CN101525706B - 一种镍基单晶高温合金中提高高温抗蠕变性能的改性方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种镍基单晶高温合金中提高高温抗蠕变性能的改性方法，包括：镍基单晶高温合金A，其成分包括有：5.5～6.5wt％的Al，2.5～3.5wt％的W，3～3.5wt％的Re，2.5～3.5wt％的Mo，4.5～5.5wt％的Cr，9.5～10.5wt％的Co，0.05～0.15wt％的Hf，0.5～1.5wt％的Nb，5.0～6.0wt％的Ta，其余为Ni。在合金A中加入微量元素碳、硼后，得到改性合金Mod A。在850℃/430MPa、950℃/210MPa、1050℃/165MPa三种蠕变条件下，改性合金Mod A第三阶段的高温抗蠕变性能得到了明显的提高，其持久性能比原合金A分别提高了40～50h、500～520h和50～60h，可使用于高性能长寿命航空发动机涡轮叶片材料。
Description
技术领域
本发明属镍基单晶高温合金的改性制备领域，特别是涉及一种镍基单晶合金中提高高温抗蠕变性能的改性方法。
背景技术
镍基单晶高温合金由于具有优异的高温力学性能和抗疲劳抗氧化性能而被广泛的应用于航空发动机涡轮叶片材料，随着追求更高的飞机发动机推重比，使得发动机燃烧室出口温度不断地提高，因而对飞机发动机的涡轮叶片材料提出了更高的要求。单晶高温合金的主要变形方式是在高温条件下的蠕变变形，良好的高温抗蠕变性能是单晶高温合金必须要具备的基本性能。近年来，科研工作者对单晶高温合金的蠕变行为进行了越来越多的理论研究和试验探索，并通过研究不同的蠕变机制来提高合金材料的高温抗蠕变性能。单晶高温合金的高温抗蠕变性能受很多因素的影响，如单晶的结晶取向、γ′相排筏化、固溶温度等。此外，化学成分对单晶高温合金的高温抗蠕变性能也有重要的影响。
本发明是提供一种提高镍基单晶高温合金高温抗蠕变性能的方法。
发明内容
本发明的一种镍基单晶合金中提高高温抗蠕变性能的改性方法，包括：
镍基单晶高温合金A，其化学成分包括有：5.5～6.5wt％的Al，2.5～3.5wt％的W，3～3.5wt％的Re，2.5～3.5wt％的Mo，4.5～5.5wt％的Cr，9.5～10.5wt％的Co，0.05～0.15wt％的Hf，0.5～1.5wt％的Nb，5.0～6.0wt％的Ta，其余为Ni；将上述合金A加入微量元素碳、硼之后，得到其改性合金Mod A，其化学成分包括有：5.5～6.5wt％的Al，2.5～3.5wt％的W，3～3.5wt％的Re，2.5～3.5wt％的Mo，4.5～5.5wt％的Cr，9.5～10.5wt％的Co，0.10～0.20wt％的Hf，0.5～1.5wt％的Nb，5.0～6.0wt％的Ta，0.045～0.055wt％的C，0.0035～0.0045wt％的B，其余为Ni。
所述的合金，其较佳的化学成分和热处理工艺为：
(1)镍基单晶高温合金A，其化学成分为：Al 6.2wt％，W 3.35wt％，Re 3.4wt％，Mo 2.7wt％，Cr 5.2wt％，Co 10.0wt％，Hf0.10wt％，Nb 0.8wt％，Ta 5.5wt％，其余为Ni；固溶处理条件为1320℃/6h，时效处理方式为1140℃/2h+870℃/16h。
(2)将上述合金A加入微量元素碳、硼后，得到镍基单晶高温改性合金ModA，其化学成分为：Al 6.2wt％，W 3.35wt％，Re 3.4wt％，Mo 2.7wt％，Cr 5.2wt％，Co 10.0wt％，Hf0.15wt％，Nb 0.8wt％，Ta 5.5wt％，C 0.05wt％，B 0.004wt％，其余为Ni；固溶处理条件为1318℃/6h，时效处理方式为1140℃/2h+870℃/16h。
(3)在850℃/430MPa、950℃/210MPa、1050℃/165MPa条件下，改性合金Mod A第三阶段的高温抗蠕变性能得到了明显的提高，持久性能比原合金A分别提高了40～50h、500～520h和50～60h，使用寿命得到延长，可使用于高性能长寿命航空发动机涡轮叶片材料。
附图说明
图1为原合金A和改性合金ModA的低倍形貌图；
(a)原合金A的低倍形貌图；(b)改性合金Mod A的低倍形貌图(箭头所指为缩孔)
图2为原合金A和改性合金ModA的排筏化结构图；
(a)原合金A的排筏化结构图；(b)改性合金Mod A的排筏化结构图
图3为原合金A的裂纹起源位置图。
具体实施方式
下面通过一个具体的实例对本发明作进一步的说明。
实施例1
(1)合金的制备
采用真空感应炉熔炼符合要求的母合金(温度为1600℃，时间为35分钟)，然后在高温梯度定向凝固炉中生长单晶(生长速度为6mm/min)，利用螺旋选晶法制成<001>取向的单晶试棒。
在本发明中，对于合金的熔炼铸棒采用了常规的方法，故不在此处详细说明。
(2)合金的成分
合金A，其成分为：Al 6.2wt％，W 3.35wt％，Re 3.4wt％，Mo 2.7wt％，Cr 5.2wt％，Co10.0wt％，Hf0.10wt％，Nb 0.8wt％，Ta 5.5wt％，其余为Ni；
改性合金Mod A，其成分为：Al 6.2wt％，W 3.35wt％，Re 3.4wt％，Mo 2.7wt％，Cr 5.2wt％，Co 10.0wt％，Hf0.15wt％，Nb 0.8wt％，Ta 5.5wt％，C 0.05wt％，B 0.004wt％，其余为Ni。
(3)合金的热处理制度
合金A：固溶处理条件为1320℃/6h，时效处理方式为1140℃/2h+870℃/16h；
改性合金Mod A：固溶处理条件为1318℃/6h，时效处理方式为1140℃/2h+870℃/16h。
(4)合金试样的检测
控制蠕变条件为850℃/430MPa、950℃/210MPa、1050℃/165MPa，蠕变试验结束后将上述两种合金的试样在扫描电子显微镜下检测。
图1(a)、(b)分别为原合金A与改性合金ModA的低倍形貌图，可以看到，两种合金蠕变试样的一个主要区别是在改性合金ModA中的缩孔量要小于原合金A。
图2(a)、(b)分别为原合金A和改性合金Mod A的排筏化结构图。在合金A中，排筏是非常有规则排列的，但在改性合金ModA中，MC碳化物的存在阻碍了排筏在枝间区域里的形成，当位错攀过了γ′粒子，排筏化能提高合金的高温抗蠕变性能。
在做蠕变试验时一个显著的现象是裂纹起源于MC相和缩孔。但是，在相同的蠕变测试条件下，来自MC碳化物的裂纹通常比来自缩孔的要小得多，而且最后由于蠕变过程中材料的扩散，微小裂纹会被填充，因此，来自MC碳化物的裂纹危害要比来自缩孔的小得多。而改性合金ModA持久性能的提高是由于缩孔量的减小以及排筏化行为，蠕变失效一个重要的位置是铸造时产生的缩孔(如图3)，因此缩孔量的减小将能提高合金的高温抗蠕变性能。在850℃/430MPa、950℃/210MPa、1050℃/165MPa条件下，改性合金Mod A第三阶段的高温抗蠕变性能得到了明显的提高，其持久性能比原合金A分别提高了40～50h、500～520h和50～60h。表1为三种蠕变条件下合金A和改性合金Mod A的持久性能比较。
表1原合金A与改性合金Mod A在三种蠕变条件下的持久性能
Claims (3)
1.一种镍基单晶高温合金中提高高温抗蠕变性能的改性方法，包括：镍基单晶高温合金A，其化学成分包括有：5.5～6.5wt％的Al，2.5～3.5wt％的W，3～3.5wt％的Re，2.5～3.5wt％的Mo，4.5～5.5wt％的Cr，9.5～10.5wt％的Co，0.05～0.15wt％的Hf，0.5～1.5wt％的Nb，5.0～6.0wt％的Ta，其余为Ni；将上述合金A加入微量元素碳、硼之后，得到其改性合金Mod A，其化学成分包括有：5.5～6.5wt％的Al，2.5～3.5wt％的W，3～3.5wt％的Re，2.5～3.5wt％的Mo，4.5～5.5wt％的Cr，9.5～10.5wt％的Co，0.10～0.20wt％的Hf，0.5～1.5wt％的Nb，5.0～6.0wt％的Ta，0.045～0.055wt％的C，0.0035～0.0045wt％的B，其余为Ni。
2.按权利要求1所述的一种镍基单晶高温合金中提高高温抗蠕变性能的改性方法，其特征在于，所述合金的化学成分和热处理工艺为：
合金A：Al 6.2wt％，W 3.35wt％，Re 3.4wt％，Mo 2.7wt％，Cr 5.2wt％，Co 10.0wt％，Hf0.10wt％，Nb 0.8wt％，Ta 5.5wt％，其余为Ni；固溶处理条件为1320℃/6h，时效处理方式为1140℃/2h+870℃/16h；
改性合金Mod A：Al 6.2wt％，W 3.35wt％，Re 3.4wt％，Mo 2.7wt％，Cr 5.2wt％，Co10.0wt％，Hf0.15wt％，Nb 0.8wt％，Ta 5.5wt％，C 0.05wt％，B 0.004wt％，其余为Ni；固溶处理条件为1318℃/6h，时效处理方式为1140℃/2h+870℃/16h。
3.根据权利要求1所述的一种镍基单晶高温合金中提高高温抗蠕变性能的改性方法，其特征在于：在850℃/430MPa、950℃/210MPa、1050℃/165MPa三种蠕变条件下，改性合金ModA其持久性能比原合金A分别提高了40～50h、500～520h和50～60h。
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