[发明专利]一种高强抗热腐蚀镍基单晶高温合金

说明书

技术领域

本发明属于镍基单晶高温合金技术领域，具体涉及主要适用于在高温热腐蚀条件下承受较高应力的零部件的一种高强镍基单晶高温合金。

背景技术

海洋环境下的舰载机，地面燃气轮机等科技领域的发展，要求发动机材料不仅要具有较高的力学性能，还应具有一定的抗热腐蚀能力。目前我国研制的第一代单晶合金主要有DD3、DD26、DD402和DD8等合金。除DD8外，这些合金的抗热腐蚀性能均较差。DD8合金虽有较强的抗热腐蚀性能，但强度明显低于其它单晶合金。因此，目前具有高强度的抗热腐蚀单晶合金在国内的种类较少。

针对上述背景，人们期望获得一种抗热腐蚀镍基单晶高温合金，在具有良好抗热腐蚀性能的同时，拉伸、持久、疲劳等性能与国内典型第一代单晶合金DD3、DD26、DD402等相当的高强度第一代抗热腐蚀单晶高温合金。

发明内容

本发明的目的是提供一种高强抗热腐蚀第一代镍基单晶高温合金，该合金在获得与国内典型第一代单晶高温合金相当力学性能的同时，具有良好的抗热腐蚀性能。

本发明提供了一种高强抗热腐蚀镍基单晶高温合金，所述合金的组成成分构成和各成分的质量百分含量满足下述要求：

Cr：10.0～15.0%，Co：8.0～12.0%，Mo：0.5～3.0%，W：3.0～6.0%，Ta：4.0～7.0%，Al：3.0～5.0%，Ti：3.0～5.0%，C：0～0.4%，其余为Ni，6.5≤Al+Ti≤9，Al/Ti≤1。

本发明提供的高强抗热腐蚀镍基单晶高温合金，所述合金的组成成分构成和各成分的质量百分含量满足下述要求：

Cr：11.0～13.0%，Co：8.5～9.5%，Mo：1.5～2.5%，W：3.0～4.5%，Ta：4.0～6.0%，Al：3.0～4.0%，Ti：4.0～5.0%，C：0～0.2%，其余为Ni，7.3≤Al+Ti≤8.5，Al/Ti≤1。

本发明提供的高强抗热腐蚀镍基单晶高温合金，所述镍基单晶高温合金中，杂质的成分和质量百分含量满足下述要求：O≤0.003，N≤0.002，S≤0.004，P≤0.018，Si≤0.2，Pb≤0.0005，Bi≤0.00005。

本发明合金（合金牌号取名为DD13）的化学成分设计主要基于如下理由：

合金成分是影响热腐蚀的关键因素，通过添加合金元素可以促进合金表面稳定氧化膜的形成，降低合金的热腐蚀速率。高温合金中，Cr是改善合金抗热腐蚀性能最有效的合金元素，一定的Cr含量能形成抗热腐蚀Cr₂O₃保护膜。但是合金中Cr含量过高时会引起拓扑密排相（TCP）的析出。所以抗热腐蚀高温合金中Cr含量为10.0～15.0wt.%。

Co对TCP相有抑制作用，扩大热处理窗口，但过高的Co含量会降低固溶温度，导致合金高温性能的降低，为保证合金的高温性能，Co含量控制在8.0～12.0wt.%。

Mo、W是高温合金中最重要的固溶强化元素，但它们都是促进TCP相形成元素，对于合金的组织稳定性十分不利。而且W、Mo在高温氧化环境下，极易生成挥发性的氧化物，难易形成致密的氧化膜，在有Na₂SO₄的环境中，容易引起酸性熔融反应，产生严重的热腐蚀，特别是高Mo的合金，常发生灾难性的腐蚀。因此，限制Mo、W的含量分别小于3.0wt.%和6.0wt.%。

Al、Ti、Ta是高温合金中最主要的沉淀强化γ'相形成元素。Ti还有利于提高合金的抗热腐蚀性能，Al能明显提高合金的抗氧化性能，但对液态Na₂SO₄的防护性能极差，所以，合金的Ti/Al比大于1，且6.5≤Al+Ti≤9。Ta除了有效地提高合金的热强性以外，同时还能增加合金的抗氧化性能、耐腐蚀性能和铸造性能，但Ta过高，合金中共晶含量高，使合金的热处理变得极为困难，结合这些因素本发明控制Ta含量在4.0～7.0wt.%。

适量C的加入可提高合金的铸造性能，降低合金的再结晶倾向，特别是C的加入生成小尺寸颗粒状碳化物能够强化晶界，从而提高单晶合金的小角晶界容限，进而提高合金的成品率。但过量C的加入会降低合金的性能，因此，将C含量控制在0-0.4wt.%。