[发明专利]一种非均匀结构单晶涡轮叶片及其制备方法

说明书

本发明公开了一种非均匀结构单晶涡轮叶片，包括叶尖、叶身和叶根，叶尖的大尺寸和小尺寸γ′相比例、叶身的大尺寸和小尺寸γ′相比例、叶根的大尺寸和小尺寸γ′相比例各不相同；叶尖处大尺寸γ′相占其γ′相总含量的比例大于所述叶身处大尺寸γ′相占其γ′相总含量的比例，所述叶身处大尺寸γ′相占其γ′相总含量的比例大于所述叶根处大尺寸γ′相占其γ′相总含量的比例。本发明还公开了一种非均匀结构单晶涡轮叶片的制备方法，包括常规固溶、时效处理，以及梯度再分配处理。促使叶片不同部位形成γ′相的非均匀分布和组成，本发明通过在涡轮叶片不同位置引入非均匀结构，可在其使服役中面临复杂温度、应力条件时，叶尖、叶身、叶根部位强度均达到最佳，提升叶片的综合性能。

技术领域

本发明属于高温合金领域，尤其是涉及一种非均匀结构单晶涡轮叶片及其制备方法。

背景技术

提高涡轮前置温度是提升航空涡轮发动机效率、推进比的最主要技术手段之一。基于现代燃机的工作原理和设计，直接承受涡轮进气的涡轮一级高压动/静叶片是决定涡轮前置温度最关键的部件。叶片材料的耐温性能是提高涡轮前置温度最重要技术指标之一，目前先进燃气轮机涡轮一级高压动/静叶片采用镍基高温合金制作单晶空冷叶片，其性能由合金成分及其微观组织结构决定。镍基单晶高温合金主要由具有奥氏体结构的无序相(γ相)和具有有序L1₂结构的A₃B型金属间化合物沉淀相(γ′相)构成，其典型的微观结构比较简单，γ′沉淀相均匀分布在相互连通的γ相基体中，两相间组成基本共格界面。

镍基单晶高温合金主要通过固溶强化和沉淀强化两种方式提高强度。固溶强化主要通过在奥氏体γ相中固溶大量难熔元素来提高强化效果，如钨(W)、钼(Mo)、钽(Ta)、铼(Re)和钌(Ru)。沉淀强化通常利用铝(Al)、钛(Ti)、铌(Nb)和钽(Ta)，其可与面心结构的Ni基体γ相形成共格有序的A₃B型金属间化合物，析出γ′相进行沉淀强化。为获得足够的高温强度，先进镍基单晶高温合金γ′相的体积分数(含量)已近70％。除体积分数外，γ′相的尺寸、形态、分布等结构特征也会对沉淀强化效果产生显著影响，其中γ′相尺寸的作用最大。例如在较低服役温度下，塑性行为主要来自于位错对γ′相的剪切，尺寸较大的γ′相对位错剪切的抗力更高，可以产生更大的强化效果。然而，在高蠕变温度条件下，合金中γ相中的塑性行为增多，在γ′相体积分数不变的前提下，减小γ′相的尺寸有助于形成更多的γ/γ′相界面，帮助阻碍位错运动，提高蠕变抗性。通过热处理可较为容易实现γ′相结构特征的调整，常规热处理方式有固溶、时效两种。其中，固溶热处理可使得合金元素在较高温度下充分扩散，提高组织均匀性；时效热处理主要让γ′相在较低温度下缓慢生长，帮助调整γ′相尺寸。

涡轮发动机工作中，在温度与气动载荷、离心力的耦合作用下涡轮叶片不同部位承受极不均匀的力、热条件，通常叶尖部位在约1100℃高温下承受大约140MPa的拉应力；叶身承受温度为800-1000℃，应力为280-650MPa；叶根部位约为650℃-800℃，承受平均应力超700MPa。为提高处于高温部位叶尖的承温能力(1000℃以上、300MPa)，采用固溶、时效热处理使叶片各部位形成组织均匀、结构一致γ/γ′两相结构。γ′相通常具有尺寸大于200nm、立方度高、均匀性好等特征，可使得叶尖部位获得较高持久强度。然而针对温度较低、应力较高的叶身和叶根部位(900℃以下、300MPa以上)，该结构特征未必达到最优。服役过程中，叶片的断裂主要发生在薄弱区域，叶身或叶根部位强度较低也带来叶片整体可靠性的降低。同理，如若针对提高叶身或叶根的强度设计热处理工艺，也势必带来叶片部位性能的降低。对于承受复杂温度、应力条件的涡轮叶片而言，采用组织均匀、结构一致的镍基单晶高温合金的综合高温力学性能往往不够理想。

发明内容