[发明专利]一种单晶高温合金及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及单晶高温合金技术领域，尤其涉及一种Ni₃Al基单晶高温合金及其制备方法和应用。本发明提供了一种Ni₃Al基单晶高温合金，所述Ni₃Al基单晶高温合金的主承力晶体取向为[111]取向；按质量百分比计，所述Ni₃Al基单晶高温合金包括以下元素：Al 7～8.5％，Re+W≤5％，Mo7.1～7.5％，Co 5.7～6.1％，Ta4.8～5.3％，Cr 1.1～1.5％，Zr≤0.05％，C≤0.01％，B≤0.005％，Hf≤0.15％和余量的Ni。所述Ni₃Al基单晶高温合金具有较高的高温蠕变性能。

技术领域

本发明涉及单晶高温合金技术领域，尤其涉及一种单晶高温合金及其制备方法和应用。

背景技术

Ni₃Al基单晶高温合金是制备航空发动机高压涡轮叶片的关键材料，其高温蠕变性能是保证叶片在温度-应力-环境条件下长时稳定服役的核心指标之一。采用添加难熔元素Re与Ru等合金化设计方法，业界已研发出多代单晶高温合金，这些合金均选择[001]取向为主承力方向，高温蠕变性能获得了显著提升，大力支撑了航空发动机的研制。由于难熔元素过多将导致成本过高、密度过大和组织稳定性差等问题，合金高温性能难以进一步提升，研发可满足先进高推重比发动机涡轮叶片高热强、轻量化需求的新型单晶高温合金成为热点和难点。

通过控制晶体取向，选择单晶高温合金各向异性下的优势取向作为主承力方向，是可行途径之一。[111]取向八面体滑移系Schmid因子为0.27，显著低于[001]取向下Schmid因子0.41，有益于性能提升，因而[111]取向单晶合金具有比传统[001]取向合金更优异的中低温蠕变抗性、持久性能和疲劳性能。这表明[111]取向单晶高温合金具有非常优秀的综合力学性能，是一种非常有潜力的先进航空发动机涡轮叶片候选材料。但是，SRR99、CMSX-4、DD15、DD6和DD33等单晶高温合金研究表明，在传统合金化设计和微观组织调控下，[111]取向高温蠕变性能与[001]取向基本相当，[111]晶体取向的性能优势未得到发挥。也就是说，传统[001]取向单晶高温合金成分与组织不适用于[111]取向性能，并不能够充分挖掘[111]取向单晶高温合金高温蠕变性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种单晶高温合金及其制备方法和应用，所述单晶高温合金具有较高的高温蠕变性能。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种Ni₃Al基单晶高温合金，所述Ni₃Al基单晶高温合金的主承力晶体取向为[111]取向；

按质量百分比计，所述Ni₃Al基单晶高温合金包括以下元素：Al7～8.5％，Re+W≤5％，Mo7.1～7.5％，Co5.7～6.1％，Ta4.8～5.3％，Cr1.1～1.5％，Zr≤0.05％，C≤0.01％，B≤0.005％，Hf≤0.15％和余量的Ni。

优选的，包括以下元素：Al8.1～8.2％，Re1.4～1.5％，W1.8～2.0％，Mo7.4～7.5％，Co5.7～6.1％，Ta5.0～5.1％，Cr1.1～1.3％，Zr0.01％，C≤0.01％，B≤0.005％，Hf0.11～0.12％和余量的Ni。

优选的，所述Ni₃Al基单晶高温合金的基体为Ni₃Al相；

在室温中，所述Ni₃Al相的体积百分含量≥75％；

在服役温度中，所述Ni₃Al相的体积百分含量≥65％。

优选的，所述Ni₃Al基单晶高温合金的密度为8.152～8.443g/cm³。