專利名稱：一種含錸鎳基單晶高溫合金及其制備工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及含錸單晶高溫合金及熱處理等制備技術(shù)，特別提供了一種抗蠕變強(qiáng)度高、高溫持久壽命長(zhǎng)含錸(Re)鎳基單晶高溫渦輪工作葉片材料及制備該材料的工藝制度。
背景技術(shù)：
隨著發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前溫度的提高，對(duì)渦輪葉片，特別是高壓渦輪葉片的耐高溫和強(qiáng)度性能水平，提出了越來越高的要求。20世紀(jì)80年代以來，單晶高溫合金渦輪葉片的研制已成為現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與制造的重大關(guān)鍵技術(shù)之一。目前，推重比為10的航空發(fā)動(dòng)機(jī)F119(美)、F120(美)、GE90(美)、EJ200(英、德、意、西)、M88-2(法)、P2000(俄)等都選用了單晶合金作為葉片材料。相繼研究和應(yīng)用的第二代、第三代單晶合金，分別比第一代單晶高溫合金的承溫能力提高約30℃和60℃。近年來出現(xiàn)的第四代單晶合金RR3010的承溫能力達(dá)到1180℃，用在英國(guó)RR公司最新研制的Trent發(fā)動(dòng)機(jī)上。
美國(guó)的Howmet公司、GE公司、PCC公司、Allison公司以及英國(guó)RR公司，法國(guó)的CNECMA公司，俄羅斯的SALUT發(fā)動(dòng)機(jī)制造廠等廠商均大量生產(chǎn)單晶零件，品種包括渦輪工作葉片、導(dǎo)向葉片、葉片內(nèi)外環(huán)、噴嘴扇形段、封嚴(yán)塊、燃油噴嘴等，用于軍用和商用飛機(jī)、坦克、艦船、工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)、導(dǎo)彈、火箭、航天飛機(jī)等。單晶高溫合金的應(yīng)用范圍越來越廣泛，特別是采用單晶合金制備渦輪工作葉片已經(jīng)成為先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的主要趨勢(shì)。
熱處理對(duì)單晶合金的持久強(qiáng)度有明顯的影響，例如在MC2單晶合金中，固溶處理只要在1300℃保溫3小時(shí)即可，第一代單晶高溫合金除了PWA1480外，都較容易均勻化處理。而第三代單晶高溫合金中由于含有大量的合金元素，特別是Ta和W都促進(jìn)(γ+γ′)共晶相的形成，因此未經(jīng)熱處理的凝固組織中含有相當(dāng)多的(γ+γ′)共晶。實(shí)驗(yàn)表明采用簡(jiǎn)單的等溫固溶熱處理不可能消除這些共晶相，必須采用復(fù)雜的熱處理工藝，才能基本消除共晶相。例如CMSX-10M單晶高溫合金為了完全消除這些(γ+γ′)共晶，先進(jìn)行預(yù)處理1337℃/3h，然后以3℃/h升溫速率升到1367℃，保溫3小時(shí)空冷。Erikson在CMSX-10固溶熱處理時(shí)采用1366℃保溫時(shí)間達(dá)30～35h。因此，必須仔細(xì)研究單晶合金的熱處理制度，以充分發(fā)揮合金的潛力。正確的熱處理制度要使立方γ′相能獲得理想的蠕變強(qiáng)度，原因是要促進(jìn)一個(gè)均勻的變形結(jié)構(gòu)，以保證低的蠕變速率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種含Re單晶高溫合金及其制備工藝，用于要求抗蠕變強(qiáng)度高、高溫持久壽命長(zhǎng)的高溫渦輪工作葉片材料及制備該材料的工藝制度。
本發(fā)明的技術(shù)方案是本發(fā)明含Re鎳基單晶高溫合金(以下簡(jiǎn)稱為DD32)包含以下合金成分(重量百分比)C 0.12～0.18，Cr 4.3～5.6，Al 5.6～6.3，Co 8.0～10.0，Mo 0.8～1.4，W 7.7～9.3，Nb 1.4～1.8，Ta 3.5～4.5，Re 3.5～4.5，Y 0.001～0.005，Ni余。
還包括加入0.005～0.025％RE(混合稀土)。本發(fā)明合金允許存在的雜質(zhì)及氣體含量范圍，如表1所示。
表1 DD32單晶雜質(zhì)含量(wt％)

本發(fā)明設(shè)計(jì)原理如下本發(fā)明主要是加入較多的鋁形成高體積分?jǐn)?shù)的γ′相來提高其強(qiáng)度；Re的加入無論對(duì)單晶合金還是對(duì)定向合金的耐溫能力的提高都有很大作用。Re主要進(jìn)入γ基體中，形成尺寸為～1nm的短程有序的Re原子團(tuán)，可有效地阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，它降低合金元素?cái)U(kuò)散速率，阻止γ′相粗化，并提高γ/γ′錯(cuò)配度。另外，約有20％的Re進(jìn)入γ′相，直接強(qiáng)化γ′相。Re的加入有助于降低單晶鑄件的晶粒缺陷和表面再結(jié)晶，而且對(duì)合金的抗環(huán)境性能也有好處。Re加入到高溫合金中可以有效地阻礙γ′相的粗化，提高γ′相的粗化激活能，從而可以改善單晶高溫合金的高溫力學(xué)性能。通過加入鈮進(jìn)一步增加γ′相數(shù)量，提高了γ-γ′的晶格錯(cuò)配度，增強(qiáng)了γ′相的強(qiáng)化作用，同時(shí)還形成γ″相增強(qiáng)其室溫和中溫力學(xué)性能；加入一定量的碳，一方面來強(qiáng)化晶界，另一方面與鉭、鈮、鉻等形成較多的碳化物來強(qiáng)化合金；鎢、鉬等合金元素主要起固溶強(qiáng)化合金的重要作用，W+Mo含量是增加蠕變壽命的重要參數(shù)，隨著它們含量的增加蠕變壽命隨之而增加。Co對(duì)合金的熱強(qiáng)性影響不大，但能顯著提高合金的塑性，而且Co能提高高應(yīng)力下的蠕變壽命。Y的加入(200ppm)可以明顯改善單晶合金的抗氧化性能，而且對(duì)熱疲勞性能也有好處。合金中加入RE進(jìn)行微合金化，有利于枝晶組織的細(xì)化強(qiáng)化晶界，控制合金中硫含量，提高持久壽命。本發(fā)明合金試樣采用國(guó)際上通行的定向凝固技術(shù)制備，消除了橫向和縱向晶界，提高了合金的初熔溫度。
本發(fā)明含Re鎳基單晶高溫合金的制備工藝，采用真空感應(yīng)爐熔煉母合金，單晶生長(zhǎng)爐溫度梯度在60K/cm～100K/cm范圍，單晶生長(zhǎng)速率在2～10mm/min范圍內(nèi)制備單晶葉片或試棒；然后在1270～1300℃范圍內(nèi)2～6小時(shí)固溶處理，隨后進(jìn)行空冷，接著在1260～1290℃范圍內(nèi)2～6小時(shí)進(jìn)行均勻化處理，隨后進(jìn)行空冷；然后在1100～1150℃范圍內(nèi)3～6小時(shí)進(jìn)行高溫時(shí)效處理，接著在850～890℃范圍內(nèi)進(jìn)行16～36小時(shí)低溫時(shí)效處理，隨后進(jìn)行空冷。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)1、采用本發(fā)明獲得的材料具有高的持久強(qiáng)度極限和蠕變極限。
2、采用本發(fā)明獲得的材料具有高溫抗氧化及抗熱腐蝕性能好，熱穩(wěn)定性高。
3、采用本發(fā)明獲得的材料具有拉伸和持久塑性好。
4、采用本發(fā)明獲得的材料具有好的抗熱疲勞及機(jī)械疲勞性能。
5、本發(fā)明熱處理窗口寬，固溶處理易于控制。
6、本發(fā)明制備工藝合理，生產(chǎn)效率高。
7、采用本發(fā)明熱處理制度可以使99％以上的鑄態(tài)γ′溶解，析出均勻分布和規(guī)則排列的細(xì)小(0.4～0.5μm)的立方體γ′相，并在γ基體上析出更細(xì)(～0.3μm)的γ′相，并使該單晶組織穩(wěn)定，易于控制加強(qiáng)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的效果，提高蠕變強(qiáng)度。


圖1為L(zhǎng)arson-Miller(拉森-米勒)曲線。圖中參數(shù)P為一個(gè)關(guān)系式，無具體含義，T為溫度(K)，t為時(shí)間(小時(shí))。
具體實(shí)施例方式
下面通過實(shí)施例詳述本發(fā)明。
本發(fā)明實(shí)驗(yàn)用母合金經(jīng)ZG-0.025B型真空感應(yīng)爐熔煉，將燒結(jié)好的Ni-Re預(yù)制塊放到坩堝底部，再依次放入其他元素。升溫前抽真空直到最大真空度，升溫至1300℃左右關(guān)掉真空泵充氬氣，繼續(xù)升溫，直至完全熔化再抽真空、精煉、出爐。澆鑄成尺寸為φ80×500mm的母合金錠，然后打磨去除氧化皮切成合適的塊料用于制備單晶試樣。
本發(fā)明單晶試樣用螺旋選晶法在ZGG-0.02型真空感應(yīng)爐上進(jìn)行制備。定向凝固爐的加熱系統(tǒng)的功率為30KW，采用低電壓大電流、高純石墨感應(yīng)發(fā)熱體加熱。采用可控硅控制抽拉速率，結(jié)晶器抽拉速率在0.1-1000mm/min范圍內(nèi)無級(jí)可調(diào)。真空系統(tǒng)由擴(kuò)散泵和前置機(jī)械泵組成，抽氣速率為30mm/min，工作真空度為10-5Torr。定向凝固試樣的制備在定向凝固爐上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)用模殼為剛玉型殼，模殼放在銅水結(jié)晶器上，將制備好的母合金裝入CaO坩堝內(nèi)，定向凝固爐抽成真空狀態(tài)，送電加熱，待合金熔化后，用W-Re電偶測(cè)量合金熔體溫度，在1600℃時(shí)進(jìn)行澆鑄，保溫10分鐘后，用預(yù)定速率進(jìn)行抽拉，制備出定向試樣。
實(shí)施例1本實(shí)施例成分見表2，單晶生長(zhǎng)爐溫度梯度范圍80K/cm，單晶生長(zhǎng)速率為4mm/min，試樣經(jīng)1295℃/4h AC.(AC.為空冷)+1285℃/4h AC.+1150℃/4h AC.+850℃/24h AC.熱處理，單晶合金的性能如表3和圖1所示。本發(fā)明引用其中DZ4、DZ22、Rene N4、DD3、SRR99和DD6等合金的力學(xué)性能數(shù)據(jù)都是公開發(fā)表的。
表2合金成分，wt％

表3 100小時(shí)持久強(qiáng)度/MPa

根據(jù)圖1所示，本發(fā)明的DD32單晶合金高溫抗力比第一代單晶合金SRR99在低應(yīng)力條件下具有30℃的優(yōu)勢(shì)，高應(yīng)力下具有60℃優(yōu)勢(shì)。在980℃～1100℃內(nèi)比目前國(guó)內(nèi)典型第二代單晶合金DD6持久強(qiáng)度高出約10MPa。
實(shí)施例2與實(shí)施例1不同之處在于，本實(shí)施例的合金成分(表4所示)。單晶生長(zhǎng)爐溫度梯度范圍70K/cm，單晶生長(zhǎng)速率為6mm/min。經(jīng)1285℃/4h AC.+1275℃/4hAC.+1100℃/4h AC.+870℃/24h AC.熱處理。與DZ4、DZ22、Rene N4和DD3合金做持久強(qiáng)度對(duì)比，結(jié)果見表5。
表4合金成分，wt％

表5一些合金100小時(shí)持久強(qiáng)度/MPa

由表5可知，本發(fā)明的DD32單晶合金900℃以上的持久強(qiáng)度比典型的定向高溫合金(DZ4、DZ22)及第一代單晶合金(DD3、ReneN4)具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。
實(shí)施例3與實(shí)施例1不同之處在于，本實(shí)施例的合金成分見表6所示，單晶生長(zhǎng)爐溫度梯度范圍70K/cm，單晶生長(zhǎng)速率為6mm/min，經(jīng)1290℃/4h AC.+1280℃/4hAC.+1100℃/4h AC.+870℃/24h AC.熱處理后，DD32單晶與SRR99各典型溫度的拉伸性能對(duì)比結(jié)果如表7所示。DD32單晶在900℃以下各典型溫度拉伸性能與SRR99相差不大，但在1000℃和1100℃拉伸強(qiáng)度具有明顯的優(yōu)勢(shì)。
表6合金成分，wt％

表7 DD32單晶與SRR99各典型溫度的拉伸性能對(duì)比

實(shí)施例4與實(shí)施例1不同之處在于，本實(shí)施例的合金成分見表8所示，單晶生長(zhǎng)爐溫度梯度范圍約80K/cm，經(jīng)1290℃/4h AC.+1280℃/4h AC.+1100℃/4h AC.+890℃/16h AC.熱處理后，DD32單晶的1000℃時(shí)蠕變結(jié)果如表9所示；表10為某些第一代單晶1000℃的蠕變強(qiáng)度。
表8合金成分，wt％

采用真空感應(yīng)爐冶煉實(shí)驗(yàn)?zāi)负辖?，冶煉坩堝選用CaO坩堝，測(cè)溫系統(tǒng)為W-Re電偶和JH-5型紅外光導(dǎo)溫度/真空度測(cè)試儀，測(cè)溫保護(hù)套管為外層涂覆ZrO2(CeO穩(wěn)定)和BN的Mo-Al2O3金屬陶瓷管。操作過程為將碳、鎳硼中間合金、鉻、鎢、鉬、鈮合金元素以及鎳板裝入坩堝中；抽真空，給小電流烘堝排除附著氣體，當(dāng)真空度達(dá)10-3Pa時(shí)，增加功率熔化合金；熔化完畢后，在1600℃精煉5～7min，停電、結(jié)膜、破膜加入Al及Al-Y中間合金及混合稀土RE，然后大功率攪拌，攪拌后停電降溫，大電流沖擊破膜，在1450℃澆鑄成母合金錠。
表9 DD32單晶在1000℃時(shí)不同應(yīng)力條件下的蠕變

表10一些單晶合金在1000℃時(shí)蠕變強(qiáng)度

由表9和表10可知，DD32單晶合金比第一代單晶合金具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，抗蠕變性能優(yōu)異。
權(quán)利要求
1.一種含錸鎳基單晶高溫合金，其特征在于按重量百分比計(jì)，合金成分包括C 0.12～0.18，Cr 4.3～5.6，Al 5.6～6.3，Co 8.0～10.0，Mo 0.8～1.4，W 7.7～9.3，Nb 1.4～1.8，Ta 3.5～4.5，Re 3.5～4.5，Y 0.001～0.005，Ni余。
2.按照權(quán)利要求1所述含錸鎳基單晶高溫合金，其特征在于還包括0.005～0.025％RE。
3.按照權(quán)利要求1含錸鎳基單晶高溫合金的制備工藝，采用真空感應(yīng)爐熔煉母合金，其特征在于在單晶生長(zhǎng)爐溫度梯度范圍60K/cm～100K/cm，單晶生長(zhǎng)速率為2～10mm/min范圍內(nèi)制備單晶葉片或試棒；然后在1270～1300℃范圍內(nèi)2～6小時(shí)固溶處理，隨后進(jìn)行空冷，接著在1260～1290℃范圍內(nèi)2～6小時(shí)進(jìn)行均勻化處理，隨后進(jìn)行空冷；然后在1100～1150℃范圍內(nèi)3～6小時(shí)進(jìn)行高溫時(shí)效處理，接著在850～890℃范圍內(nèi)進(jìn)行16～36小時(shí)低溫時(shí)效處理，隨后進(jìn)行空冷。
全文摘要
本發(fā)明涉及含錸單晶高溫合金及熱處理等制備技術(shù)，具體為一種含錸鎳基單晶高溫合金及其制備工藝。按重量百分比計(jì)，合金成分包括C 0.12～0.18，Cr 4.3～5.6，Al 5.6～6.3，Co 8.0～10.0，Mo 0.8～1.4，W 7.7～9.3，Nb 1.4～1.8，Ta 3.5～4.5，Re 3.5～4.5，Y 0.001～0.005，RE 0.005～0.025％，Ni余。采用真空感應(yīng)爐熔煉母合金，在單晶生長(zhǎng)爐溫度梯度范圍60K/cm～100K/cm，單晶生長(zhǎng)速率為2～10mm/min范圍內(nèi)制備單晶葉片或試棒；然后進(jìn)行固溶均勻化處理、高溫時(shí)效處理、低溫時(shí)效處理。采用本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)材料具有高的持久強(qiáng)度極限和蠕變極限；高溫抗氧化及抗熱腐蝕性能好，熱穩(wěn)定性高；拉伸和持久塑性好；好的抗熱疲勞及機(jī)械疲勞性能；熱處理窗口寬，固溶處理易于控制；本發(fā)明制備工藝合理，生產(chǎn)效率高。
文檔編號(hào)C22C1/03GK1858281SQ20051004636
公開日2006年11月8日 申請(qǐng)日期2005年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月30日
發(fā)明者于金江, 金濤, 趙乃仁, 侯桂臣, 孫曉峰, 王志輝, 于洋, 管恒榮, 胡壯麒 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院金屬研究所