[發明專利]一種高強低比重定向凝固鎳基高溫合金及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202010066162.0
• 申請日: 2020-01-20
• 公開（公告）號: CN111074101A
• 公開（公告）日: 2020-04-28
• 發明（設計）人: 吳保平;吳劍濤;李維;李俊濤
• 申請（專利權）人: 北京鋼研高納科技股份有限公司
• 主分類號: C22C19/05
• 分類號: C22C19/05;C22C1/02;C22F1/10;B22D27/04
• 代理公司: 北京維正專利代理有限公司 11508
• 代理人: 劉乾幫

本發明公開了一種高強低比重定向凝固鎳基高溫合金及其制備方法和應用，鎳基高溫合金包含以下重量百分比的組成：C：0.14~0.20%；Cr：8.0~10.0%；Co：12.0~15.0%；W：1.0~1.8%；Mo：2.7~3.4%；Al：5.0~5.7%；Ti：4.2~4.7%；Nb：0.5~1.0%；V：0.5~1.0%；B：0.01~0.02%；余量為Ni和雜質；其制備方法包括以下步驟：將所述合金元素熔煉；將熔煉后的合金采用定向凝固工藝定向凝固形成柱狀晶合金；熱處理：將柱狀晶合金在1220±10℃下保溫4h~6h，冷卻至室溫；然后在980℃±10℃下保溫16h~20h，冷卻至室溫。本發明制得的鎳基高溫合金具有低密度的同時還具有優異的高溫強度和持久性能以及良好的組織穩定性，而且不含有稀貴金屬，成本低的優點，將其用于航空發動機渦輪葉片中，可以滿足航空發動機渦輪葉片在長時間高溫度條件下的使用要求。

技術領域

本發明涉及高溫合金技術領域，更具體地說，它涉及一種高強低比重定向凝固鎳基高溫合金及其制備方法和應用。

背景技術

航空渦輪葉片長期高速工作為高溫、高壓燃氣下，是工作環境最惡劣的發動機部件，其工作狀態對發動機的可靠性、經濟性和壽命影響重大。隨著現代航空發動機的發展，渦輪進口的溫度越來越高，旋轉速率不斷提高，從而對于渦輪葉片材料本身的承溫能力以及使用性能提出了更高的要求，高壓渦輪壓片長時工作溫度可達950℃及其以上，短時可達1000℃以上，另外，葉片還需承受高溫燃氣的沖刷和腐蝕，應力條件復雜，工作條件十分嚴苛。高壓渦輪葉片在使用的過程中，一旦形成裂紋，沿晶界擴展迅速，容易發生早期失效；此外，合金在使用的過程中容易過早的析出TCP相，導致合金的性能迅速下降，影響安全可靠性。因此，高壓渦輪葉片材料需要具有足夠高的高溫強度、持久性能及損失容限，為保證長期工作的穩定性，還應考慮葉片材料的組織穩定性，此外，在保證合金性能的前提下，應考慮降低葉片的材料成本。

發明內容

針對現有技術存在的不足，本發明的第一個目的在于提供一種高強低比重定向凝固鎳基高溫合金，其具有低密度的同時還具有優異的高溫強度和持久性能以及良好的組織穩定性，而且不含有稀貴金屬，降低成本的優點。

本發明的第二個目的在于提供一種高強低比重定向凝固鎳基高溫合金的制備方法，其具有制備方法簡單，易于實現工業化生產，且通過該方法得到的合金具有良好的組織穩定性的優點。

本發明的第三個目的在于提供一種高強低比重定向凝固鎳基高溫合金的應用，其具有應用于渦輪葉片，可以滿足航空發動機渦輪葉片在長時間高溫度條件下的使用要求的優點。

為實現上述第一個目的，本發明提供了如下技術方案：一種高強低比重定向凝固鎳基高溫合金，包括以下重量百分比的組成：C：0.14～0.20％；Cr：8.0～10.0％；Co：12.0～15.0％；W：1.0～1.8％；Mo：2.7～3.4％；Al：5.0～5.7％；Ti：4.2～4.7％；Nb：0.5～1.0％；V：0.5～1.0％；B：0.01～0.02％；余量為Ni和雜質。

通過采用上述技術方案，Co元素作為合金元素加入鎳基合金中，可以降低基體的堆垛層錯能，提高層錯出現的幾率，使層錯加寬，從而阻礙擴散位錯滑移，使蠕變速率降低，蠕變抗力增加。Co元素含量控制在12.0％～15.0％，從而保證合金具有優異的蠕變和持久性能。

Cr元素主要進入基體相中起到固溶強化作用，同時，Cr還能降低固溶體堆垛層錯能，提高合金的高溫持久強度；此外，Cr的另外一個重要作用是抗氧化腐蝕作用，Cr能在合金表面形成一層Cr₂O₃氧化膜，保護合金不受O、S元素的高溫氧化和腐蝕。但是，鎳基合金中Cr含量過高促進有害相TCP相的形成，破壞合金的組織穩定性。因此本發明中Cr含量控制范圍為8.0％～10.0％，在保證合金具有良好的抗氧化腐蝕性能以及高溫持久性能的同時也能使合金獲得優異的組織穩定性。