[发明专利]一种含Re/Ru高承温能力高蠕变抗力单晶镍基超合金

说明书

技术领域：

本发明涉及一种含Re/Ru高承温能力高蠕变抗力镍基高温合金，该合金特别适于制造先进航空发动机、燃气轮机的热端单晶部件。

背景技术：

单晶镍基超合金是在普通铸造和定向凝固工艺的基础上发展起来的。定向凝固形成的单晶合金，消除了垂直和平行于施加应力轴方向的晶界，不存在高温晶界弱化、纵向晶界裂纹等问题，提高了合金的热疲劳性能。其合金化特点是不加入晶界强化元素，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，有效地调整γ′强化相的形貌、体积分数和尺寸分布。单晶镍基超合金与同成分的定向凝固合金、多晶铸造合金相比，持久寿命的比值约为9：4：1，单晶超合金有最高的承温能力和持久寿命。

高承温能力高蠕变抗力镍基超合金用于制造单晶部件，特别是适用于制造先进航空发动机和燃汽轮机的涡轮叶片。由于该合金在高温下保持有较高的蠕变强度、疲劳强度及抗氧化能力，因此采用该合金制备燃气轮机的单晶叶片部件，可保证材料的高温强度，提高燃汽轮机的工作效率。

单晶合金含有混晶增强元素，诸如：Re、Ru、W、Mo、Co、Cr，以及γ′强化相形成元素，诸如Al、Ta和Ti。贵重金属元素Re，可明显提高合金的承温能力和蠕变抗力，贵重金属元素Ru可有效抑制TCP相的析出。

目前国际上第四代单晶镍基超合金的Re和Ru含量一般为6％和3％，成本较高，不适宜工业生产。

发明内容：

发明目的：

本发明提供一种含Re/Ru高承温能力高蠕变抗力单晶镍基超合金，其目的是使用该单晶超合金制造先进航空发动机和燃汽轮机的单晶叶片，提高叶片部件的蠕变抗力和纵向、横向疲劳强度，同时得到良好的抗氧化能力。

技术方案：

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种含Re/Ru高承温能力高蠕变抗力单晶镍基超合金，其特征在于：该合金以重量百分比计组成如下：5.6-6.4％Al，7.2-8.2％Ta，2.2-3.2％Cr，2.5-3.5％Mo，6.5-7.5％Co，3.8-4.6％W，4.2-4.8％Re，2.8-3.5％Ru，0.05-0.12％Hf，其余为镍。

该合金γ′相的析出温度范围是800℃～1100℃。

该合金经八级热处理后，规则立方体γ′相的体积分数达70％。

该合金经八级热处理后，在1040℃～1150℃不同应力条件下，长时间拉伸蠕变后，立方体γ′相沿垂直于应力轴方向转变成N-型筏状结构，在筏状γ′相之间的γ基体相中析出大量细小立方γ′相，并分别均匀分布在γ基体相中。

该合金在1100℃恒温氧化300小时，由外氧化引起的合金次表层发生元素贫化区的尺寸为14μm。

八级热处理工艺，具体如下：1280℃×1h+1300℃×1h+1310℃×6h+1315℃×15h+1320℃×15h+1325℃×10h，A.C.+1150℃×4h，A.C.+870℃×24h，A.C.。

优点及效果：

本发明是一种含Re/Ru高承温能力高蠕变抗力单晶镍基超合金，具有如下优点：

(1)本发明的合金中添加了较高成分的难熔元素(W，Ta，Mo，Re，Ru)，但在高温蠕变过程中无TCP相析出，其中，元素Re和Ru的相互作用使合金具有较高的热稳定性和热疲劳抗性。

(2)本发明合金中无晶界强化元素，诸如Zr、Ce等，可使合金成分简单，提高合金的固溶处理温度，进而有效地调整γ′强化相的形貌、体积分数和尺寸分布。由于制备的单晶部件无晶界，可使单晶部件的纵向、横向力学性能和疲劳强度得到较大幅度的改进。

(3)本发明在高温蠕变过程中，合金中无TCP相析出。

(4)本发明所述合金γ′相的析出温度范围是800℃～1100℃，当工作温度在1040℃～1150℃区间，合金中仍能保持γ′相有高的体积分数。

(5)该合金经八级热处理后，规则立方体γ′相的体积分数达70％。

(6)该合金经八级热处理后，在1040℃～1150℃不同应力条件下，长时间拉伸蠕变后，立方体γ′相沿垂直于应力轴方向转变成N-型筏状结构，在筏状γ′相之间的γ基体相中析出大量细小立方γ′相，并分别均匀分布在γ基体相中。

(7)该合金在高温蠕变期间，具有较好的抗高温氧化能力。在1100℃恒温氧化300小时，由外氧化引起的合金次表层发生元素贫化区的尺寸为14μm。