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
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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