[发明专利]一种强化γ′相的第三代镍基单晶高温合金及制备方法

说明书

一种强化γ′相的第三代镍基单晶高温合金及制备方法。所述强化γ′相的第三代镍基单晶高温合金由Al、Ta、W、Re、Mo、Cr、Co、Hf和Ni组成。Ta元素在γ′形成元素Al、Ta中的占比x为0.1283～0.2282。W元素以Ni‑W合金的方式加入。通过固溶处理、高温时效处理和低温时效处理，得到具有强化γ′相的第三代镍基单晶高温合金。本发明具有较高的中、高温强度，以及良好的瞬时拉伸性能和蠕变性能，并且合金中稀贵元素Re的含量低，极大降低了合金成本。

技术领域

本发明涉及材料领域，具体是一种强化γ′相的第三代镍基单晶高温合金及制备方法。

背景技术

高温合金是指能够在600℃以上高温承受较大复杂应力，并具有表面稳定性的高合金化铁基、钴基或镍基奥氏体金属材料。镍基单晶高温合金具有较高的高温强度，优良的蠕变、疲劳抗力，良好的抗氧化、抗腐蚀的性能，被广泛应用于航空发动机和燃气轮机的热端部件。

γ′相是镍基单晶高温合金中的强化相，是具有面心立方结构的Ni₃Al型金属间化合物，其自身物性参数、尺寸大小、体积分数和组织形貌共同决定了合金的力学性能。Al和Ta是γ′相形成元素，决定强化相的数量、溶解温度和强度，同时有效改善合金的抗氧化性和抗腐蚀性。在单晶高温合金发展的过程中，合金承温能力的不断提高，主要原因在于难熔元素含量不断增加。在典型的第一代、第二代和第三代镍基单晶高温合金中，Re含量分别为0wt.％、3wt.％、6wt.％。这是因为Re元素扩散系数低，有效降低了高温下组织演化速率，显著提升了合金的高温蠕变性能。但随着Re元素的大量加入，也带了合金成本高、密度大、易析出TCP(topologically close-packed phase拓扑密排相)相等缺点。在高温低应力条件下，合金蠕变机制为a/2101位错对夹着反相畴界(APB,antiphase boundary)切入γ′相或a010超位错在γ′相中攀移，使γ′相稳定结构逐渐退化，最终导致试样断裂。由此可见，可通过强化γ′相来进一步提高合金的高温力学性能。研究表明Ta、Nb元素可显著提高γ′相反相畴界能，既而增大位错切入γ′相的抗力，同时γ′相形成元素中难熔元素Ta具有相对较低的扩散系数，可减缓位错的攀移。Ta对TCP析出倾向影响较小，经验证增加Ta的含量合金中不会析出TCP相。因此，适量降低Re元素含量，提高Ta元素的含量，能够使合金进一步提升高温强度，同时有效较低成的本。

目前，文献“D.J.Crudden.Acta Materialia 75(2014)356–370”介绍了在Ni-Al-X三元金属间化合中，Ta、Ti、Nb三种元素对APB提升明显，其中Ta元素可以同时提高{111}和{011}面的反相畴界能。分析多种等轴高温合金650℃拉伸性能，发现合金的屈服强度与计算所得的反相畴界能成正相关。在单晶高温合金中1000℃以上拉伸性能和不同温度下的蠕变性能与反相畴界能的相关性目前未见报道。文献“Chandran M.Model Simul Mater Sci19(2011)”通过Ta、Ti和Nb分别替代Al元素计算三元合金{111}面反相畴界能，结果表明，当X元素在(Al+X)的占比为0.2～0.3时，反相畴界能达到最大值。目前，典型的第三代镍基单晶高温合金中，Al、Ta元素的成分如下(wt.％)：CMSX-10(美国,U.S.Pat.No.5366695)中Al:5.0～7.0％，Ta:7.0～10.0％,RenéN6(美国,U.S.Pat.No.5270123)中Al:5.0～6.5％，Ta:7.0～9.25％，TMS-75(日本,U.S.Pat.No.6755921)中Al:5.5～6.5％，Ta:5.0～7.0％，DD33(中国,CN102732750A)中Al:5.5～6.5％，Ta:7.0～10.0％，其中Ta元素在(Al+Ta)元素总和的比值x分别为：0.180(CMSX-10K)、0.176(CMSX-10Ri)、0.157(RenéN6)、0.130(TMS-75)、0.166(DD33),可见以上比值均未达到0.2～0.3的最优值。

发明内容