[发明专利]一种无铼低密度高性能镍基单晶高温合金及其热处理工艺

说明书

本发明公开了一种无铼低密度高性能镍基单晶高温合金及其热处理工艺，属于镍基单晶高温合金领域。该合金化学成分(wt.％)：Cr：6.0～8.0％，Co：8.0～10.0％，W：6.0～9.0％，Mo：1.0～3.0％，Nb：0～2％，Al：3.0～6.0％，Ti：1.0～3.0％，Ta：1.0～5.0％，C：0.02～0.06％，B：0.001～0.003％，Ce：0～0.02％，Y：0～0.01％，其余为Ni。该合金具有优异的低温、中温和高温强度和抗氧化性能，持久和低周疲劳性能与含3wt.％Re的第二代单晶高温合金CMSX‑4相当，不含贵重元素Re，合金成本降低70％以上，合金密度降低3％左右。

技术领域

本发明涉及镍基单晶高温合金领域，具体为一种无铼低密度高性能镍基单晶高温合金及其热处理工艺，该合金主要适用于高温下(1000-1100℃)承受高应力的零部件，如航空发动机的涡轮叶片，导向叶片等。

背景技术

高推重比发动机的研制对热端部件的承温能力不断提出更高的要求。第一代单晶高温合金比定向柱晶高温合金的使用温度提高25～30℃；第二代单晶高温合金(CMSX-4，Rene N5等)由于添加了3wt.％左右的贵金属元素铼(Re)，比第一代单晶高温合金使用温度又提高了30℃；第三代单晶高温合金中Re含量在6wt.％左右，可使耐温能力再提高30℃，达到1150℃左右。但是，合金承温能力提高的同时，其成本和密度也在显著提高，而且含Re合金组织稳定性较差，容易析出有害的TCP相。我国Re资源非常有限，一旦含Re合金大量使用，很快会造成Re的价格上涨，供应紧张，资源枯竭。因此在获得优异的高温性能的前提下，尽量避免使用Re元素是十分必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无铼低密度高性能镍基单晶高温合金及其热处理工艺，通过优化W，Mo，Nb，Ta等难熔金属元素含量来综合强化合金，使该镍基单晶高温合金具有优异的低、中和高温强度和抗氧化性能，组织稳定性好。其持久和低周疲劳性能与含3wt.％Re的第二代单晶高温合金CMSX-4相当，但不含贵重元素Re，降低了合金成本及密度。

本发明的技术方案是：

一种无铼低密度高性能镍基单晶高温合金(DD455)，其化学成分(wt.％)如下：

Cr：6.0～8.0％，Co：8.0～10.0％，W：6.0～9.0％，Mo：1.0～3.0％，Nb：0～2％，Al：3.0～6.0％，Ti：1.0～3.0％，Ta：1.0～5.0％，C：0.02～0.06％，B：0.001～0.003％，Ce：0～0.02％，Y：0～0.01％，其余为Ni。

优选的合金成分为(wt.％)：Cr：6.0～8.0％，Co：8.0～10.0％，W：7.0～8.5％，Mo：1.0～2.0％，Nb：1.0～2.0％，Al：3.0～6.0％，Ti：1.0～3.0％，Ta：3.0～5.0％，C：0.03～0.05％，B：0.001～0.003％，Ce：0～0.02％，Y：0～0.01％，其余为Ni。

本发明合金DD455化学成分设计主要基于如下理由：

Cr是提高合金抗热腐蚀性能的关键元素，在合金中必须添加适量的Cr，但由于高强度合金中W、Mo等难熔金属元素高，大量加入Cr会降低合金的组织稳定性。本合金相对于典型二代单晶高温合金而言，由于去除了Re元素，因此适当提高了Cr含量，其控制在6.0～8.0wt.％。

Co对TCP相有抑制作用，但过高的Co含量会降低固溶温度，导致合金高温性能降低，为保证合金的高温性能，Co含量控制在8.0～10.0wt.％。

W是镍基高温合金的主要固溶强化元素，尤其在高温下的强化效果显著。W同时也大量固溶于γ’强化相，提高γ’相的热稳定性。在不添加Re元素的情况下，要充分发挥W的强化效果。但过量的W会导致组织不稳定，易形成TCP相，降低合金性能。因此控制W的含量在6.0～9.0wt.％。