[发明专利]一种镍基铸造合金及其制备方法

说明书

本发明属于新材料技术领域，提供一种镍基铸造合金及其制备方法，主要应用于壁面温度达到1200℃的冲压发动机的高温承载结构件，如进气道结构件。合金成分按照质量分数计算含有C：0.1‑0.25％、Cr：7.5‑10.7％、Co：8‑12％、W：8‑12％、Al：大于6.25％、Ti：0.75‑2％、Ta：2‑3％、Hf：0.8‑2.5％、Zr：0.01‑0.15％、B：0‑0.2％，剩余为基体元素Ni及杂质元素。本发明的镍基铸造合金采用熔模铸造方法生产，经870℃/16h标准热处理后，比同类铸造高温合金具有更高的承温能力及耐久性能。

技术领域

本发明属于新材料技术领域，涉及一种镍基铸造合金及其制备方法，特别是具有优异超高温力学性能的镍基铸造高温合金，主要应用于壁面温度达到1200℃的冲压发动机的高温承载结构件，如进气道结构件。

背景技术

自二十世纪六十年代提出超高声速飞行的概念以来，世界各国竞相发展超高声速技术，其重点始终放在以超高声速冲压发动机为主的复杂结构高温部件上。为满足发动机推重比的不断升级换代的需要，关键高温合金部件的结构和材料发生了巨大的变化，结构向整体、空心方向发展，要求材料具有更高承温能力的同时，具有更好的抗腐蚀性能、更长的持久寿命和更低的成本。随着我国航空、航天技术不断发展，发动机性能日益提高，对发动机结构材料的耐温能力及高温力学性能要求越来越高。早期的发动机高温部件一般采用变形高温合金板材补焊而成，常用材料是GH3230和GH5188。GH3230为Ni-Cr基固溶强化型变形高温合金，使用温度范围700-1050℃。GH5188是Co-Ni-Cr基固溶强化型变形高温合金，适用于制作980℃以下要求高强度的发动机零件。随着冲压发动机的不断发展，提出了长时间使用温度超过1100℃，短时间使用温度超过1200℃，使役时间超过2000s的要求，变形高温合金板材焊接件已不能满足发动机的使用要求，需要研制承温能力更高，综合性能更好的铸造高温合金结构件。

上个世纪60-70年代，美国Martin Metals公司相继研发了Mar-M200、Mar-M246(US3164465，公开日1965年1月5日，发明名称Nickel-Base Alloys)和Mar-M002(US3765879，公开日1973年10月16日，发明名称Nickel Base Alloy)。其中，Mar-M200合金由于含有Nb等易形成过稳定MC型碳化物的元素，同时合金过饱和度低，因此γ/γ′相共晶含量少，所以合金的中温持久、塑性及蠕变性能差，为此去掉Nb，加入Mo、Ta，同时降低W含量，发展成了Mar-M246合金，该合金保持了原有的良好的高温性能，同时中温持久性能有所改善，但由于含有2.5重量％的Mo，因为合金在高温下形成M₆C相的数量增加，进而在1000℃以上形成TCP相的倾向性增大，为此对合金成分进一步调整和改进，去掉Mo，加入Hf，提高Ta含量，形成一种中高温性能好，综合性能优异的镍基铸造高温合金Mar-M002。作为沉淀强化型高W类等轴晶铸造高温合金，Mar-M002合金的中温和高温性能水平属现有等轴晶铸造高温合金的最高级别。合金组织稳定，抗高温氧化和耐热腐蚀性能较好，已成熟应用于航空发动机涡轮转子叶片和整铸涡轮中，长期使用温度不超过1050℃。

针对新一代冲压发动机对高温合金结构件的需求，国内采用Mar-M002合金开展了进气道等结构件的试制。然而由于工况及结构与航空发动机的差异，现有Mar-M002合金成分、铸造工艺、热处理工艺并不完全满足冲压发动机高温结构件的使用要求“长时间使用温度超过1100℃，短时间使用温度超过1200℃，使役时间超过2000s”。须针对冲压发动机高温部件力学性能的要求，进行合金成分、组织的精确调控，使其具有良好的综合性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有更高承温能力的低成本镍基铸造高温合金。该合金的综合性能涵盖室温拉伸性能、超高温拉伸性能、超高温持久性能以及高温氧化性能。该合金主要应用于壁面温度达到1200℃的冲压发动机的高温承载结构件，如进气道结构件。