[发明专利]一种高温完全抗氧化镍基单晶合金及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及完全抗氧化型镍基单晶高温合金及热处理等制备领域，特别提供了一种低成本、高温完全抗氧化、中高温持久强度高、含铌的镍基单晶高温合金涡轮工作叶片材料，以及该合金优化的热处理制度等制备方法。

背景技术

镍基高温合金是迄今性能最为优越，用途最为广泛。该合金使用温度的上限已接近于合金的熔点，但仍是目前先进发动机中承受温度最高，应力载荷最大的关键部件的首选材料。

为了满足设计高性能航空发动机的需求，多年来各国十分重视镍基单晶高温合金的研制和开发。80年代以来，单晶高温合金一直沿着其独特的道路发展。随着合金设计理论水平的提高和生产工艺的改进，相继出现耐温能力比第一代单晶合金分别约高30℃和60℃的第二代单晶合金和第三代单晶合金，第二代单晶高温合金的代表有PWA1484、CMSX-4等，第三代单晶高温合金的代表有CMSX-10、CMSX-11、RenéN6等。研究表明，第三代单晶高温合金CMSX-10的蠕变断裂性能比第二代单晶合金CMSX-4大约高30℃，其使用温度峰值可达1204℃左右，而CMSX-4合金的最高使用温度约为1163℃，同时CMSX-10合金还具有十分明显的蠕变强度优势。近年来出现的第四代单晶合金RR3010的承温能力达到1180℃，用在英国RR公司最新的Trent发动机上。

美国从70年代后期起，陆续在10余种发动机上进行了单晶涡轮叶片的试车试飞考验，并将PWA1480合金涡轮叶片装在PWA2037发动机高压涡轮叶片投入航线使用。作为波音767和空客A310飞机的动力装置，至1987年PWA1480合金单晶涡轮叶片已经在6种商用和军用发动机中工作了超过300万小时，至1989年V2500试飞时单晶叶片已累计超过了1000万小时的工作时间。

英国RR公司把单晶涡轮叶片列为该公司提高部件效率的十项技术之一。在RB211-600及RB211-524D的中压涡轮上采用单晶叶片，使叶片温度提高30～45℃以满足增大推力的要求。在RB211-600发动机的高压涡轮上采用单晶气冷叶片，从而将燃气温度提高60-90℃。

热处理对单晶合金的持久强度有明显的影响，因此必须仔细研究单晶合金的热处理制度，以充分发挥合金的潜力。正确的热处理制度要使立方γ′相能获得理想的蠕变强度，原因是要促进一个均匀的变形结构，以保证低的蠕变速率。当初始γ/γ′共晶数量较低时，热处理的效率显然要高些，例如在MC2单晶合金中，固溶处理只要在1300℃保温3小时即可，第一代单晶高温合金除了PWA1480外，都较容易均匀化处理。

发明内容

本发明的目的在于提供一种完全抗氧化型低成本、中高温持久强度高的镍基单晶高温合金涡轮工作叶片材料及该合金的热处理等制备方法。

本发明的技术方案是：

一种高温完全抗氧化镍基单晶合金，包含合金成分(重量百分比)：

C 0.01～0.08，Cr 8.0～10.0，Al5.0～6.0，Co 2.5～8.5，Ti 1.0～3.0，Nb 0.2～1.8，W8.0～11.0，Ta 2.0～3.5，Ni余。

本发明高温完全抗氧化镍基单晶合金的制备方法，在单晶生长炉温度梯度范围40K/cm～80K/cm，浇注温度1480～1580℃，模壳温度与浇注温度保持一致，单晶生长速率为3～8mm/min范围内，制备单晶叶片或试棒。

本发明高温完全抗氧化镍基单晶合金的热处理制度如下：

(1)固溶均匀化处理，在1295～1305℃保温2～6小时，随后进行空冷至室温；

(2)高温时效处理，在1050～1150℃保温1～6小时，随后进行空冷至室温；

(3)低温时效处理，在850～890℃保温18～26小时，随后进行空冷至室温。

本发明具有如下优点：

1、本发明合金具有高的持久强度极限和蠕变极限，在1040℃使用温度下100小时的持久强度≥165MPa。

2、本发明合金高温抗氧化及抗热腐蚀性能好，即热稳定好。

3、本发明合金拉伸和持久塑性好。

4、本发明合金具有好的抗热疲劳及机械疲劳性能。

5、本发明合金热处理窗口宽，固溶处理易于控制。

6、本发明合金具有良好的工艺性能，采用该合金制备单晶，生产效率高

附图说明

图1为实施例合金在900、1000和1100℃下的恒温氧化动力学曲线。

图2为实施例合金的应力-寿命曲线。

图3为温度对实施例单晶合金拉伸性能的影响。