[发明专利]一种长期用于850℃级变形涡轮盘的材料及其电子束连续原位凝固制备方法

说明书

本发明提供一种长期用于850℃级变形涡轮盘的材料，其材料成分质量配比关系(wt％)为：Al:5.0～5.7％；Ti:2.2～3.0％；Nb:1.0～2.0％；W:7.0～10.0％；Mo:2.0～4.0％；Ta:1.0～2.0％；Hf:0.2～0.5％；C:0.08～0.16％；B:0.02～0.04％；Co:14.0～16.0％；Cr:7.0～11.0％；余量Ni。本发明还公开其制备方法，步骤为：S1、高温合金原材料的预处理；S2、真空感应熔炼；S3、母材预处理；S4、电子束连续原位凝固，获得长期用于850℃级变形涡轮盘的材料。本发明拓宽了850℃服役使用的涡轮盘合金材料成分的可选择性，采用电子束连续原位凝固工艺制备的合金具有杂质元素含量低、成分均匀、高温力学性能好等优点，能够满足高推比先进航空发动机对高性能变形合金涡轮盘材料的需求。

技术领域

本发明涉及一种长期用于850℃级变形涡轮盘的材料及其电子束连续原位凝固制备方法。

背景技术

变形高温合金因具有优异的拉伸、屈服强度，良好的蠕变、持久强度以及较低的裂纹扩展速率，是航空发动机、燃气轮机涡轮盘用关键材料之一。随着航空发动机向大型化、高推重比方向的发展，涡轮前燃气温度逐渐提高，对涡轮盘的服役温度要求越来越高。目前，世界上各个国家都在研制服役温度更高、力学性能更好的涡轮盘用变形高温合金。迄今为止，已经研发出长期使用温度为650℃的变形高温合金，典型牌号为：Inconel 718、Waspaloy；研发出长期使用温度为700℃的变形高温合金，典型牌号为：U720Li、In718plus、AD730、Rene 65；研发出长期使用温度为725℃的变形高温合金，典型牌号为：TMW；研发出长期使用温度为750℃的变形高温合金，典型牌号为：GH4068；研发出长期服役温度为800℃变形高温合金，典型牌号为：ЭK151、ЭΠ175。然而，查阅大量文献可知，目前服役温度达到850℃的涡轮盘用变形高温合金材料仅有牌号为：ΒЖ975。通过前期大量的实验研究以及软件模拟等手段，本发明创新性地设计了一种长期服役温度达到850℃的涡轮盘用变形高温合金成分，拓宽了850℃涡轮盘用变形高温合金成分的可选择性。与其他涡轮盘用变形高温合金相比，本发明设计的合金成分通过时效强化、固溶强化、晶界强化等方式提高合金的高温性能。例如：通过控制(Al+Ti)含量、Al/Ti比、及Ta的含量来控制合金中析出相γ＇的含量和稳定性；通过控制W、Mo、Co等元素含量避免合金中TCP相的析出，通过添加较高C含量以及强碳化物元素Hf提高高温下晶界强度。

目前，国内外航空发动机、燃气轮机涡轮盘用变形高温合金材料大多采用双联(真空感应熔炼+真空自耗重熔)及三联冶炼工艺(真空感应熔炼+保护气氛电渣重熔+真空自耗重熔)，然而，经双联或三联制备的母材依然存在杂质元素含量高、成分偏析严重等问题。相比于上述制备工艺，本发明采用的电子束连续原位凝固是将电子束熔炼技术的能量密度大、真空度高、冷却速度快的优势及3D打印技术的成分均匀、偏析小的优势结合，能更有效的降低合金中杂质元素的含量、减少夹杂物尺寸以及降低成分偏析等。基于此，本发明创新性的提出采用电子束连续原位凝固的手段制备上述变形合金材料。

发明内容

根据上述提出的经双联或三联制备的母材依然存在杂质元素含量高、成分偏析严重等技术问题，而提供一种长期用于850℃级变形涡轮盘的材料及其电子束连续原位凝固制备方法。本发明设计的合金成分通过时效强化、固溶强化、晶界强化等方式提高合金的高温性能：通过控制(Al+Ti)含量、Al/Ti比、及Ta的含量来控制合金中析出相γ＇的含量和稳定性，通过控制W、Mo、Co等元素含量避免合金中TCP相的析出，通过添加较高C含量以及强碳化物元素Hf提高高温下晶界强度。本发明采用电子连续原位凝固工艺制备的铸锭，杂质元素含量极低、成分偏析很小。

本发明采用的技术手段如下：