【技術實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術屬于高溫合金材料，尤其是涉及一種具有高穩(wěn)定組織的第五代鎳基單晶高溫合金，適用于先進航空發(fā)動機及燃氣輪機的渦輪葉片。
技術介紹
1、在現(xiàn)代航空發(fā)動機的發(fā)展目標中，提高發(fā)動機推力、推重比至關重要，而實現(xiàn)這些目標最有效的途徑就是提高渦輪入口溫度。因此，渦輪葉片的承溫能力和高溫力學性能需達到更高要求。鎳基單晶高溫合金具有優(yōu)異高溫力學性能、抗氧化性能和耐腐蝕性能，可以作為現(xiàn)代航空發(fā)動機和渦輪葉片的重要制備材料。
2、上世紀80年代，出現(xiàn)了承溫能力為1010℃左右的第一代鎳基單晶高溫合金。在單晶高溫合金發(fā)展的過程中，為提高其承溫能力，合金中難熔元素(如錸、鎢、鉬、鉭等)的含量逐漸增多。以cmsx系列合金為例，典型的第一代(cmsx-2)、第二代(cmsx-4)、第三代(cmsx-10)單晶高溫合金難熔元素(錸+鎢+鉬+鉭)的含量從14wt.％左右持續(xù)提升至超過20wt.％。難熔元素的不斷添加使得合金組織穩(wěn)定性發(fā)生下降，長期服役或熱暴露中易析出拓撲密堆相(tcp相，topologically?close?packed?phase)等有害相。為解決單晶高溫合金出現(xiàn)的顯微組織不穩(wěn)定的問題，在第四代及更高代次鎳基單晶高溫合金中，添加釕元素抑制tcp相析出，提升合金組織穩(wěn)定性；但釕元素價格十分昂貴(超過13萬元/kg)，導致合金成本進一步升高。國內外報道的第四代鎳基單晶合金在1100℃/137mpa下持久壽命≥400h，承溫能力已經達到1080℃左右；為滿足不斷升高的渦輪前進口溫度，需要進一步提高單晶合金的承溫能力和1100℃/
技術實現(xiàn)思路
1、本專利技術的目的在于針對高渦輪前進氣溫度的航空發(fā)動機高壓渦輪葉片的需求，提出高組織穩(wěn)定的第五代鎳基單晶高溫合金及其熱處理工藝。為達到上述目的，本專利技術采用的技術方案是：
2、一種具有高穩(wěn)定組織的第五代鎳基單晶高溫合金，其特征在于，按質量百分數(shù)計，該合金的化學成分組成包括：鉻2.5wt.％～4.5wt.％，鈷6wt.％～10wt.％，鎢3wt.％～5wt.％，鉬1wt.％～2.8wt.％，錸5wt.％～6.5wt.％，鋁5wt.％～7wt.％，鉭7wt.％～10wt.％，鉿0wt.％～0.2wt.％，釕3.6wt.％～5wt.％，碳0wt.％～0.05wt.％，釔0wt.％～0.03wt.％，余量鎳；且該合金中錸、鎢和鉬的總質量分數(shù)為錸+鎢+鉬≤13.5％，鎢和鉬的質量分數(shù)比例關系為鎢/鉬>2.2，鉭和鋁的質量分數(shù)比例關系為鉭/鋁≥1.1。
3、本專利技術進一步的改進在于，按質量百分數(shù)計，該合金的化學成分組成包括：鉻2.5wt.％～4wt.％，鈷6wt.％～9.5wt.％，鎢3.5wt.％～5wt.％，鉬1wt.％～2.5wt.％，錸5wt.％～6.5wt.％，鋁5wt.％～6.5wt.％，鉭7wt.％～9.5wt.％，鉿0wt.％～0.15wt.％，釕3.6wt.％～5wt.％，碳0wt.％～0.03wt.％，釔0wt.％～0.02wt.％，余量鎳；且該合金中錸、鎢和鉬的總質量分數(shù)為錸+鎢+鉬≤13.0％，鎢和鉬的質量分數(shù)比例關系為鎢/鉬>2.3，鉭和鋁的質量分數(shù)比例關系為鉭/鋁≥1.2。
4、本專利技術進一步的改進在于，該合金的熱處理工藝包括以下步驟：
5、(1)固溶溫度1340～1360℃，時間10～24h，空冷至室溫；
6、(2)時效溫度1100～1140℃，時間3～6h，空冷至室溫；
7、(3)時效溫度860～900℃，時間10～25h，空冷至室溫。
8、本專利技術進一步的改進在于，該合金在1100℃時效1000h后，合金中未析出tcp相。
9、本專利技術進一步的改進在于，該合金在137mpa，1000h持久壽命的承溫能力不低于1100℃。
10、本專利技術進一步的改進在于，該合金在1100℃拉伸屈服強度不低于450mpa，抗拉強度不低于500mpa。
11、本專利技術中合金成分設計的主要依據(jù)為：
12、本專利技術中合金的成分設計及熱處理的主要思路為保障合金在高溫長時間使役過程的組織穩(wěn)定。通過組織穩(wěn)定性元素含量和強促進tcp相析出元素含量的協(xié)同調控，在控制ru添加的情況下保障了合金組織穩(wěn)定性，為合金長期高溫服役奠定基礎；同時通過增加ta含量，保障1100℃條件下γ′相的穩(wěn)定性與含量。為保障合金原料的經濟性，限制了合金中的貴重元素ru含量。通過高溫固溶充分發(fā)揮合金元素的固溶強化并減少枝晶干、枝晶間的組織差異性，調控時效充分發(fā)揮γ′相的沉淀強化，使具有低re+ru含量的單晶合金達到第五代單晶的性能水平。
13、本專利技術中的合金元素作用和成分范圍的選擇依據(jù)如下：
14、本專利技術所述鎳基單晶高溫合金的相構成為γ′相沉淀相和γ奧氏體相。合金中al、ta的含量用以保持γ′相的體積分數(shù)；al是γ′相主體元素，同時提高合金的抗氧化性能，但過高含量的al會促進有害相的析出，本專利技術控制al含量為5wt.％～7wt.％。通過ta提高γ′顆粒的強度以及高溫穩(wěn)定性，結合其固溶強化來提高合金的強度，同時ta能抑制鑄造過程中雀斑缺陷的形成并且能一定程度提高合金的抗氧化、抗熱腐蝕等性能；綜合考慮合金密度因素，本專利技術控制ta含量為7wt.％～10wt.％。為保障γ′相顆粒中ta的含量，本專利技術中控制ta/al≥1.1，使得ta元素對γ′相的強化作用更加顯著，為合金高的持久強度和抗拉強度提供支撐。
15、cr能提高合金的抗腐蝕和抗氧化性能，但γ基體固溶度有限，在長期高溫服役環(huán)境中該元素極容易與mo、w、re等元素相結合形成拓撲密堆相(tcp相)，損害合金的高溫性能；因此需協(xié)調其含量使得基體能固溶更多的re、w、mo等元素且在高溫服役過程中不析出tcp相，本專利技術控制cr含量為2.5wt.％～4.5wt.％。
16、re、w、mo為合金中的主要固溶強化元素。re富集于γ/γ′相界面可有效阻礙位錯運動，穩(wěn)定相界面錯配位錯網，在適當范圍內增加re含量對提升鎳基單晶高溫合金的承溫能力有顯著作用；然而re作為稀貴元素，價格高昂，成分設計過程中需考慮成本因素。w和mo為合金提供固溶強化，但其固溶強化作用沒有re顯著，但re、w、mo均是促進tcp相析出元素，為保證合金在高溫長時服役下的組織穩(wěn)定性，本專利技術重點對re+w+mo的總含量進行設計，三個元素的含量范圍為re：5wt.％～6.5wt.％，w：3wt.％～5wt.％，mo：1wt.％～2.8wt.％，其中re+w+mo總含量≤13.5％，減少tcp相析出傾向。mo元素添加后會形成易揮發(fā)的氧化物，導致合金在超長高溫服役過程中的抗氧化和耐蝕性能降低，此外，針對γ′相，w具有比mo更顯著的強化效果；在控制mo、w總含量的情況下，通過提高本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種具有高穩(wěn)定組織的第五代鎳基單晶高溫合金，其特征在于，按質量百分數(shù)計，該合金的化學成分組成包括：鉻2.5wt.％～4.5wt.％，鈷6wt.％～10wt.％，鎢3wt.％～5wt.％，鉬1wt.％～2.8wt.％，錸5wt.％～6.5wt.％，鋁5wt.％～7wt.％，鉭7wt.％～10wt.％，鉿0wt.％～0.2wt.％，釕3.6wt.％～5wt.％，碳0wt.％～0.05wt.％，釔0wt.％～0.03wt.％，余量鎳；且該合金中錸、鎢和鉬的總質量分數(shù)為錸+鎢+鉬≤13.5％，鎢和鉬的質量分數(shù)比例關系為鎢/鉬>2.2，鉭和鋁的質量分數(shù)比例關系為鉭/鋁≥1.1。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種具有高穩(wěn)定組織的第五代鎳基單晶高溫合金，其特征在于，按質量百分數(shù)計，該合金的化學成分組成包括：鉻2.5wt.％～4wt.％，鈷6wt.％～9.5wt.％，鎢3.5wt.％～5wt.％，鉬1wt.％～2.5wt.％，錸5wt.％～6.5wt.％，鋁5wt.％～6.5wt.％，鉭7wt.％～9.5wt.％，鉿0wt.％～0.15wt.％，釕3.6wt.％～5wt.％，碳
3.根據(jù)權利要求1所述的一種具有高穩(wěn)定組織的第五代鎳基單晶高溫合金，其特征在于：該鎳基單晶高溫合金合金的熱處理工藝包括如下步驟：
4.根據(jù)權利要求3所述的一種具有高穩(wěn)定組織的第五代鎳基單晶高溫合金，其特征在于：所述合金在1100℃時效1000h后，合金中未析出TCP相。
5.根據(jù)權利要求3所述的一種具有高穩(wěn)定組織的第五代鎳基單晶高溫合金，其特征在于：合金在137MPa，1000h持久壽命的承溫能力不低于1100℃。
6.根據(jù)權利要求3所述的一種具有高穩(wěn)定組織的第五代鎳基單晶高溫合金，其特征在于：合金在1100℃/137MPa持久條件下，持久壽命不低于1000h。
7.根據(jù)權利要求3所述的一種具有高穩(wěn)定組織的第五代鎳基單晶高溫合金，其特征在于：合金在1100℃的拉伸屈服強度不低于450MPa，抗拉強度不低于500MPa。
...【技術特征摘要】
1.一種具有高穩(wěn)定組織的第五代鎳基單晶高溫合金，其特征在于，按質量百分數(shù)計，該合金的化學成分組成包括：鉻2.5wt.％～4.5wt.％，鈷6wt.％～10wt.％，鎢3wt.％～5wt.％，鉬1wt.％～2.8wt.％，錸5wt.％～6.5wt.％，鋁5wt.％～7wt.％，鉭7wt.％～10wt.％，鉿0wt.％～0.2wt.％，釕3.6wt.％～5wt.％，碳0wt.％～0.05wt.％，釔0wt.％～0.03wt.％，余量鎳；且該合金中錸、鎢和鉬的總質量分數(shù)為錸+鎢+鉬≤13.5％，鎢和鉬的質量分數(shù)比例關系為鎢/鉬>2.2，鉭和鋁的質量分數(shù)比例關系為鉭/鋁≥1.1。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種具有高穩(wěn)定組織的第五代鎳基單晶高溫合金，其特征在于，按質量百分數(shù)計，該合金的化學成分組成包括：鉻2.5wt.％～4wt.％，鈷6wt.％～9.5wt.％，鎢3.5wt.％～5wt.％，鉬1wt.％～2.5wt.％，錸5wt.％～6.5wt.％，鋁5wt.％～6.5wt.％，鉭7wt.％～9.5wt.％，鉿0wt.％～0.15wt.％，釕3.6wt.％～5wt.％，碳0wt....
【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：趙新寶，周昱，谷月峰，岳全召，夏萬順，張澤，
申請(專利權)人：浙江大學，
類型：發(fā)明
國別省市：
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