[发明专利]一种高缺陷容限的单晶高温合金构件及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高缺陷容限的单晶高温合金构件及其制备方法，属于高温合金材料与熔模铸造技术领域。通过添加与优化Hf、B、Zr、Ti、V等碳化物形成元素碳形成不同类型的碳化物，提高晶界强度，提升小角度晶界缺陷的容限，通过Ce、La等提升内部微孔容限。通过L₁、L₂、H₁三者间尺寸的变化制备具有不通过内部微孔含量的单晶构件，通过L₁和Y₁结构尺寸的变化，改变构件凝固过程中二次枝晶生长，实现不同角度差异的小角度晶界缺陷的制备。本发明通过合金成分与构件结构的协同调整，实现单晶高温合金内部微孔及小角晶界等凝固缺陷的定量制备。

技术领域：

本发明涉及高温合金材料与熔模铸造技术领域，具体涉及一种高缺陷容限的单晶高温合金构件及其制备方法。

背景技术：

单晶高温合金是于航空、航天、能源、核工业、石化、国防武器装备和国民经济建设不可或缺的关键结构材料。由于单晶高温合金部件结构非常复杂，定向凝固过程中易导致内部微孔、小角晶界等凝固缺陷的出现，从而影响部件服役寿命。小角度晶界作为一种缺陷组织，重新引入横向晶界，破坏单晶高温合金叶片的组织完整性，显著降低合金的高温力学性能，成为叶片服役过程中的重大隐患。而内部微孔使得单晶构件在服役过程中产生应力集中，使得其过早萌生疲劳裂纹。目前，含铼二代及以上代次的单晶高温合金中碳(硼)化合物形成元素较少，使得单晶构件一旦形成超出技术标准规定的内部微孔(～0.25mm)或小角晶界(～6°)等缺陷就得报废，造成极大的浪费。首先，研发出具有一种高缺陷容限的单晶高温合金，即使合金内部有较大尺寸的微孔及小角度晶界也可以保持较好的力学性能，对航空发动机的成本控制具有重要的意义。其次，由于单晶高温合金采用定向凝固，大尺寸内部微孔和小角晶界的制备非常困难，开发出能够制备出大尺寸内部微孔等凝固缺陷的样品方法，为航空发动机提供具有特定尺寸及缺陷特征的构件进行考核，对航空发动机研发及相关技术标准的制定具有重要的意义。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种高缺陷容限的单晶高温合金构件及其制备方法，以解决(1)现有单晶高温合金凝固缺陷容限小，对内部微孔尺寸和小角度晶界等凝固缺陷敏感，一旦合金中形成凝固缺陷，导致单晶合金性能快速下降，而影响航空发动机性能的问题；(2)单晶高温合金采用定向凝固的方式制备，由于该方法具有良好的补缩性，使得在单晶构件中大尺寸内部微孔及小角度晶界的制备非常困难的问题；(3)目前由于缺乏合适的手段来制备含有特定尺寸的内部微孔等凝固缺陷的构件，使得航空发动机高温构件的标准大多参考国外的标准而制定，其根本原因是我国没有特定凝固缺陷的单晶构件可供相关设计单位考核的问题。采用发明所研发的高温合金材料及其构件制备该方法，不仅可有利于为单晶高温合金材料的选择提供依据，并指导单晶高温合金构件的设计与生产，降低单晶构件制造成本和研制周期。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种高缺陷容限的单晶高温合金构件，按重量百分比计，该单晶高温合金构件的化学成分如下：

C 0.12～0.18％，Cr 4.3～5.6％，Al 5.6～6.3％，Co 8.0～10.0％，Mo 0.8～1.4％，W 7.7～9.3％，Nb 1.4～1.8％，Ta 3.5～4.5％，Re 3.5～4.5％，Y 0.001～0.005％，Hf 0.005～0.03％，Zr 0.005～0.03％，Ti≤0.2％，V 0.001～0.1％，Ce 0.001～0.0055％，La 0.001～0.0045％，余量为Ni及不可避免的杂质。

该单晶高温合金构件的化学成分中，O≤0.02wt.％，N≤0.02wt.％，S≤0.004wt.％，B≤0.008wt.％。

该单晶高温合金构件的化学成分中，Hf+Zr元素总量≥0.02wt.％。

该单晶高温合金构件的化学成分中，0.001wt.％≤Ti+V≤0.3wt.％。