[發明專利]一種低密度、低成本、高強鎳基單晶高溫合金

有效

• 申請號: 201110397153.0
• 申請日: 2011-12-05
• 公開（公告）號: CN103132148A
• 公開（公告）日: 2013-06-05
• 發明（設計）人: 王棟;劉暢;張功;張健;樓瑯洪
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: C30B29/52
• 分類號: C30B29/52;C22C19/05
• 代理公司: 沈陽晨創科技專利代理有限責任公司 21001
• 代理人: 張晨

技術領域

本發明屬于鎳基單晶高溫合金技術領域，具體涉及一種低密度、低成本、高強鎳基單晶高溫合金，該合金主要適用于在航天、航空發動機高溫部件。

背景技術

鎳基單晶高溫合金具有優良的高溫性能，是目前制造先進航空發動機和燃氣輪機葉片的主要材料。20世紀80年代以來，相繼發展和應用了第一代、第二代、第三代和第四代單晶高溫合金，相應的每代單晶高溫合金使用溫度都被提高了近25℃。但是，隨著單晶高溫合金的不斷發展，難熔元素含量不斷增多，合金密度不斷增加，單晶葉片在工作時產生的離心應力不斷增加，導致原有發動機無法使用。目前我國只有低密度的多晶、定向合金，還沒有研制出低密度的單晶合金。

針對上述背景，人們期望獲得一種低密度、低成本、高強鎳基單晶高溫合金，其拉伸、持久、疲勞等性能與典型第一代高強鎳基單晶高溫合金相當。

發明內容

本發明的目的是提供一種低密度、低成本、高強鎳基單晶高溫合金，該合金在獲得與典型第一代單晶高溫合金相當力學性能的同時，具有低密度、低成本等特點。

本發明提供了一種低密度、低成本、高強鎳基單晶高溫合金，所述合金的組成成分構成和各成分的質量百分含量滿足下述要求：

Cr：8.5～11.0%，Co：4.0～6.0%，Mo：2.0～4.0%，Ta：1.5～3.0%，Al：4.0～6.0%，Ti：4.0～6.0%，Hf：0～0.2%，其余為Ni。

本發明提供的低密度、低成本、高強鎳基單晶高溫合金，按重量百分比計，優化后的合金成分范圍滿足下述要求：

Cr：9.5～10.5%，Co：4.5～5.5%，Mo：2.5～3.5%，Ta：1.7～2.5%，Al：4.5～5.5%，Ti：4.5～5.5%，Hf：0～0.15%，其余為Ni。

本發明提供的低密度、低成本、高強鎳基單晶高溫合金，所述鎳基單晶高溫合金中，雜質的成分和質量百分含量滿足下述要求：O≤0.002，N≤0.001，S≤0.004，P≤?0.018，Si≤0.2，Pb≤0.0005，Bi≤0.00005。

本發明合金（合金牌號取名為DD436）的化學成分設計主要基于如下理由：

Cr在Ni基高溫合金中最主要的作用是增加抗氧化和耐蝕能力，但是合金中Cr含量過高時會引起拓撲密排相（TCP）的析出。所以該鎳基單晶高溫合金中Cr含量為8.5～11.0wt.%。

Co對TCP相有抑制作用，擴大熱處理窗口，但過高的Co含量會降低固溶溫度，導致合金高溫性能的降低，為保證合金的高溫性能，Co含量控制在4.0～6.0%wt.%。

Mo是高溫合金中最重要的固溶強化元素，但它是促進TCP相形成元素，對于合金的組織穩定性十分不利。而且Mo在高溫氧化環境下，極易生成揮發性的氧化物，難易形成致密的氧化膜，在有Na₂SO₄的環境中，容易引起酸性熔融反應，產生嚴重的熱腐蝕。因此，限制Mo的含量為2.0～4.0wt.%。

Al、Ti、Ta是高溫合金中最主要的沉淀強化γ'相形成元素。Ti還有利于提高合金的抗熱腐蝕性能，Al能明顯提高合金的抗氧化性能，同時Ti和Al含量的增加，有利于降低合金的密度。所以，合金的Al和Ti含量都控制在4.0～6.0wt.%。Ta除了有效地提高合金的熱強性以外，同時還能增加合金的抗氧化性能、耐腐蝕性能和鑄造性能，但Ta過高，合金中共晶含量高，使合金的熱處理變得極為困難，且增加合金的密度。結合這些因素本發明控制Ta含量在1.5～3.0wt.%。

適量Hf的加入可提高合金的工藝性能和力學性能，增加基體與涂層的結合力，但過量Hf的加入會降低合金的初熔溫度，因此，將Hf含量控制在0-0.2wt.%。

本發明所述鎳基單晶高溫合金利用純Ni、Co、Cr、Mo、Ta、Ti、Al、Hf等元素在真空感應爐中熔煉，并澆注成化學成分符合要求的母合金，然后再通過定向凝固設備（高速凝固法或液態金屬冷卻法）重熔、利用螺旋選晶器或仔晶法定向凝固成單晶試棒。使用前需經過熱處理。

針對現有技術背景，本發明發展了一種低密度、低成本、高強鎳基單晶高溫合金，其密度僅為7.96?g/cm³，力學性能達到了典型第一代高強單晶高溫合金CMSX-2水平。

本發明的優點及有益效果說明如下：

（1）與現有的其它鎳基單晶高溫合金相比，本發明合金具有低密度、低成本特點；