CN101003874A - 一种高承温能力的镍基单晶高温合金 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高承温能力的镍基单晶高温合金,成分特征(wt%)如下:W:3~4%,Mo:3~4%,Ta:7~8%,Al:5~7%,Ti:0.5~1.5%,Cr:3~5%,Co:8~10%,Re:2~3%,Nb:0.5~1%,Ni:余量。本发明合金Re含量低于CMSX-4合金,在保证低成本的情况下,使合金的固溶温度提高了5~10℃,同时使室温拉伸性能及不同温度下的高温持久性能均高于对比合金,可满足高推重比航空发动机的需要。
Description
技术领域
本发明属于镍基单晶高温合金领域,更特别地说,是指一种适用于作为在高温(1100℃)下使用的航空发动机涡轮叶片等热端部件加工的合金材料。
背景技术
随着航空发动机向高推重比方向的发展,其涡轮前燃气进口温度不断提高,要求涡轮叶片、导向叶片等发动机热端部件具有更高的承温能力。为提高承温能力,目前常采用低Cr、高难溶(W、Mo、Nb、Ta、Re等)元素总量的合金化途径。尤其是Re的加入显著提高了镍基单晶合金的高温持久和蠕变性能。在单晶合金中添加3wt%和6wt%的Re后,其承温能力与第一代无Re单晶合金相比分别提高30℃和60℃,加Re已成为提高合金承温能力的一种有效合金化途径。然而Re的价格昂贵、比重大,从合金成本及应用前景等方面考虑,Re制约着单晶高温合金的发展与应用。研究少Re且承温能力强、抗氧化和腐蚀性能好、综合性能优越的低成本、长寿命的单晶高温合金更具竞争力和应用价值。
专利申请号200510046361.0,发明名称:一种含铼镍基单晶高温合金,公开了一种含铼镍基单晶高温合金及其制备工艺,按重量百分比计,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。
本发明的目的在于提供一种高承温能力的镍基单晶合金材料,具有低Re低成本且承温能力强的优势,可满足高推重比航空发动机的需要。
发明内容
本发明的一种高承温能力的镍基单晶高温合金,成分特征(wt%)如下:
W 3~4%, Mo 3~4%,
Ta 7~8%, Al 5~7%,
Ti 0.5~1.5%, Cr 3~5%,
Co 8~10%, Re 2~3%,
Nb 0.5~1%, Ni 余量。
本发明合金Re含量低于CMSX-4合金,在保证低成本的情况下,使合金的固溶温度提高了5~10℃,同时使室温拉伸性能及不同温度下的高温持久性能均高于对比合金,可满足高推重比航空发动机的需要。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明的一种高承温能力的镍基单晶高温合金,成分特征(wt%)如下:
W 3~4%, Mo 3~4%,
Ta 7~8%, Al 5~7%,
Ti 0.5~1.5%, Cr 3~5%,
Co 8~10%, Re 2~3%,
Nb 0.5~1%, Ni 余量。
本发明中的合金元素的作用及其成分范围的选择陈述如下:
Re、W、Mo都是固溶强化元素。Re主要进入γ固溶体,起到强化γ基体的作用;此外Re还具有延缓γ′相的粗化,阻止γ基体中位错运动的作用;但考虑到合金的成本,Re的加入量控制在2~3wt%。W主要进入γ相起固溶强化作用,少量参与γ′相组成,具有提高合金初熔温度的作用;同时W在合金中有较低的扩散速度,并能降低其它合金元素的扩散速度,可有效的提高合金的高温蠕变强度;但是过量加入易析出富W的TCP相,同时W的比重较大,综合考虑W的加入量为3~4wt%。Mo可固溶于γ相和γ′相,具有良好的固溶强化效果,并与W、Re相比具有比重小的优势;但在W、Mo、Re同时使用的高温合金中,易析出富W、Mo、Re的TCP相,所以Mo的加入量不能过高,控制在3~4wt%为宜。
Cr主要作用是提高合金的抗氧化、抗腐蚀性能;随着高温合金的发展,Cr的加入量不断降低,Cr含量的下降使合金对环境抗力降低,可通过平衡合金中的Al、Ta、Re的含量或采取表面防护涂层技术加以解决;目前第三代单晶合金的Rr含量在5wt%左右,本合金Cr的加入量Cr3~5wt%。
Nb是γ′相形成元素,对合金能提供高的蠕变强度和抗氧化抗腐蚀性能;在单晶高温合金中Nb的加入量一般均小于1wt%,过量的Nb减少了Ta在γ′相的含量,降低合金的高温强度,因此Nb的加入量为0.5~1wt%。
Ta是γ′和γ相形成元素,有利于合金的高温强度和抗氧化,抗腐蚀性能;本合金中W、Mo、Re的含量在8~11wt%之间,若Ta>9wt%易析出TCP相,Ta<7wt%弱化γ′强化效果,Ta含量以7~8wt%为宜。
Al和Ti是γ′相形成元素,对合金具有时效沉淀强化作用,保证合金的高温强度和持久性能;此外,Al在合金高温服役过程中形成氧化物保护膜,提高合金抗氧化和抗腐蚀性能,Ti对合金的抗腐蚀性能有利,单晶合金γ′含量可达65wt%,要求Al、Ti含量分别为5~7wt%,0.5~1.5wt%为宜。
Co进入γ固溶体和γ′相,可以增加Cr、Mo、W、C在γ基体中溶解度,提高固溶强化效果,根据以往合金设计经验,Co的含量为8~10wt%。
本发明合金可采用真空感应炉熔炼(熔炼温度1580℃,熔炼时间30分钟)母合金,在定向单晶炉中浇注试样及零件。本发明单晶合金与现有含3wt%Re的第二代单晶合金相比具有成本低的优势,但高温持久性却显著优于第二代单晶合金。
根据本发明合金的化学成分范围,在50kg的真空感应熔炼炉熔炼母合金,并在高温度梯度定向凝固炉中,采用螺旋选晶法将制成<001>取向的持久性能单晶合金试棒,同时取样进行热处理制度研究,对热处理后单晶合金试棒测试了室温拉伸性能和持久性能。本发明单晶合金的化学成分如表1所示,热处理制度见表2,性能测试结果如表3和表4所示。
为了同含3wt%Re的CMSX-4第二代单晶合金进行对比,在同样条件下熔炼制备CMSX-4母合金,并制成单晶合金试棒,分别进行了同样的试验项目,其化学成分,热处理制度及各项性能测试结果分别列于相应的表1、表2、表3和表4中。
表1本发明合金与对比合金的化学成分
合金 | Cr | Co | Mo | Al | Ti | W | Nb | Ta | Re | Ni |
本发明合金 | 4.51 | 9.94 | 3.54 | 5.71 | 1.01 | 3.68 | 0.55 | 7.74 | 2.58 | 余量 |
对比合金(CMSX-4) | 6.57 | 9.20 | 0.68 | 5.65 | 1.02 | 6.04 | 6.78 | 3.06 | 余量 |
表2本发明合金与对比合金的热处理制度
合金 | 热处理制度 |
本发明合金 | 1300℃/2hA C+1320℃/4hA C+1100℃/4hA C+870℃/30hA C |
对比合金(CMSX-4) | 1288℃/2hA C+1293℃/2hA C+1315/2hA C+1080℃/4hA C+870℃/20hA C |
表3本发明合金与对比合金室温拉伸性能
合金 | σP0.2 | σb | δ5/% | ψ/% |
本发明合金 | 960 | 1010 | 18.3 | 22.5 |
对比合金(CMSX-4) | 920 | 970 | 17.1 | 19.8 |
表4本发明合金与对比合金的持久性能
合金 | θ/℃ | σ/MPa | t/h | δ5/% | ψ/% |
本发明合金 | 760 | 810 | 317 | 23.5 | 28.6 |
980 | 310 | 229 | 29.4 | 30.6 | |
1070 | 160 | 277 | 25.2 | 29.4 | |
1100 | 137 | 191 | 14.6 | 35.7 | |
对比合金(CMSX-4) | 760 | 810 | 248 | 23.7 | 26.8 |
980 | 310 | 122 | 28.4 | 29.2 | |
1070 | 160 | 182 | 23.4 | 27.5 | |
1100 | 137 | 151 | 12.9 | 30.1 |
从发明的实施例与对比例可以看出,本发明合金Re含量低于CMSX-4合金,在保证低成本的情况下,使合金的固溶温度提高了5~10℃,同时使室温拉伸性能及不同温度下的高温持久性能均高于对比合金,可满足高推重比航空发动机的需要。
为了验证本发明合金材料对成分上的有效,本发明人作了多个成分的实验:各成分请见下表:合金的成分(wt%)
合金元素 | Co | Al | W | Mo | Ti | Ta | Cr | Nb | Re | Ni |
成分一 | 9.72 | 5.62 | 3.57 | 3.12 | 1.07 | 7.71 | 4.67 | 0.45 | 2.68 | 余量 |
成分二 | 9.57 | 5.73 | 3.42 | 3.51 | 1.10 | 7.83 | 4.48 | 0.51 | 2.45 | 余量 |
成分三 | 9.83 | 5.68 | 3.54 | 3.59 | 1.01 | 7.92 | 4.53 | 0.55 | 2.54 | 余量 |
成分四 | 9.93 | 5.64 | 3.62 | 3.49 | 1.08 | 7.81 | 4.71 | 0.48 | 2.62 | 余量 |
成分五 | 9.86 | 5.71 | 3.71 | 3.46 | 1.06 | 7.84 | 4.69 | 0.58 | 2.56 | 余量 |
Claims (3)
1、一种高承温能力的镍基单晶高温合金,其特征在于:成分特征(wt%)如下:
W 3~4%, Mo 3~4%,
Ta 7~8%, Al 5~7%,
Ti 0.5~1.5%, Cr 3~5%,
Co 8~10%, Re 2~3%,
Nb 0.5~1%, Ni 余量。
2、根据权利要求1所述的镍基单晶高温合金,其特征在于:所述合金的室温拉伸性能为σP0.2=960MPa,σb=1010MPa,δ5/%=18.3,ψ/%=22.5。
3、根据权利要求1所述的镍基单晶高温合金,其特征在于:所述合金的持久性能为
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