CN111647939A - 一种2%Ru新型镍基单晶高温合金的制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种2％Ru新型镍基单晶高温合金的制作方法，属于合金技术领域。一种2％Ru新型镍基单晶高温合金的制作方法，合金成分：Ni+6％Al+7.5％Ta+5.8％Cr+6％Co+6％Mo+6％W+2％Ru(质量分数)，合金成分的Nv和Md值：Nv＝2.228，Md＝0.990，本发明在无Re/Ru合金的基础上添加2％含量的Ru元素，提高难溶元素含量，避免其在高温条件下析出有害相，使其在中温/高应力和高温/低应力条件下均具有较好的蠕变性能。

Description

一种2％Ru新型镍基单晶高温合金的制作方法
技术领域
本发明属于合金技术领域，尤其涉及一种2％Ru新型镍基单晶高温合金的制作方法。
背景技术
镍基单晶合金随着航空发动机要求的不断提高而逐渐发展，直至现在已发展到了第5代镍基单晶合金，合金的承温能力已经接近材料本身的极限。通过材料自身性能的改进来获得性能的提高，已经比较困难。在此基础上，一些新的高温结构材料应运而生，如：金属间化合物、难熔金属基复合材料、高温陶瓷材料等，但是种种材料都有其自身难以克服的缺点。因此，在较长的一段时间内，镍基单晶合金仍然是航空航天发动机叶片部件的主要使用材料。
单晶镍基合金发展的最主要特点，是难熔元素含量逐渐增多，尤其是加入6％的元素Re是第三代单晶合金的重要成分特征。虽然Re对提高合金蠕变性能有着不可替代的作用，但是由于Re元素地球储量较少，价格昂贵(Re的价格约为Ru的3倍)。因此，制备成本限制了含Re合金的广泛应用。设想若在保证合金高温性能的同时，采取措施降低或取代Re元素，使合金的制备成本大幅度降低，则可促进镍基单晶合金的广泛应用。
在6％Re的基础上添加3％Ru，是第4代、第5代单晶合金的重要成分特征，元素Ru同样属于稀缺的战略资源物质，但与元素Re比较，价格较为便宜。虽然加入Ru可使合金的高温蠕变性能得到提高，但改善合金蠕变性能的作用机理尚不明确，尤其是Ru改善无Re合金蠕变抗力的作用机制更是鲜有报道。
综上，现有高性能镍基单晶高温合金均为含元素Re\Ru合金，性能较高，但成本较大。含Ru/无Re合金的成分研究鲜有报道。
发明内容
本发明的目的是为了在无Re/Ru合金的基础上添加2％含量的Ru元素，提高难溶元素含量，避免其在高温条件下析出有害相，使其在中温/高应力和高温/低应力条件下均具有较好的蠕变性能的问题，而提出的一种2％Ru新型镍基单晶高温合金的制作方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种2％Ru新型镍基单晶高温合金的制作方法，合金成分：Ni+6％Al+7.5％Ta+5.8％Cr+6％Co+6％Mo+6％W+2％Ru(质量分数)，合金成分的Nv和Md值：Nv＝2.228，Md＝0.990。
其步骤包括：
S1.制备工艺：将母合金置于高浓度梯度真空定向凝固炉中的真空感应炉熔化，于1550℃浇入型腔中，选用0.08mm/s的抽拉速率，制备取向的单晶合金；
S2.热处理工艺：1280℃×2h，A.C+1315℃×4h，A.C+1070℃×4h，A.C+870℃×24h，A.C。
与现有技术相比，本发明提供了一种2％Ru新型镍基单晶高温合金的制作方法，具备以下有益效果：
本发明在无Re/Ru合金的基础上添加2％含量的Ru元素，提高难溶元素含量，避免其在高温条件下析出有害相，使其在中温/高应力和高温/低应力条件下均具有较好的蠕变性能。
附图说明
图1为合金在中温/高应力条件下的蠕变曲线图；
图2为合金在高温/低应力条件下的蠕变曲线图；
图3为合金在高温/低应力测定的蠕变曲线图；
图4为2％Ru合金稳态蠕变期间应变速率与温度/施加应力的关系图；
图5为2％Ru合金稳态蠕变期间应变速率与温度/施加应力的关系图；
图6为2％Ru合金稳态蠕变期间应变速率与温度/施加应力的关系图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的机构或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1-6所示，一种2％Ru新型镍基单晶高温合金的制作方法，包括：
合金成分：Ni+6％Al+7.5％Ta+5.8％Cr+6％Co+6％Mo+6％W+2％Ru(质量分数)
合金成分的Nv和Md值：Nv＝2.228，Md＝0.990
制备工艺：将母合金置于高浓度梯度真空定向凝固炉中的真空感应炉熔化，于1550℃浇入型腔中，选用0.08mm/s的抽拉速率，制备取向的单晶合金。
热处理工艺：1280℃×2h，A.C+1315℃×4h，A.C+1070℃×4h，A.C+870℃×24h，A.C。
合金在760℃-800℃，760MPa-800MPa的蠕变曲线，如图1所示，蠕变应力为800MPa施加不同温度的蠕变曲线，如图1(a)所示，当施加应力为800MPa，蠕变温度为760℃时，合金在稳态阶段的持续时间约为240h，测定的应变速率仅为0.00213％/h，蠕变寿命为358h，随温度提高到780℃，合金在蠕变稳态阶段的应变速率增大至0.0191％/h，合金的蠕变寿命下降至149h，寿命降幅高达58％，表明当施加应力为800MPa，蠕变温度大于780℃时，合金表现出较强的施加温度敏感性，随温度提高到800℃，蠕变稳态阶段的应变速率再次增大，合金的蠕变寿命再次降低至85h。
在800℃施加不同应力测定的蠕变曲线，如图1(b)所示，当施加应力为760MPa时，合金在蠕变稳态阶段的应变速率为0.00478％/h，蠕变寿命为297h，蠕变稳态阶段持续是时间为220h，随施加应力提高到780MPa，合金在蠕变稳态阶段的应变速率提高至0.0087％/h，合金的蠕变寿命降低至188h，当施加应力进一步提高至800MPa，合金的蠕变寿命急剧降低至85h。
合金在980℃-1010℃和200MPa-240MPa施加温度和应力范围内，测定的蠕变曲线，如图2所示，合金分别在980℃、1000℃、1010℃施加200MPa应力测定的蠕变曲线，分别对应于图2(a)的曲线1、2、3，合金在不同温度测定的蠕变寿命分别为299h、190h和112h，合金在稳态蠕变期间持续的时间分别为250h、129h、65h，测定出合金在稳态期间的应变速率分别为0.0054％/h、0.0122％/h和0.0165％/h，可以看出，随着蠕变温度提高，合金的蠕变寿命急剧降低，稳态蠕变时间缩短，应变速率增大，这表明，合金在980℃-1010℃和200MPa-240MPa施加温度和应力范围内具有较强的温度敏感度。
当蠕变温度为980℃，施加应力分别为200MPa、220MPa、240MPa测定的蠕变曲线，如图2(b)所示，曲线1为980℃/200MPa测定的蠕变曲线，测定出合金的蠕变寿命为299h，随施加应力提高到220MPa和240MPa，合金的蠕变寿命逐渐降低至190h和85h，如图中曲线2和曲线3所示，特别是后者，蠕变稳态阶段的时间较短，应变速率较大，测定出合金的应变速率达到0.0478％/h，稳态阶段持续的时间仅为40h，随着施加应力的提高，合金的蠕变寿命大幅降低的事实表明，合金在该条件对施加应力有较强的敏感性。
合金在1070℃-1100℃，120MPa-147MPa测定的蠕变曲线，如图3所示，合金施加137MPa、在不同温度测定的蠕变曲线，如图3(a)所示，当蠕变温度为1070℃时，合金处于蠕变稳态阶段的时间较长，测定出应变速率为0.0087％/h，蠕变383h发生断裂，温度提高至1080℃，合金的蠕变寿命大幅降低至220h，蠕变寿命降幅达43％，表明，当施加应力为137MPa，温度高于1070℃时，合金表现出较强的施加温度敏感性，进一步当温度提高至1100℃，合金的蠕变寿命降低至125h。
合金在1100℃施加不同应力测定的蠕变曲线，如图3(b)所示，可以看到，施加应力为120MPa、137MPa、147MPa时，合金在稳态蠕变阶段的应变速率分别为0.0203％/h、0.0397％/h、0.0563％/h，合金的蠕变寿命分别为218h、125h、51h，随施加应力提高，合金的蠕变寿命大幅度降低，当应力由137MPa提高至147MPa，合金的蠕变寿命由125h降低至51h，降低幅度达145％，表明，合金在1100℃施加应力大于120MPa时，表现出较强的施加应力敏感性。
根据图1计算出合金在中温/高应力蠕变稳态期间的应变速率，绘制出应变速率与蠕变温度、应力之间的关系曲线，如图4所示，其中，应变速率与温度之间的关系曲线，如图4(a)所示，应变速率与应力之间的关系曲线，如图4(b)所示，根据图4，在760-800℃/760-800MPa施加温度及应力范围内，计算出合金在稳态蠕变阶段的表观蠕变激活能和应为指数分别为Q＝475kJ/mol和n＝14.9。
根据图2计算出合金在980-1010℃/200-240MPa施加温度和应力范围内的应变速率，并绘制应变速率与蠕变温度、应力之间的关系，如图5所示，根据图5，计算出合金在980-1010℃/200-240MPa范围内稳态蠕变期间的表观蠕变激活能为Q＝460.4kJ/mol，应力指数为n＝5.3，根据n值可以判断，合金在蠕变稳态阶段的变形机制是位错攀移越过γ′相。
根据图3计算出合金在1070-1100℃/120-147MPa高温/低应力稳态蠕变期间的应变速率，绘制出应变速率与蠕变温度、应力之间的关系曲线，分别如图6(a)、(b)所示，根据图6，在1070-1100℃/120-147MPa施加温度及应力范围内，计算出合金在稳态蠕变期间的表观蠕变激活能和应为指数，分别为Q＝416.8kJ/mol和n＝4.67，根据n值可以推断，合金在蠕变稳态期间的变形机制是位错在基体中滑移和攀移越过γ′相。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种2％Ru新型镍基单晶高温合金的制作方法，其特征在于：合金成分：Ni+6％Al+7.5％Ta+5.8％Cr+6％Co+6％Mo+6％W+2％Ru(质量分数)，合金成分的Nv和Md值：Nv＝2.228，Md＝0.990。
2.根据权利要求1所述的一种2％Ru新型镍基单晶高温合金的制作方法，其特征在于，其步骤包括：
S1.制备工艺：将母合金置于高浓度梯度真空定向凝固炉中的真空感应炉熔化，于1550℃浇入型腔中，选用0.08mm/s的抽拉速率，制备取向的单晶合金；
S2.热处理工艺：1280℃×2h，A.C+1315℃×4h，A.C+1070℃×4h，A.C+870℃×24h，A.C。
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