[发明专利]一种Cr改性的高Mo的Ni3Al基单晶高温合金及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于Ni₃Al基单晶高温合金领域，具体涉及一种Cr改性的高Mo的Ni₃Al基单晶高温合金及其制备方法，可作为高温(1100～1200℃)环境下使用的航空发动机涡轮叶片等热端部件的合金材料。

背景技术

单晶高温合金不仅能在接近其熔点的温度下服役，在高温长时间下承受一定应力抵抗机械变形，并且具有抗氧化或抗腐蚀环境的能力。目前高温合金已成为航空发动机涡轮叶片首选材料之一，广泛地用来制造航空喷气发动机、各种工业燃气轮机最热端部件。

金属间化合物具有反常的温度效应，弹性模量高，刚度大，密度低以及耐高温，抗腐蚀和抗冲刷等特点而成为航空，航天，交通运输，化工以及机械等许多工业部门的重要结构材料。发展高性能航空发动机要求开发具有更高使用温度(1100-1200℃)的结构材料，Ni₃Al基合金具有这方面的应用潜力。

我国第一个用于航空发动机的金属间化合物Ni₃Al基定向凝固合金IC6，具有良好的高温机械性能，合金初熔点(1315℃)比先进镍基高温合金高50～70℃，是目前使用温度最高的导向叶片材料。新发明IC21合金含有12.5wt％Mo和1.5wt％Re，使合金初熔点进一步提高，力学性能也有所增强。但这两种合金不含铬、稀土元素等有利于改善抗氧化、耐腐蚀性能的元素，而且钼含量均较高，其高温抗氧化、抗热腐蚀性能不太理想。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种Cr改性的高Mo的Ni₃Al基单晶高温合金及其制备方法，该单晶高温合金性价比高、使用寿命长、抗氧化腐蚀性能优异，耐1100～1200℃高温下的氧化腐蚀，成为专用于航空发动机涡轮叶片的Ni₃Al基单晶高温合金材料。

本发明提出的一种Cr改性的高Mo的Ni₃Al基单晶高温合金，该Cr改性的Ni₃Al基单晶高温合金的成分按照重量百分比为：5～10.5wt％的Al，7～20wt％的Mo，0.0005～7wt％的Cr，0.0005～6wt％的Re，其余为Ni。其中Cr的成分优选为2～6wt％的Cr。所述的Cr改性的高Mo的Ni₃Al基单晶合金中还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Cr改性的高Mo的Ni₃Al基单晶高温合金铸态由γ′-Ni₃Al和γ-Ni以及少量的Y-NiMo相组成，密度为7.7～8.0g/cm³，该改性的高Mo的Ni₃Al基单晶高温合金在1100℃达到完全抗氧化级或抗氧化级，在1150℃下抗氧化性达到抗氧化级或次抗氧化级。

本发明提出一种Cr改性的高Mo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：

步骤一：称取原材料：

将待制备的Cr改性的高Mo的Ni₃Al基单晶高温合金按照重量百分比进行称取，将称取后的原料用丙酮清洗及烘干，然后将称取后的Al、Mo和Cr(Al、Mo和Cr为熔点低或氧化易挥发的金属)加入真空电弧熔炼炉坩埚底部，将少量元素的Re加入Al、Mo和Cr上面，当还添加一种以上的Dy、Y或Hf时，将Dy、Y或Hf在添加Re之后添加。最后将高熔点元素Ni放在上面，开启真空电弧熔炼炉。

步骤二：熔炼制备母合金：

采用真空电弧熔炼母合金，电弧炉的气体压力达到1×10^-3～5×10^-3 Pa的真空条件后，通入Ar气至气体压力达到0.05～1MPa，将电弧枪对准样品，引弧并点燃电弧，逐渐增大电流至1200～1250A，熔炼温度为2500～3000℃，待合金完全熔化后，减小熔炼电流至200～220A，升起电弧枪，熄灭电弧。样品冷却后，利用机械手翻转样品后，重复上述引弧熔炼3～6次，使原材料熔炼均匀，得到母合金。用线切割方法在母合金上切出直径为15～20mm，长度小于等于200mm的圆柱试棒，将该圆柱试棒表面打磨抛光处理后清洗烘干，得到Cr改性的高Mo的Ni₃Al基多晶合金试棒。

步骤三：制备不含Cr的Ni₃Al基合金籽晶