[发明专利]一种高浓度Re/Ru高承温能力的镍基单晶超合金及其制备方法

说明书

本发明涉及一种高浓度Re/Ru高承温能力的镍基单晶超合金及其制备方法，属于具有特殊用途的新材料。所述镍基单晶超合金，以质量百分比计算的组成如下：铝5.3％～6.5％，钽7.0％～8.0％，铬2.5％～4.0％，钴4.2％～5.5％，钼2.0~3.5％，钨4.3~5.5％，铼5.8~6.8%，钌4.8~5.8%，铪0.07~0.14%，余量为镍和不可避免的杂质。所述镍基超合金的制备技术包括设计合金成分的优化方法、浇注参数及热处理工艺制定等。采用该优化单晶镍基超合金的化学成分及多级高温热处理工艺，可降低成分偏析、避免初熔和析出TCP相，并保持该合金具有优异的承温能力、高温力学和持久性能；本发明的高浓度Re/Ru高承温能力单晶超合金及制备技术适用于制备大推重比先进航空发动机的热端叶片部件。

技术领域

本发明涉及一种高浓度Re/Ru高承温能力的镍基单晶超合金，属于高温合金技术领域，本合金特别适用于制备高推重比先进航空发动机、燃气轮机的耐高温热端单晶叶片部件。

背景技术

由于单晶镍基超合金消除了普通铸造合金中的晶界，其变形只能通过位错运动来实现，不存在晶界弱化，纵向晶界裂纹等问题。合金加入的Al、Ta等原子可以与Ni相互反应，自基体析出与基体共格的γ'-Ni₃Al金属间化合物相，其γ'相的有序强化作用及γ'/γ两相共格界面的应力场作用可以阻碍位错运动，提高合金的高温力学与蠕变性能。

γ'-Ni₃Al金属间化合物相及由γ'/γ两相组成的镍基单晶超合金，在特定温度区间变形，激活的位错可由{111}面交滑移至{100}面，形成具有不动位错特征的K-W锁，可抑制位错运动，使合金呈现随温度升高、屈服强度提高的反常屈服行为。正是γ'-Ni₃Al相及镍基单晶超合金的这种反常屈服行为，才使其在高温环境得以应用，并保持优异的承温能力和良好的蠕变抗力。且随着难熔元素Re、Ru含量增加，可提高合金中形成和保留K-W锁的温度，并保持合金在高温具有优异的屈服强度和蠕变抗力。

镍基单晶超合金一般含有多种合金化元素，具有较为复杂的合金体系，可按照元素在合金中的作用分为：γ基体形成元素，γ'相形成元素，固溶强化元素，碳化物形成元素；其中，Al、Ta、Ti、Nb是γ'相形成元素，Cr、Co、Mo、W、Re、Ru是γ基体相形成元素。单晶超合金的特点是不加入低熔点的晶界强化元素，合金成分简单，大大提高了合金的初熔温度，可采用更高的固溶处理温度，以减少合金的偏析程度，使γ'相获得最佳尺寸、形态和体积分数。与4.5％Re/3％Ru单晶镍基超合金相比，Re/Ru大于6％Re/5％Ru的高浓度单晶超合金(第五代单晶合金)的工作及服役温度可提升30-50℃，具有更高的承温能力、更优异的蠕变及持久性能。

目前国内研制的第四代镍基超合金Re、Ru含量分别约为5％和3％，难以在高于1130℃的环境下保持优异的承温能力、蠕变抗力和高温强度，故不能完全满足高推重比先进航空发动机发展的需求。特别是国际公开的6.4％Re/5％Ru单晶超合金(参考专利三)也未见高于1130℃温度区间的优异持久性能报道。据此，需要研发高浓度Re/Ru及高承温能力的镍基单晶超合金。

发明内容

发明目的：本发明旨在提供一种高浓度Re/Ru高承温能力的镍基单晶超合金，其目的是在镍基单晶超合金中添加高浓度Re/Ru元素，通过调整其它难熔元素含量，避免析出TCP相，以提高镍基单晶超合金的承温能力、力学性能和蠕变抗力，同时得到良好的抗氧化性能，提高超合金的使用寿命及工作安全可靠性。

技术方案：

一种高浓度Re/Ru高承温能力的镍基单晶超合金，其特征在于：该合金以Al、Ta、Cr、Co、W、Mo、Re及Ru为主要添加元素，以质量百分比计算，其组成如下：铝5.3％～6.5％，钽7.0％～8.0％，铬2.5％～4.0％，钴4.2％～5.5％，钼2.0～3.5％，钨4.3～5.5％，铼5.8～6.8％，钌4.8～5.8％，铪0.07～0.14％，余量为镍和不可避免的杂质，其中，本发明合金中Mo的最佳质量百分数为2.0～2.4％。