[发明专利]一种中温高蠕变强度的单晶高温合金及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种中温高蠕变强度的单晶高温合金，包括：无序相；有序相，占总体积分数的55‑70％，分布于所述无序相中；有序相包括，大有序相，其尺寸为200‑400nm，呈立方形貌；小有序相，其尺寸为2‑50nm，呈近圆形；大有序相占有序相体积分数的96‑99％。本发明还公开了一种中温高蠕变强度的单晶高温合金的制备方法及其应用。本发明通过有序相再分配处理实现了单晶高温合金中温高应力蠕变性能的显著提升，相比于仅经过固溶、时效两步常规热处理的合金材料：蠕变第二阶段应变速率可下降1‑2个数量级；持久寿命最大可延长1倍以上。

技术领域

本发明属于高温合金领域，特别涉及一种中温高蠕变强度的单晶高温合及其制备方法和应用。

背景技术

涡轮(透平)前进气温度是衡量燃气轮机热效率最重要的指标之一：目前，国际最先进航空发动机的透平前温度已达1800℃，在研的达2000℃；大型发电燃气轮机透平前温度达1600℃的J级也已进入商业运行，未来级(透平初温达1700℃)燃气轮机的研发业已经完成，预计5年内将进入商业化运行。基于现代燃机的工作原理和设计，涡轮(透平)前进气温度主要由涡轮关键部件的设计(如涡轮叶片的叶形、冷却气道及冷却介质等)和部件制备材料的耐温性能决定。其中，直接承受涡轮进气的涡轮一级高压动/静叶片是最关键的部件之一。

目前先进燃气轮机涡轮一级高压动/静叶片必须采用镍基高温合金制作单晶空冷叶片,其性能由合金成分及其微观组织结构决定。为了提高Ni基单晶高温合金的强度，过去通常综合采用固溶强化和沉淀强化二种强化方式。固溶强化通常利用能在奥氏体基体(γ相，无序相)大量固溶的难熔元素如钨(W)、钼(Mo)、钽(Ta)、钴(Co)、铬(Cr)、铼(Re)和钌(Ru)等元素来获得强化效果，大量难熔元素(尤其是第二代以后加入的贵金属Re，Ru等)的加入在提高合金性能的同时也带来了诸如成本高、密度大、显微组织不稳定，易析出TCP相(Topologically Close-Packed phase相，如σ,μ或P相)等缺点，目前已难以利用添加更多的固溶强化元素来提高镍基单晶高温合金的高温强度。沉淀强化目前通常利用可以与面心结构的Ni基体γ相形成共格有序的A₃B型(γ′相，具有L1₂结构的有序相)金属间化合物的元素，如铝(Al)、钛(Ti)、铌(Nb)和钽(Ta)等，在Ni基体γ相中形成析出强化相Ni₃X(X主要为Al、Ti、Nb和Ta等)。

因此，镍基单晶高温合金典型微观组织结构比较简单，主要由具有奥氏体结构的无序基体较软相(γ相)和基本与其共格的有序A₃B型结构的金属间化合物析出强化相(γ′相)构成，其高温强化作用取决于γ′相的物理性能和组织特征，如数量、尺寸、与基体的共格关系、固溶温度和自身强度等。目前最先进单晶高温合金含沉淀强化γ′相的体积分数量已近70％，为获得较好的高温区综合力学性能，通常通过多步固溶和时效处理，消除铸造组织不均匀，获得立方化较好、平均尺寸大于200nm的γ′相和宽度小于100nm的γ相分隔通道。现有的研究工作表明，这些γ相分隔通道通常是位错移动或高温变形发生的主要区域，是合金中抗高温变形较弱的部分。

涡轮叶片是一种不同部位需承受不同温度、气动力和离心力复杂作用的典型部件：涡轮叶片叶尖部分在约1100℃高温下承受大约140MPa的拉应力；叶身承受温度为800～1000℃，承受平均应力为280～650MPa；叶根部分约为650℃～800℃，承受平均应力超700MPa。上述通过多步固溶和时效处理获得的立方化较好、平均尺寸大于200nm的γ′相和宽度小于100nm的γ相分隔通道虽有益于服役于1000℃以上300MPa以下低应力部件区域(如叶尖部分)获得较高持久强度，但对于服役于900℃以下500MPa以上高应力部件区域(如叶根部分)却未必最佳。

发明内容

本发明鉴于目前先进单晶超合金推荐组织特征虽可在1000℃以上低于300MPa应力下获得较好的持久强度，但实际对服役于900℃以下500MPa高应力区域的部分无法获得较高蠕变抗力和寿命的问题，通过组织设计和有序相再分配处理，提出一种单晶高温合金的制备方法，其在中温下具有高蠕变强度。