[发明专利]一种通过优化高温合金组织从而提高组织稳定性的方法

说明书

本发明公开了一种通过优化高温合金组织从而提高组织稳定性的方法，按所需成分配比称取母合金和高纯度Ta单质颗粒，混合，形成原料；电弧熔炼炉内、高纯氩气保护下熔炼，至Ta单质颗粒完全熔化后，停止熔炼，自然冷却至熔体凝固，熔炼凝固的熔体，至熔体全部熔融后，停止熔炼，自然冷却至再次凝固；重复熔炼熔体，得铸锭；光镜下观察铸锭的表面是否有颗粒物，若有颗粒物，则再次熔炼铸锭；重复熔炼铸锭至最终的铸锭表面没有颗粒物，获得组织稳定的合金。该提高组织稳定性的方法通过增加合金中Ta的重量百分比优化合金的微观组织，使合金中的γ′相分布均匀、粒度较小、立方度高且在高温下能保持良好的稳定性，进而提高合金的组织稳定性。

技术领域

本发明属于定向凝固高温合金技术领域，涉及一种在抗热腐蚀定向凝固镍基高温合金DZ411中优化微观组织从而提高组织稳定性的方法。

背景技术

燃气轮机在航海、核工业等领域有着广泛应用。透平叶片是燃气轮机的核心部件，通常采用抗热腐蚀镍基高温合金制成，定向凝固是透平叶片的关键制造技术。燃气轮机涡轮进口前温度决定了燃气轮机的推重比，为满足我国在航海领域的发展需求，需要不断提高涡轮进口前温度，使得涡轮叶片的承温能力面临巨大挑战。因而对抗热腐蚀定向凝固镍基高温合金进行研究有重要的战略意义。镍基高温合金可以溶解大量难熔元素，提高合金使用温度。合金中特有的弥散分布的γ'相，使镍基高温合金高温强度明显优于铁基和钴基高温合金，通常所说的组织稳定性即在服役过程中γ'相的稳定性。

2009年，《铸造》58卷1期发表文章《定向凝固高温合金的研究进展》，指出化学成分、制备技术以及热处理工艺影响定向凝固高温合金合金的组织与性能。但是通过改变工艺参数优化合金微观组织（γ'相）并不能保证生产效率，参考国外镍基高温合金的发展，添加不同种类合金元素或调整合金元素比例能有效改变合金的微观组织。

γ'相的尺寸、形貌、体积分数决定了合金的高温性能。《Materials Science andEngineering: A》在2015年第636卷发表文章“Tensile behavior of nickel-basesingle-crystal superalloy DD6”，随着γ'相的形貌由规则的正方形向球形转变，合金的抗拉强度急剧下降。《航空材料学报》在2002年22卷3期发表文章《γ'粒子尺寸对定向凝固高温合金拉伸和持久性能的影响》，指出随着γ'相尺寸的增大，合金的抗拉强度下降。《Materials Science and Engineering: A》在2015年624卷发表文章“Effects of Cobalton creep rupture properties and dislocation structures in nickel basesuperalloys”，指出通过调整Co元素含量，提高了γ'相的立方度，使合金的持久寿命增加。因此，细小的、形貌规则的以及高体积分数的γ'相有利于合金的高温力学性能，一旦γ'相被破环，性能急剧下降。

铼（Re）可以在γ/γ'相界面处聚集，阻止γ'相的内的原子向基体扩散，维持γ'相的稳定性，但是Re会促进密堆TCP相的形成，不利于大量添加。铝（Al）是γ'相的形成元素，但本身熔点低，添加过量会降低合金初熔温度。钽（Ta）元素偏析比接近1，能改善合金中的元素偏析，溶解到基体中，可以增强固溶强化的效果。Ta的添加可以降低原子的堆垛层错能，聚集的溶质原子可以钉扎位错，阻碍位错的运动。同时，Ta可以改善合金的抗热腐蚀性能。最重要的是Ta是γ'强化相的形成元素，但是Ta的添加除了会增加γ'相的体积分数外，对γ'相尺寸、形貌以及维持γ'相的影响有待进一步研究。