[发明专利]一种高含量方形纳米粒子析出强化的γ′-Ni3

说明书

本发明提供一种高含量方形纳米粒子析出强化的γ′‑Ni₃Al基低成本高温合金及制备方法，包括Ni、Co、Al、Ta、Ti、Nb、Cr、Mo、W元素，其合金的质量百分比(wt.％)为Co：0.5～12.6，Al：5.5～5.8，Ta：3.0～3.3，Ti：0.8～0.9，Nb：1.5～1.7，Cr：2.5～5.6，Mo：2.5～5.1，W：4.9～9.7，余量为Ni。本发明通过合金成分设计实现了立方形态的有序γ′‑Ni₃(Al,Ta,Ti,Nb)纳米粒子在FCC‑γ基体上共格析出，且γ′纳米粒子的体积百分数含量高于75％，在850～900℃长期时效后不发生明显的粗化，具有高的高温组织稳定性，从而使得该类合金具有优异的高温力学性能、以及抗高温氧化和耐蚀性能；同时，该系列γ′‑Ni₃Al基高温合金不采用昂贵的Ru和Re等元素，制备工艺简单，材料成本大幅降低，是一种新型的Ni‑Co基高温合金。

技术领域

本发明属于Ni-Co基高温合金领域，涉及一种高含量方形纳米粒子析出强化的γ′-Ni₃Al基低成本高温合金及制备方法。

背景技术

随着航空航天技术的发展，发动机对材料的服役性能提出了更高的要求。因此设计具有更优异性能的高温合金更为迫切。目前发展出的系列Ni基高温合金都通常加入Al、Ti、Ta、Nb、Cr、W、Mo、Re、Ru等十余种合金化元素，才能保证方形γ′(L1₂-Ni₃Al结构)纳米粒子在FCC-γ基体上共格析出，从而使得合金在高温极端环境下仍具有足够高的高温强度、优异的抗氧化和腐蚀性能、以及良好的高温组织稳定性。需要指出，Ni基高温合金的成分复杂，且合金化元素添加的种类及含量都会影响合金的性能。例如，在第二代Ni基单晶高温合金中加入了～3wt.％的Re，使其承温能力比第一代合金提高了～30℃。但高含量的Re添加会降低合金的高温组织稳定性，即合金在服役期间极易析出脆性拓扑密堆TCP相。Ru元素在一定程度上可抑制TCP相析出，以提升合金的高温组织稳定性，故在第四代及更高代次单晶高温合金中开始被引入。第五代(TMS-162 和TMS-196)和第六代(TMS-238)单晶高温合金将Ru的含量提高至5～6wt.％，从而使得TMS-238承温能力达到了1120℃(1000h/137MPa)，接近其初融温度 (1280～1330℃)。但Re、Ru等重元素的添加大幅增加了Ni基高温合金的成本，同时降低了合金的比强度，从而不利于航空发动机推重比的提高。因此，对Ni 基高温合金成分的精确调控对达到最佳的综合性能具有重要意义。然而，由于合金成分的复杂性，传统合金成分设计方法，如试错法等，很难实现多种合金化元素的添加与合理匹配。更为重要的是，合金在高温蠕变过程中，γ′粒子在外加应力作用下会产生筏化，且随着γ′粒子体积百分数含量增加，γ′形成的筏排片间距就会越小，合金的抗蠕变性能随之改善。现有Ni基单晶高温合金的γ′体积百分数含量通常在60～70％之间，含有更高体积百分数含量的γ′的高温合金鲜有报道，因此通过成分调控获得更高含量γ′析出粒子对提高合金高温性能至关重要。

因此，制约当前Ni基高温合金发展的三个核心问题：一方面在于Ni基高温合金化元素众多，且组织和性能对合金成分敏感，即各合金化元素的添加种类及添加量都会影响合金的性能，难以采用传统合金设计方法实现各合金化元素之间的最优匹配；一方面在于大量昂贵的Re和Ru等其他难熔元素的添加，提高了合金的成本；另一方面在于当前Ni基高温合金中γ′纳米粒子的析出量可进一步提升，以改善其高温力学性能。鉴于此，本发明提供了一种高含量方形纳米粒子析出强化的γ′-Ni₃Al基低成本高温合金。

发明内容