1.本發(fā)明屬于鎳基單晶高溫合金技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高強度鎳基單晶高溫合金，主要適用于在高溫條件下承受較高應(yīng)力的零部件。

背景技術(shù)：

2.高推重比航空發(fā)動機等技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，要求材料具有更高的承溫能力。在現(xiàn)有技術(shù)條件下，在鎳基單晶高溫合金中難熔元素w、mo、ta、re等的固溶強化作用也顯得越來越重要。特別是re的加入，顯著地提高了合金的高溫強度。

3.高推重比發(fā)動機的研制對熱端部件的承溫能力不斷提出更高的要求。第一代單晶高溫合金比定向柱晶高溫合金的使用溫度提高25～30℃；第二代單晶高溫合金。由于添加了3wt.％左右的貴金屬元素錸(re)，比第一代單晶高溫合金使用溫度又提高了30℃；第三代單晶高溫合金中re含量在6wt.％左右，可使耐溫能力再提高30℃，達到1150℃左右。

4.國外從上世紀(jì)八十年代開始，已研制出一系列的單晶高溫合金，其中第二代單晶合金已經(jīng)獲得泛應(yīng)用，包括cmsx-4、rene n5等。國內(nèi)發(fā)展的第二代單晶高溫合金為dd406。國外第三代單晶高溫合金研制已完成，如cmsx-10、rene n6、tms-75等。

5.針對上述背景，人們期望獲得一種高強度鎳基單晶高溫合金，拉伸、持久等性能優(yōu)于國內(nèi)典型第二代單晶高溫合金dd406和國外典型第二代高強度鎳基單晶高溫合金cmsx-4，rene n5等。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

6.本發(fā)明的目的是提供一種高強度鎳基單晶高溫合金，該合金在拉伸、持久等性能優(yōu)于國內(nèi)典型第二代單晶高溫合金dd406的同時，具有良好的抗氧化性能。

7.為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

8.一種高強度鎳基單晶高溫合金，按重量百分含量計，該合金化學(xué)成分如下：

9.cr：3.0～7.0％，co：8.0～12.0％，mo：0.5～3.0％，w：4.0～8.0％，ta：7.0～11.0％，al：4.0～7.0％，re：2.0～4.0％，c：0～0.1％，hf：0～0.2％，b：0～0.01％，la：0～0.1％，y：0～0.1％，其余為ni。

10.本發(fā)明提供的高強抗熱腐蝕鎳基單晶高溫合金較優(yōu)的按重量百分含量計的化學(xué)成分如下：

11.cr：4.0～6.0％，co：9.2～11.0％，mo：1.5～2.5％，w：5.0～7.0％，ta：7.5～10.0％，al：5.0～6.2％，re：2.5～3.5％，c：0.005～0.05％，hf：0.02～0.12％，b：0.001～0.005％，la：0.0002～0.05％，y：0.0001～0.05％，其余為ni。

12.本發(fā)明提供的高強抗熱腐蝕鎳基單晶高溫合金中，按重量百分含量計的雜質(zhì)要求為：o≤0.003％，n≤0.002％，s≤0.004％，p≤0.018％，si≤0.2％，pb≤0.0005％，bi≤0.00005％，sn≤0.001％。

13.本發(fā)明合金(合金牌號取名為dd414)的化學(xué)成分設(shè)計主要基于如下理由：

14.該鎳基單晶高溫合金中含有w、mo、ta、re等固溶強化元素，同時含有60-70％的γ

′

強化相。

15.為降低成本，設(shè)計合金中re含量控制在當(dāng)前第二代單晶高溫合金的水平，即控制在3wt％左右。在控制高溫強化元素re的同時，要保證合金的高溫強度，需要增加w、mo、ta等其它難熔元素的含量，可能導(dǎo)致合金的組織穩(wěn)定性惡化，嚴(yán)重降低合金的性能。因此，本發(fā)明的最大難點在于解決合金的高溫高強度與組織穩(wěn)定性這一矛盾。

16.w是強固溶強化元素，同時部分分配到γ

′

相，有利于同時強化基體和γ

′

相，尤其在高溫下的強化效果顯著。除了re之外，w也是有效的固溶強化元素，綜合考慮合金的組織穩(wěn)定性，本發(fā)明將w的含量控制在4.0～8.0wt％。但是過量加入w會導(dǎo)致組織不穩(wěn)定，易形成tcp相，因此優(yōu)化后的w含量控制在5.0～7.0wt％。

17.mo也是固溶強化元素，mo的加入會增加晶格錯配度，提高合金力學(xué)性能。研究表明，tcp相對mo含量極為敏感，當(dāng)mo含量為1.6wt％時，合金1100℃長期時效500h后，無tcp相析出，而當(dāng)mo含量增加到2.5wt％，其它合金元素偏上限時，合金1100℃時效200h后，有tcp相析出，因此，限制mo的含量小于2.5wt％。

18.ta不是tcp相形成元素，且適當(dāng)?shù)膖a含量能夠減小鑄造過程中枝晶間的溶質(zhì)對流，提高合金的鑄造性能。同時，ta元素的加入，有利于提高合金的力學(xué)性能。本發(fā)明控制ta含量在7.0～11.0wt％。但ta含量過高，合金中共晶含量高，使合金的熱處理變得極為困難，結(jié)合這些因素本發(fā)明控制ta含量在7.5～10.0wt％。

19.co對tcp相有抑制作用，但過高的co含量會降低固溶溫度，導(dǎo)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8.0～12.0wt％。

20.al是γ

′

相形成元素，對合金的強化非常有益。同時，al元素是合金抗氧化必不可少的元素。因此，將al含量控制在4.0～7.0％。但是，過量al的加入，將增加nv值，可能析出tcp相，對合金性能不利。結(jié)合這些因素本發(fā)明控制al含量在5.0～6.2％。

21.cr是提高合金抗熱腐蝕性能的關(guān)鍵元素，同時對抗氧化性能有益，在合金中必須添加適量的cr，但由于re、w、mo、ta等難熔元素含量較高，加入大量的cr會使合金的組織穩(wěn)定性降低，因此，將cr含量控制在4～6wt％。上述各元素的合理配比是本發(fā)明合金良好綜合性能的保證。

22.稀土元素la和y，作為凈化劑有脫氧和脫硫的作用；作為微合金化元素偏聚與小角晶界和亞晶界，起強化作用；作為活性元素改善合金的抗氧化性能。同時一定量的稀土元素可提高合金的力學(xué)性能。因此，本發(fā)明將稀土la控制在0.0002～0.1％，y控制在0.0001～0.1％。

23.適量c的加入可提高合金的鑄造性能，降低合金的再結(jié)晶傾向，特別是c的加入生成小尺寸顆粒狀碳化物能夠強化小角度晶界，從而提高單晶高溫合金的小角晶界容限，進而提高合金的成品率。碳的含量控制在0-0.1％，但過量碳的加入會降低合金的性能，因此，將碳含量控制在0.005-0.05％。

24.b可提高合金的力學(xué)性能，但會增加合金的共晶體積分數(shù)，增加合金的固液凝固區(qū)間，不利于合金的單晶生長，因此，硼的含量必須嚴(yán)格控制在0.001～0.005％之間。

25.本發(fā)明所述鎳基單晶高溫合金利用純ni、co、cr、w、mo、ta、al、re、hf、c、b等元素在真空感應(yīng)爐中熔煉，同時在適當(dāng)?shù)臅r機加入稀土元素la和y，并澆注成化學(xué)成分符合要求的

母合金，然后再通過定向凝固設(shè)備(高速凝固法或液態(tài)金屬冷卻法)重熔、利用螺旋選晶器或籽晶法定向凝固成單晶試棒。單晶高溫合金使用前需經(jīng)過熱處理。

26.本發(fā)明提供的高強度第二代鎳基單晶高溫合金，拉伸、持久等性能優(yōu)于國內(nèi)典型第二代高強度單晶高溫合金dd406，同時具有良好的抗氧化性能。

27.本發(fā)明的優(yōu)點及有益效果說明如下：

28.(1)與現(xiàn)有的其它第二代鎳基單晶高溫合金相比，本發(fā)明合金具有優(yōu)異的拉伸、持久等性能。

29.(2)相對于第三代鎳基單晶高溫合金，本發(fā)明合金的re含量較低，但是其部分持久性能甚至達到第三代鎳基單晶高溫合金的水平。

30.(3)本發(fā)明合金的抗氧化性能優(yōu)于典型第二代單晶高溫合金dd406。

31.(4)本發(fā)明合金在900℃長期時效組織穩(wěn)定。

32.(5)本發(fā)明合金由于碳含量的控制可明顯減輕單晶合金的再結(jié)晶傾向，提高單晶合金的成品率。

附圖說明

33.圖1為所述鎳基單晶高溫合金典型鑄態(tài)組織；

34.圖2為所述鎳基單晶高溫合金熱處理態(tài)組織；

35.圖3為本發(fā)明所述鎳基單晶高溫合金與現(xiàn)有技術(shù)中典型第二代單晶高溫合金cmsx-4、rene n5、dd406的larson-miller曲線比較圖；

36.圖4為本發(fā)明所述鎳基單晶高溫合金與現(xiàn)有技術(shù)中第三代單晶高溫合金rene n6、tms-75的larson-miller曲線比較圖；

37.圖5為本發(fā)明所述鎳基單晶高溫合金與現(xiàn)有技術(shù)中典型第二代單晶高溫合金rene n5、dd406的拉伸性能比較圖。

38.圖6為所述鎳基單晶高溫合金1100℃長期時效500h后顯微組織；

39.圖7為所述鎳基單晶高溫合金900℃長期時效10000h后顯微組織；

40.圖8為所述鎳基單晶高溫合金1100℃長期時效100h后顯微組織。

41.圖9為所述鎳基單晶高溫合金1100℃氧化性能。

具體實施方式

42.以下通過實施例對本發(fā)明予以進一步的說明，但并不因此而限制本發(fā)明。

43.以下各實施例中鎳基單晶高溫合金具體制備方法要求：采用真空感應(yīng)爐熔煉，先澆注成化學(xué)成分符合要求的母合金，然后再制備單晶試棒，使用前須經(jīng)過熱處理，熱處理制度為1290℃/2h保溫后，升溫到1312℃/4h/ac+1150℃/4h/ac+870℃/24h/ac，ac為空冷。

44.實施例1-13：

45.本發(fā)明各實施例鎳基單晶高溫合金試樣的化學(xué)成分均參見表1。為了方便對比，表1中也列出了典型第二代鎳基單晶高溫合金dd406、rene n5、cmsx-4以及典型第三代鎳基單晶高溫合金rene n5和tms 75的化學(xué)成分。表1中ni含量一欄的“余”含義為“余量”。實施例1合金鑄態(tài)和熱處理態(tài)典型顯微組織見圖1-2。

46.表1實施例1-13和dd406、rene n5、cmsx-4、rene n5、tms 75的化學(xué)成分(wt.％)

[0047][0048]

表1中實施例1-12的合金成分中，還含有0.003wt.％的b、0.0003wt.％的la和0.0003wt.％的y。

[0049]

鎳基單晶高溫合金試樣經(jīng)過熱處理和機加工后進行持久性能測試，實施例11和實施例12的結(jié)果見表2和表3。鎳基單晶高溫合金和典型第二代單晶高溫合金dd406、rene n5、cmsx-4的larson-miller曲線比較見圖3。該圖表明，本發(fā)明的鎳基單晶高溫合金的持久性能優(yōu)于典型第二代單晶高溫合金。鎳基單晶高溫合金和典型第三代單晶高溫合金rene n6、tms-75的larson-miller曲線比較見圖4。本發(fā)明合金的持久性能幾乎可以達到第三代單晶高溫合金rene n6和tms-75水平。

[0050]

實施例12合金的拉伸性能見表4和圖5。本發(fā)明合金的拉伸性能優(yōu)于典型第二代單晶高溫合金。

[0051]

實施例13的持久性能分別見表5。表5數(shù)據(jù)表明，稀土元素la和y的加入，對提高單晶合金的持久性能有益。

[0052]

本發(fā)明實施例6合金980℃低周疲勞測試結(jié)果見表6。

[0053]

本發(fā)明實施例4合金871℃光滑試樣高溫旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗結(jié)果見表7。

[0054]

本發(fā)明實施例5合金完全熱處理后，進行1100℃長期時效實驗，長期時效500h后，沒有tcp相析出，組織如圖6所示。

[0055]

本發(fā)明實施例12合金900℃長期時效10000小時后，無tcp相析出，組織見圖7。

[0056]

而實施例1合金(高mo)經(jīng)1100℃時效100h后，組織中析出了tcp相，見圖8。

[0057]

本發(fā)明合金的恒溫氧化實驗結(jié)果見圖9，在1100℃以下合金為完全抗氧化級，且抗氧化性能優(yōu)于dd406。

[0058]

表2實施例11單晶合金的持久性能列表

[0059]

溫度(℃)應(yīng)力(mpa)持久壽命(h)延伸率(％)11001528820.211001528710.610701709215.44101024810125.298031010621.76850660922076085025717

[0060]

表3實施例12單晶合金的持久性能列表

[0061]

溫度(℃)應(yīng)力(mpa)持久壽命(h)延伸率(％)110015213614107017018427101024815934101024816435980310115418506601502176085015020

[0062]

表4實施例12單晶合金的拉伸性能列表

[0063]

溫度(℃)屈服應(yīng)力(mpa)斷裂強度(mpa)延伸率(％)斷面收縮率(％)251013126512127601091134684980675860313610504987113227

[0064]

表5實施例13單晶合金的持久性能列表

[0065]

溫度(℃)應(yīng)力(mpa)持久壽命(h)延伸率(％)98031014325.0898031016423.04

[0066]

表6本發(fā)明實施例6合金980℃低周疲勞測試結(jié)果

[0067]

[0068][0069]

表7本發(fā)明實施例4合金871℃光滑試樣高溫旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗結(jié)果

[0070]

溫度(℃)最大應(yīng)力(mpa)應(yīng)力比頻率(hz)循環(huán)壽命(c)871386-0.51275741056871386-0.5131.619644398715960.3125.7》10e78715960.3126.8》10e78714930124.3》10e78714930123.5》10e7871386-0.5125.4》10e7871386-0.5124.26189385技術(shù)特征：

1.一種高強度鎳基單晶高溫合金，其特征在于：按重量百分含量計，該合金化學(xué)成分如下：cr：3.0～7.0％，co：8.0～12.0％，mo：0.5～3.0％，w：4.0～8.0％，ta：7.0～11.0％，al：4.0～7.0％，re：2.0～4.0％，c：0～0.1％，hf：0～0.2％，b：0～0.01％，la：0～0.1％，y：0～0.1％，其余為ni。2.按照權(quán)利要求1所述的高強度鎳基單晶高溫合金，其特征在于：按重量百分含量計，該合金化學(xué)成分如下：cr：4.0～6.0％，co：9.2～11.0％，mo：1.5～2.5％，w：5.0～7.0％，ta：7.5～10.0％，al：5.0～6.2％，re：2.5～3.5％，c：0.005～0.05％，hf：0.02～0.12％，b：0.001～0.005％，la：0.0002～0.05％，y：0.0001～0.05％，其余為ni。3.按照權(quán)利要求1或2所述的高強度鎳基單晶高溫合金，其特征在于：所述鎳基單晶高溫合金中，雜質(zhì)重量百分含量滿足下述要求：o≤0.003％，n≤0.002％，s≤0.004％，p≤0.018％，si≤0.2％，pb≤0.0005％，bi≤0.00005％，sn≤0.001％。

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明公開了一種高強度鎳基單晶高溫合金，屬于鎳基單晶高溫合金技術(shù)領(lǐng)域。該合金化學(xué)成分為(wt.％)：Cr：3.0～7.0％，Co：8.0～12.0％，Mo：0.5～3.0％，W：4.0～8.0％，Ta：7.0～11.0％，Al：4.0～7.0％，Re：2.0～4.0％，C：0～0.1％，Hf：0～0.2％，B：0～0.01％，La:0～0.1％，Y：0～0.1％，其余為Ni。本發(fā)明與現(xiàn)有的其他鎳基單晶高溫合金相比，具有優(yōu)異的持久性能和拉伸性能，同時還具有優(yōu)良的抗氧化性能和良好的組織穩(wěn)定性。既可以適用于航天、航空發(fā)動機高溫部件，又可以適用于地面與艦用燃氣輪機高溫部件。機高溫部件。

技術(shù)研發(fā)人員：謝光 張少華 王莉 盧玉章 張健 樓瑯洪

受保護的技術(shù)使用者：中國科學(xué)院金屬研究所

技術(shù)研發(fā)日：2020.09.10

技術(shù)公布日：2022/3/10