，因此本发明不在现有四代单晶的基础上进一步提高ru含量，控制ru元素含量1wt.％-3wt.％。

10、mo、w和re是主要的固溶强化元素，其中re和mo主要分配在γ相中，显著增长γ和γ′相之间的错配度，稳定相界面的错配位错网，从而提高蠕变抗力。w在两相之间并没有显著的分配趋势，对两相都有较强的固溶强化作用。同时，mo、w和re三种元素都是tcp相形成元素，因此控制w含量6wt.％-8wt.％，mo含量1wt.％-5wt.％，re含量控制在2wt.％-6wt.％。由于re成本和密度较高，本发明在现有四代单晶的基础上不再进一步提高re含量，因此本发明通过协调控制mo，w含量之间的关系，使mo和w的总含量限制在8.5wt.％至12wt.％之间，在保证强化作用的同时，一定程度延缓tcp相的析出，提高合金的组织稳定性。同时，mo的大量添加会降低合金的固相线和γ′相固溶温度，w则相反，为了便于热处理制度的设计和维持高温下一定含量的沉淀强化相γ′相，限定mo和w的质量百分比0.17<mo/w<0.7。

11、hf元素有助于提高合金高温下的耐蚀性能，然而过量hf的添加会降低合金的初熔温度；y的添加可以与合金中残留的氧、硫、磷等元素反应，形成除杂的效果，然而过量y的添加会与坩埚反应形成杂质，因此，本发明中控制hf含量0.05wt.％-0.25wt.％，y含量0wt.％-0.02wt.％。

12、高温持久蠕变过程中合金中元素的扩散过程与蠕变性能密切相关，而中低温下元素扩散被有效抑制，对蠕变性能影响不大。元素的有效扩散系数越大，高温下位错的攀移越快，两相组织退化以及元素枝晶偏析变化越快，越不利于蠕变抗力的保持。因此通过调整元素限制合金1100℃下的有效扩散系数为2.3-4.5*10-19m2/s。

13、本发明的有益效果是，1)有效限制了元素在高温1100℃下的扩散，提高了1100℃下的持久寿命；2)通过调整mo和w的含量比例与总量，在与第四代合金re和ru含量处于相同水平的基础上，中高温持久寿命优于部分商用第三、四代镍基单晶高温合金，适用于航空发动机涡轮叶片等热端部件的制备；3)本发明提供的合金基于协同调控关键强化元素，在中高温下具有良好的组织稳定性。

技术特征：

1.一种基于中高温持久性能的第四代镍基单晶高温合金，其特征在于，按重量百分比计，合金化学成分如下：

2.根据权利要求1所述的基于中高温持久性能的第四代镍基单晶高温合金，其特征在于，按重量百分比计，合金化学成分如下：

3.根据权利要求1所述的基于中高温持久性能的第四代镍基单晶高温合金，其特征在于：合金在1100℃下的元素有效扩散系数为2.3-4.5*10-19m2/s。

技术总结
本发明公开了一种基于中高温持久性能的第四代镍基单晶高温合金，其特征在于，按重量百分比计，合金化学成分如下：铬2wt.％‑4wt.％，钴3wt.％‑7wt.％，钼1wt.％‑5wt.％，钨6.5wt.％‑8wt.％，钽6wt.％‑8wt.％，铝4wt.％‑7.5wt.％，铪0.05wt.％‑0.25wt.％，铼2wt.％‑6wt.％，钌1wt.％‑3wt.％，钇0wt.％‑0.02wt.％，余量为镍；且按重量百分比计，0.17<钼/钨<0.7，8.5wt.％<钼+钨<12wt.％。本发明基于协同调控关键强化元素，开发了一种具有优良组织稳定性的镍基单晶高温合金，该合金中高温性能优于部分商用化的第四代镍基单晶高温合金，适用于航空发动机涡轮叶片等热端部件的制备。

技术研发人员：赵新宝,程远,潘青海,夏万顺,谷月峰,岳全召,张泽
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14