[发明专利]一种高强度且组织稳定的第四代单晶高温合金及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于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四代单晶高温合金，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 close packed)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，已研制的典型合金包括TMS-138、MC-NG和EPM102，同时这些添加元素甚至较Re更贵，导致合金成本进一步升高。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。加入3wt％的Re，能使合金承温能力提高大约30℃。但是Re主要偏聚于基体中，且由于扩散速度极低而难以完全消除枝晶偏析，因此，析出TCP相的倾向加重。所以，要获得高的高温强度和良好的组织稳定性，必须优化Re、Ru元素的含量且确定最佳的Re、Ru元素含量配比。

发明内容

本发明的目的是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，提供一种高强度且组织稳定的第四代单晶高温合金及制备方法，、

本发明提供了一种高强度且组织稳定的第四代单晶高温合金，按重量百分比计，该合金的化学成分为：Cr 3～5％，Co 5～12％，W 6～8％，Mo0.1～2％，Re 4.5～6％，Ru 2～4％，Al 5.5～6.5％，Ta 6～10％，其余为Ni。

本发明提供的高强度且组织稳定的第四代单晶高温合金，按重量百分比计，该合金的化学成分优选如下：Cr 3.5～4.5％，Co 8～12％，W 6～7％，Mo 1～2％，Re 4.5～5.5％，Ru 2.5～3.5％，Al 5.75～6.25％，Ta 7～9％，其余为Ni。

本发明提供的高强度且组织稳定的第四代单晶高温合金，按重量百分比计，该合金的化学成分最佳如下：Cr 4％，Co 12％，W 6％，Mo 1％，Re 5.4％，Ru 3％，Al 6％，Ta 8.4％，其余为Ni。

本发明还提供了所述高强度且组织稳定的第四代单晶高温合金的制备方法，将所述合金成分按照配比在定向凝固炉上进行制备单晶合金，在单晶生长炉温度梯度范围40K/cm～80K/cm，浇注温度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，然后进行热处理。

本发明提供的高强度且组织稳定的第四代单晶高温合金的制备方法，所述热处理制度如下：

（1）固溶处理：在1310～1320℃保温8～16小时，随后升温至1320-1330℃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含量的合金达到第四代单晶的性能水平。

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。在第四代单晶高温合金中，Cr的含量一般为3～5wt％。