[发明专利]一种含铼的Ni3Al基单晶合金

说明书

技术领域

本发明属于合金技术领域，具体涉及一种含铼的Ni₃Al基单晶合金。

背景技术

目前，在动力、石化、运输、特别是航空及航天等工业领域，要求发动机具有更高的推重比和工作效率，这就要求发动机具有更高的工作温度。目前，通常采用镍基单晶高温合金，但是在镍基单晶高温合金中添加了W、Ta、Re以及Ru等高熔点金属使其密度和成本较高，同时由于目前Ni基高温合金的使用温度已经达到其熔点的85％～90％，已接近其使用极限，因此Ni基高温合金的发展空间有限，难以满足未来高性能燃气涡轮发动机对高温结构材料要求。国际上致力于发展低成本高性能高温结构材料，如美国的IC-221M、俄罗斯BKHA-2M和中国的IC6等，其使用温度可达到1050～1100℃。

Ni₃Al是一种金属间化合物，熔点为1395℃，具有高温材料很多优点：如密度较低(7.8g/cm³)，室温延展性好，具有较高的高温强度、蠕变抗力和高的比强度，且屈服强度在峰值温度以下具有正温度效应，单晶体Ni₃Al具有较高的塑性，但多晶体Ni₃Al呈脆性。因此考虑以Ni₃Al为基的合金有可能突破现有镍基高温合金的使用温度。

在Ni₃Al金属间化合物基合金中，通过添加Mo元素能同时强化γ′相和γ相，参考文献1：Mackay R.A.，Ebert L.J.in Proc.5th int symp on Superallous[C].Now York：AIME，1984：135-144，参考文献2：Mackay R.A.，Nathal M.V.in Micon 86：Optimization of Processing，properties，and Servive Performance Through Microstructural Control[C].Philadelphia：ASTM，1988：202-210和参考文献3：Giamei A.F.，Pearson D.D.，Anton D.L.High Temperature Ordered Intermetallic Alloys[C].Pittsburgh：MRS，1985：293-308中研究表明Mo含量为14wt％时获得较好的高温蠕变性能，但是过多的Mo会导致合金的抗氧化性下降。考虑到Re比Mo具有更好的固溶强化效果，80％的Re进入γ相中能够提高γ相中位错的激活能，同时Re-Re原子团簇还能阻碍位错的运动，对提高合金的蠕变抗力是十分有利的；此外，Re的原子半径大，扩散系数小，能阻碍Mo等元素的扩散，有利于合金的抗氧化性能。因此，探索采用少量Re元素代替部分Mo元素以提高Ni₃Al基合金的高温蠕变性能，为发展低成本高性能的Ni₃Al基合金提供支撑，但如何添加Re元素，以及Re元素的含量如何确定成为现有技术中研究的热点和难点。

发明内容

本发明提供一种含铼的Ni₃Al基单晶合金，通过在Ni₃Al基单晶合金中添加铼元素，使铼元素固溶到γ′相和γ相中，并在γ相形成短程有序的铼原子团簇，增大位错开动的阻力达到强化合金的目的；此外在高温下，铼在γ相和γ′相中的扩散系数小，能降低其他合金元素如Al或Mo等元素在γ相和γ′相中的扩散系数，提高合金的高温稳定性。

本发明提出的一种含铼的Ni₃Al基单晶合金，成分按重量百分比分别为7～8wt％的Al，8～13％的Mo，0.0005～3wt％的Re，其余为Ni；其中Re的含量优选为0.5～3wt％，进一步优选为1～2wt％。该含铼的Ni₃Al基单晶合金中可以含有一种以上的Dy、Y或Hf，成分按重量百分比分别为0.05～0.5wt％的Dy、0.1～1wt％的Y或0.05～0.5wt％的Hf。该含铼的Ni₃Al基单晶合金在铸态时包括γ′相、γ相和含铼的NiMo相三种相结构，该含铼的Ni₃Al基单晶合金的密度为7.8～8.0g/cm³，在1100℃/130MPa条件下高温持久性能可达到140.13～281.25h，延伸率为7.12～14.6％，端面收缩率为23.5～40.0％。

本发明提出一种含铼的Ni₃Al基单晶合金是通过以下方法制备的，具体包括以下几个步骤：