[发明专利]高强度且完全抗氧化的第三代单晶高温合金及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及高强度单晶高温合金及其制备和热处理等领域，特别提供了一种低成本、高强度且完全抗氧化的第三代单晶高温合金，主要适用于在1100℃以上使用的航空发动机的叶片材料。

背景技术

镍基单晶高温合金由于具有优越的综合性能，是目前及将来相当长时期内先进发动机中承受温度最高，应力载荷最大的关键部件的首选材料。

在单晶高温合金发展的过程中，由于对使用温度的要求越来越高，合金中难熔元素的含量逐渐增多，尤其是Re、W、Mo、Ta等，典型的第一代(CMSX-2)、第二代(CMSX-4)、第三代(CMSX-10)单晶高温合金难熔元素(Re+W+Mo+Ta)的含量从约14wt％到接近16.5wt％再到超过20wt％。特别地，CMSX-10的Re含量为6wt％。由于Re、W的过量加入，在使性能逐步提高的基础上也带来了如下缺点：成本高、密度大、显微组织不稳定，易析出TCP相(topologically closepacked)等。为了解决第二、三代单晶高温合金出现的显微组织不稳定的问题，国外采用的技术手段是加入Ru、Ir和铂族元素等来抑制TCP相得析出，但是这些元素较Re更贵，成本更高，并且资源缺乏，难以大量使用。另外，国内研制的无Re合金，如DD99、DD98等，其性能相当于第一、第二代单晶的水平，高温强度低。Re的独特作用在于，Re偏聚于γ基体中，形成尺寸约1nm的Re原子团，阻碍位错运动，能产生比单个原子更明显的强化效果，加入3wt％的Re，能使温度提高大约30℃。Re不仅自身的扩散系数非常低，还能降低其它合金元素的体扩散系数，能减慢一切由扩散控制的过程，因而减慢了强化相γ′粒子的长大速度，也减慢了控制蠕变机制的扩散速度。所以，要获得高的高温强度，必须要加入一定含量的Re元素。

发明内容

本发明的目的是提供一种低成本、高强度且完全抗氧化的第三代单晶高温合金，解决现有技术中存在的成本高、显微组织不稳定等问题，其使用温度能达到1100℃以上。

本发明的技术方案是：

根据本发明的目的，同时也考虑到各合金元素的作用，将Re的含量选取为4.5～5.5wt％，同时适当提高W和Ta的含量。本发明高强度且完全抗氧化的第三代单晶高温合金，其具体的化学成分(wt％)如下：

Cr3～5％，Co 5～12％，W 6～8％，Mo 0.1～2％，Re 4.5～5.5％，Al 5.5～7％，Ta6～10％，其余为Ni。

本发明高强度且完全抗氧化的第三代单晶高温合金，其优选的化学成分(wt％)如下：Cr 3～4％，Co 8～12％，W 6～7％，Mo 1～2％，Re 4.5～5.0％，Al 6～7％，Ta 7～9％，其余为Ni。

本发明高强度且完全抗氧化的第三代单晶高温合金，其最佳的化学成分(wt％)如下：

Cr 3％，Co 12％，W 6％，Mo 1％，Re 5％，Al 6.2％，Ta 8％，其余为Ni。

本发明第三代单晶合金的制备方法：

在定向凝固炉上进行制备单晶合金，单晶生长炉(定向炉)的温度梯度范围在40K/cm～80K/cm之间，浇注温度为1480～1550℃，模壳温度与浇注温度保持一致，在生长速率为3～8mm/min范围内，制备单晶叶片或试棒。

本发明第三代单晶合金的热处理制度如下：

(1)固溶处理，在1320～1330℃保温8～16小时；随后升温至1335-1340℃保温8～16小时，然后空冷至室温；

(2)高温时效处理，在1100～1150℃保温2～6小时，随后空冷至室温；

(3)低温时效处理，在850～890℃保温16～26小时，随后空冷至室温。

本发明的工作原理如下：

本发明合金的成分设计虽然选取了低于一般水平的Re含量，但是通过充分固溶、改变时效温度和时间，尽可能的发挥合金元素的固溶强化和γ′的沉淀强化作用；同时也利用合金元素的交互作用，使具有低Re含量的合金达到第三代单晶的性能水平。

化学成分的设计主要基于如下理由：

Cr能提高合金的抗腐蚀性能，因此Cr的含量必须足够大；同时，Cr的含量又应尽可能小，使得基体能溶解高含量的Re、W、Mo等以获得优异的蠕变性能。在第三代单晶高温合金中，Cr的含量一般为3～5wt％。