[发明专利]一种低密度且抗热腐蚀性能优良的单晶高温合金及其制备工艺

说明书

本发明公开了一种低密度且抗热腐蚀性能优良的单晶高温合金，属于抗热腐蚀单晶高温合金及其制备和热处理领域。合金化学成分：Cr 15.5～16.5％，Co 8.0～9.0％，W 5.6～6.4％，Al 3.6～4.2％，Ti 3.6～4.2％，Ta 0.7～1.2％，其余为Ni。采用单晶生长工艺制备，单晶生长炉温度梯度40K/cm～80K/cm，浇注温度1500～1550℃，经热处理后使用。本发明合金在1000℃/137MPa持久条件下寿命≥300h，其承温能力比DZ438G合金提高约20℃；高温抗氧化性能和抗热腐蚀性能均优于抗热腐蚀合金K438G和DZ438G。热处理窗口宽，固溶处理易于控制。

技术领域

本发明涉及抗热腐蚀单晶高温合金及其制备和热处理领域，具体涉及一种低密度且抗热腐蚀性能优良的单晶高温合金及其制备工艺，主要适用于在1000℃以下使用的涡轮发动机的叶片材料。

背景技术

镍基单晶高温合金由于具有优越的综合性能，是目前及将来相当长时期内先进涡轮发动机中承受温度最高，应力载荷最大的关键部件的首选材料。

单晶高温合金的发展可分为三种类型：(1)高强度单晶合金:合金化的办法是加入相当多的Al元素,以保证γ′强化相的数量；同时加入大量的W、Mo、Ta、Re等难熔金属元素,进一步提高强度，但也增加了合金密度,达8.5-9.0g/cm³。Re的加入又使合金的价格大幅度提高。同时，为维持好的组织稳定性,避免析出σ、μ等有害相,不得不降低Cr含量,这又势必损害抗氧化性能和抗热腐蚀性能。在这类合金中，有代表性的如PWA1480、CMSX-4、RenéN6等。(2)抗热腐蚀单晶合金:合金化的办法是加入适量的Al和W，Ta等难熔金属,保证高的Cr含量,可获得良好的抗热腐蚀性能，但难以获得高的力学性能。典型的单晶合金如AF56、SC-16等合金。(3)低密度单晶合金:从发动机设计角度来看，尤其对动叶片,使用密度大的合金会产生很大的离心应力,使叶片自身和涡轮盘都产生很大的载荷,增大了发动机发生故障的几率。因此，低密度的单晶合金也得到了相当的重视,国际上已发展了多种低密度单晶合金,如CMSX-6、RR2000等。由于不同类型的合金具有不同的合金化特点,同时具有以上两种性能特征的合金则几乎未见报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种低密度且抗热腐蚀性能优良的单晶高温合金及其制备工艺，以解决现有技术中存在的成本高、密度、难以兼顾抗热腐蚀性能等问题，其使用温度能达到1000℃，主要适用于在900℃以上1000℃以下使用的涡轮发动机的叶片材料。

本发明的技术方案是：

一种低密度且抗热腐蚀性能优良的单晶高温合金，其具体的化学成分(wt％)如下：

Cr 15～17％，Co 7～10％，W 5～7％，Al 3.5～4.5％，Ti 3.5～4.5％，Ta 0.5～1.5％，其余为Ni。

所述抗热腐蚀单晶高温合金优选的化学成分(wt％)如下：

Cr 15.5～16.5％，Co 8.0～9.0％，W 5.6～6.4％，Al 3.6～4.2％，Ti 3.6～4.2％，Ta 0.7～1.2％，其余为Ni。

所述抗热腐蚀单晶高温合金最佳的化学成分(wt％)如下：

Cr 16％，Co 8.5％，W 6％，Al 3.9％，Ti 3.8％，Ta 1％，其余为Ni。

本发明抗热腐蚀单晶合金的制备方法为：按照所述单晶高温合金化学成分配料，采用真空感应炉熔炼工艺制备母合金，然后采用定向凝固炉并按照单晶生长工艺制备单晶高温合金；单晶生长工艺中，单晶生长炉温度梯度范围40K/cm～80K/cm，浇注温度1500～1550℃，模壳温度与浇注温度保持一致，生长速率为3～8mm/min。所述合金可用于制备单晶叶片或试棒。

本发明抗热腐蚀单晶合金的热处理制度如下：