[发明专利]一种含铼无钨低比重镍基单晶高温合金及其热处理工艺

说明书

本发明公开了一种含铼无钨低比重镍基单晶高温合金，按质量百分比含量计，该合金化学成分如下，Cr：4.0～6.0％；Co：10.0～16.0％；Mo：4.0～7.0％；Ta：0～4.0％；Re：1.0～4.0％；Al：5.5～6.8％；Ti：0～3.0％；其余为镍。本发明还公开了一种含铼无钨低比重镍基单晶高温合金的制备工艺。本发明合金经过单晶生长、固溶和时效热处理后，具有典型的镍基单晶高温合金组织结构，主要强化相γ′相形貌规则、尺寸均匀；本发明合金比重小；本发明合金800℃及以上的强度与典型的二代镍基单晶高温合金相当，800℃及以下的塑性显著优于典型的二代镍基单晶高温合金。

技术领域

本发明属于镍基单晶高温合金技术领域，尤其是涉及一种含铼无钨低比重镍基单晶高温合金及其热处理工艺，该合金主要适用于制备航空发动机高温部件，如涡轮叶片等。

背景技术

为提高航空发动机的推重比，高压涡轮进口温度不断提升，对涡轮叶片承温能力的要求也越来越高。镍基单晶高温合金具有优异的耐高温和抗氧化等性能，被广泛应用于制备航空发动机涡轮叶片。自20世纪80年代以来，镍基单晶高温合金已发展至第六代，相应的每代合金使用温度都被提高约30℃。

为提高合金使用温度，难熔元素(往往也是重元素)的含量不断增多，导致合金的比重增加。合金比重的增加将直接提高涡轮叶片的离心应力，缩短涡轮叶片的使用寿命；同时航空发动机含有数量众多的涡轮叶片，单片叶片重量增加将降低发动机的推重比和能源利用率。因此，在保持镍基单晶高温合金承温能力的同时，降低合金的比重是十分必要的。

降低镍基单晶高温合金比重，需调整合金中重元素的含量。重元素中，Re和W元素对合金比重的影响最大，降低Re和W元素含量能有效降低合金的比重。但目前二代以上镍基单晶高温合金基本均添加Re和W元素，发展低比重合金的方向也一直是用密度比Re轻的Mo替代部分Re。近期研究表明镍基单晶高温合金基体相是高温服役时的主要形变相和薄弱相，强化基体相是发展高性能、低比重镍基单晶高温合金可能的方向。而Re和W均为固溶强化元素，能有效强化基体相。但是，由于元素在合金的两相分布差异，W元素需要添加更多的量才能达到与Re元素相同的强化效果。因此，本发明采用添加适量Re、不添加W的成分设计理念，发展了系列低比重镍基单晶高温合金，对当前航空航天领域意义重大，应用前景广阔。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种降低合金比重的同时兼具高性能的含铼无钨低比重镍基单晶高温合金及其热处理工艺。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种含铼无钨低比重镍基单晶高温合金，按质量百分比含量计，该合金化学成分如下，Cr：4.0～6.0％；Co：10.0～16.0％；Mo：4.0～7.0％；Ta：0～4.0％；Re：1.0～4.0％；Al：5.5～6.8％；Ti：0～3.0％；其余为镍。

进一步的，该合金化学成分如下，Cr：4.0～6.0％；Co：12.0～16.0％；Mo：5.0～7.0％；Ta：0～3.0％；Re：2.0～3.5％；Al：5.5～6.6％；Ti：0.5～2.5％；其余为镍。

进一步的，合金的比重低于8.4g/cm³。

本发明还公开了一种含铼无钨低比重镍基单晶高温合金的制备工艺，包括如下步骤：

母合金熔炼：按所需合金成分称量合金原料，在高真空熔炼炉中熔炼制备母合金；

单晶合金制备：将母合金在单晶炉中重熔制备单晶合金。

本发明所述的含铼无钨低比重镍基单晶高温合金利用高纯(纯度≥99.95％)Cr、Co、Mo、Ta、Re、Al、Ti、Ni等原材料进行真空熔炼，并浇铸成化学成分符合要求的母合金，再进行单晶制备。单晶生长后，需经过如下热处理制度，得到具有典型两相组织的合金成品。

进一步的，热处理工艺包括如下步骤：