專利名稱：一種新型定向鎳基高溫合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬材料領(lǐng)域，涉及一種用于燃?xì)廨啓C(jī)熱端零部件的一種新型定向鎳
其言々日A么垂間Yhh 口無o
背景技術(shù)：
要提高渦輪前進(jìn)口溫度和燃機(jī)性能，關(guān)鍵在于提高葉片的承溫能力，葉片承溫能力的提高取決于材料承溫能力的提高和冷卻技術(shù)的應(yīng)用。燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片與航空發(fā)動(dòng)機(jī)相比，燃?xì)廨啓C(jī)熱端零部件的工作環(huán)境要惡劣的多，地面燃機(jī)大多采用柴油或劣質(zhì)燃油，含硫、鈉等雜質(zhì)，造成熱腐蝕，對(duì)高溫合金部件破壞作用大；壽命要求長(zhǎng)，通常達(dá)幾萬乃至幾十萬小時(shí)；承受基本載荷的時(shí)間長(zhǎng)、溫度高；重型燃機(jī)熱端部件尺寸大、重量大。這就要求重型燃機(jī)用合金具有良好的綜合性能，包括抗高溫蠕變性能、抗熱腐蝕性能、鑄造性能、長(zhǎng)時(shí)組織穩(wěn)定性等，而葉片尺寸大也給其鑄造工藝帶來了難題。國(guó)外工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)材料發(fā)展始于20世紀(jì)50年代，其發(fā)展經(jīng)歷了變形合金、無余量精密鑄造合金、定向合金以及單晶合金四個(gè)階段。從早期的變形等軸晶合金到目前最高水平的單晶合金，材料的承溫能力提高了 300°C。高溫部件材料早期有S816、GJP450、U500、Rene80、X-40、In738、In792、In939、GTD 111、H C 88、H C 88y 等系列等軸晶合金，隨后發(fā)展的定向合金有 DS GTDlIU DS GTD222、DS GTD444、DS GTD141、CM186、DS In792、EX A17、MGAHOODS 等，近些年還發(fā)展了 PWA1483、TMS82+、CMSX-4、CMSXlIB、CMSXl 1C、AF56 等單晶合金，其中In738、DS GTDlll合金分別是國(guó)外目前應(yīng)用最為廣泛的、最具代表性的地面燃機(jī)用等軸晶合金和定向合金。國(guó)內(nèi)在70年代開始了地面燃?xì)廨啓C(jī)用高溫合金的研究，以仿制為主，其中最具有代表性的有等軸晶合金K438 (IN738合金的仿制合金)；等軸晶K444合金(烏克蘭H C 88y合金的仿制合金)以及定向合金DZ411合金(DS GTDlll合金的仿制合金)。定向凝固技術(shù)的應(yīng)用使高溫合金的性能進(jìn)一步提高，根據(jù)美國(guó)GE公司的數(shù)據(jù)，與同材料的等軸晶葉片相比，定向葉片的蠕變使用溫度提高22°C，拉伸強(qiáng)度提高25 %，拉伸塑性改進(jìn)100 %，疲勞性能提高9倍，沖擊強(qiáng)度提高33%。從制造成本角度考慮，定向制件的工藝流程相對(duì)簡(jiǎn)單、成品率高并且檢測(cè)費(fèi)用低，鑄造成本低于單晶制件，因此定向材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用很廣；尤其是地面燃?xì)廨啓C(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸大，采用單晶制件，相應(yīng)制造難度和制造成本都大幅度增加。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種應(yīng)用于地面燃?xì)廨啓C(jī)、艦船燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件，在含腐蝕介質(zhì)環(huán)境中使用并具有長(zhǎng)壽命要求的一種新型定向鎳基高溫合金。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是，該合金的化學(xué)成分及其質(zhì)量百分比為A1 3. 0 5. 5% ;Ti 0. 5 4. 0% ；Cr 9. 0 12. 0%；Ta 5. 0 7. 0%；Co 7. 0 10. 0%；ff 4. 0 7. 0%；Mo I. 0 3. 0%；Hf0 2. 0%;Re 0 4 ;C 0. 02 0. 15% ；B 0. 002 0. 02%，余量為鎳。本發(fā)明具有顯著的優(yōu)點(diǎn)和有益效果，本發(fā)明的主要技術(shù)方案是通過添加W、Mo、Ta、Al、Ti、Hf、B、C含量來保證合金的強(qiáng)度，控制Cr、Ti等對(duì)耐熱腐蝕性能有益的元素含量，保證合金的耐熱腐蝕性能，控制Al、Ti以及Hf的含量使合金獲得良好的鑄造性能，最終獲得具有良好的綜合性能的成分范圍。本發(fā)明合金的顯微組織主要由、、、'、MC相及少量的M23Cf^g組成。合金組分中加入的Ta、Mo、W等高熔點(diǎn)元素固溶強(qiáng)化了基體、相和Y'相；Al、Ti、Hf形成的Y '相及少量的碳化物對(duì)合金進(jìn)行第二相強(qiáng)化；C、B等元素進(jìn)行晶界強(qiáng)化。本發(fā)明具有良好的高溫強(qiáng)度、良好的組織穩(wěn)定性、鑄造性能以及高溫耐熱腐蝕性能，9000C /5000h時(shí)效后合金中沒有TCP相析出，合金能夠鑄造出最小厚度達(dá)到0. 5mm的復(fù)雜空心薄壁結(jié)構(gòu)制件，力學(xué)性能優(yōu)于IN738(國(guó)內(nèi)牌號(hào)K438)合金以及DS GTDlll合金(國(guó)內(nèi)牌號(hào)DZ411合金)，900°C涂鹽熱腐蝕條件下(Na2SO4 NaCl = 9 1，涂鹽量0. 6mg/cm2)，IOOh試驗(yàn)后合金的平均腐蝕速率小于0. 5mg/cm2 h，與DSGTDl 11合金相近，明顯優(yōu)于普通航空發(fā)動(dòng)機(jī)用定向鎳基高溫合金，如DZ125合金，平均腐蝕速率為20mg/cm2 h。本發(fā)明合金耐腐蝕性能優(yōu)良，同時(shí)具有良好的高溫力學(xué)性能，特別適用于先進(jìn)地面燃?xì)廨啓C(jī)的熱端部件材料。


圖I是本發(fā)明合金與DS GTDlll合金應(yīng)力-Lason-Miller參數(shù)曲線。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明是通過以下措施來實(shí)現(xiàn)的該新型定向鎳基高溫合金，其化學(xué)成分及其質(zhì)量百分比為A1 3.0 5.5%;TiO. 5 4. 0% ；Cr 9. 0 12. 0% ；Ta 5. 0 7. 0% ；Co 7. 0 10. 0% ;W 4. 0 I. 0% ；Mo
I.0 3. 0% ；Hf 0 2. 0% ;Re 0 4 ；C 0. 02 0. 15% ；B 0. 002 0. 02%，余量為鎳。本發(fā)明采用雙真空感應(yīng)法冶煉，首先采用真空感應(yīng)熔煉爐冶煉成分合格的母合金。母合金成分合格后，可采用熔模精密鑄造法在真空感應(yīng)熔煉爐內(nèi)鑄成燃?xì)廨啓C(jī)渦輪熱端部件或其它所應(yīng)用的部件。實(shí)施例一合金的化學(xué)成分及其質(zhì)量百分比為A1 5. 5% ；Ti 3. 0% ；Cr :11.0% ；Ta 7. 0% ；Co 9. 0% ；ff 7. 0% ；Mo 3. 0% ；Hf :2. 0% ；C :0. 15% ；B :0. 02%，余量為鎳。首先采用真空感應(yīng)熔煉爐冶煉成分合格的母合金。母合金成分合格后，可采用熔模精密鑄造法在真空感應(yīng)熔煉爐內(nèi)鑄成燃?xì)廨啓C(jī)渦輪熱端部件。實(shí)施例二合金的化學(xué)成分及其質(zhì)量百分比為A1 3. 0% ；Ti 0. 5% ；Cr 9. 0% ；Ta 5. 0% ；Co 7. 0% ；ff 4. 0% ；Mo 1. 0% ；C 0. 05% ；B :0. 005%，余量為鎳。首先采用真空感應(yīng)熔煉爐冶煉成分合格的母合金。母合金成分合格后，可采用熔模精密鑄造法在真空感應(yīng)熔煉爐內(nèi)鑄成燃?xì)廨啓C(jī)渦輪熱端部件。實(shí)施例三合金的化學(xué)成分及其質(zhì)量百分比為A1 4. 0% ；Ti 2. 0% ；Cr 10% ；Ta 6% ；Co 8. 0% ；ff 6. 0% ；Mo 2. 0% ；Hf :1. 0% ；C :0. 1% ；B :0. 015%，余量為鎳。
首先采用真空感應(yīng)熔煉爐冶煉成分合格的母合金。母合金成分合格后，可采用熔模精密鑄造法在真空感應(yīng)熔煉爐內(nèi)鑄成燃?xì)廨啓C(jī)渦輪熱端部件。實(shí)施例四合金的化學(xué)成分及其質(zhì)量百分比為A1 4. 0% ；Ti 2. 0% ；Cr 10% ；Ta 6% ；Co 8. 0% ；ff 6. 0% ；Mo 2. 0% ；Hf :1. 0% ；Re :2. 0% ；C :0. 1% ；B :0. 015%，余量為鎳。首先采用真空感應(yīng)熔煉爐冶煉成分合格的母合金。母合金成分合格后，可采用熔模精密鑄造法在真空感應(yīng)熔煉爐內(nèi)鑄成燃?xì)廨啓C(jī)渦輪熱端部件 本發(fā)明合金為一種定向高溫合金，與目前地面燃機(jī)上應(yīng)用比較廣泛的IN738(國(guó)內(nèi)牌號(hào)K438合金)、DS GTDlll合金(國(guó)內(nèi)牌號(hào)DZ411合金)進(jìn)行性能比較，結(jié)果顯示綜合性能良好。表I為上述三種合金的950°C抗氧化性能比較，表2為本專利合金與其它合金的900°C涂鹽熱腐蝕性能比較，表3為上述三種合金的室溫拉伸性能比較，表4為上述三種合金的高溫持久性能比較，圖I為本發(fā)明合金與DS GTDlll合金的應(yīng)力-拉森-米勒參數(shù)曲線。由圖表可以看出，本發(fā)明合金具有良好的抗氧化性能和耐熱腐蝕性能，合金950°C抗氧化性能優(yōu)于IN738(國(guó)內(nèi)牌號(hào)K438)合金以及DS GTDlll合金(國(guó)內(nèi)牌號(hào)DZ411合金)，合金的900°C涂鹽熱腐蝕性能與DS GTDlll合金接近，平均腐蝕速率均在0. 5mg/cm2 h以下。本發(fā)明合金的室溫拉伸以及持久等力學(xué)性能明顯優(yōu)于IN738合金以及DS GTDlll合金，其中本發(fā)明合金在相近的壽命和載荷條件下，工作溫度比K438合金高出約50°C ;本發(fā)明合金與DS GTDlll合金應(yīng)力-Lason-Miller參數(shù)曲線的對(duì)比則表明，本發(fā)明合金比DS GTDlll合金的承溫能力高出約10 20°C，本發(fā)明合金相比IN738(國(guó)內(nèi)牌號(hào)K438)合金以及DSGTDlll合金(國(guó)內(nèi)牌號(hào)DZ411合金)在力學(xué)性能方面具有明顯的優(yōu)越性。表I本發(fā)明合金、K438合金以及DS GTDlll合金抗氧化性能
權(quán)利要求
1.一種新型定向鎳基高溫合金，其特征在于該合金的化學(xué)成分及其質(zhì)量百分比為Al 3. O 5. 5% ；Ti 0. 5 4. 0% ；Cr 9. 0 12. 0% ；Ta 5. 0 7. 0% ；Co 7. 0 10. 0% ；W 4. 0 7. 0% ；Mo I. 0 3. 0% ；Hf 0 2. 0% ;Re 0 4 ；C 0. 02 0. 15% ；B 0. 002 0.02%,余量為鎳。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種新型定向鎳基高溫合金，其特征在于該合金的化學(xué)成分及其質(zhì)量百分比為(Al+Ti) <9%。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種新型定向鎳基高溫合金，其特征在于該合金的化學(xué)成分及其質(zhì)量百分比為=10. 5%^ (ff+Mo+Ta) ( 16%。
全文摘要
本發(fā)明屬于金屬材料領(lǐng)域，涉及一種用于燃?xì)廨啓C(jī)熱端零部件的新型定向鎳基高溫合金。該合金的化學(xué)成分及其質(zhì)量百分比為Al 3.0～5.5％；Ti 0.5～4.0％；Cr 9.0～12.0％；Ta 5.0～7.0％；Co 7.0～10.0％；W 4.0～7.0％；Mo 1.0～3.0％；Hf0～2.0％；Re 0～4；C 0.02～0.15％；B 0.002～0.02％，余量為鎳。本發(fā)明具有良好的高溫強(qiáng)度、組織穩(wěn)定性、鑄造性能以及高溫耐熱腐蝕性能，合金900℃/5000h時(shí)效后沒有TCP相析出，專利合金的900℃涂鹽熱腐蝕性能與DS GTD111合金接近，專利合金承溫能力比DS GTD111合金高10～20℃，適于鑄造定向薄壁空心鑄件。
文檔編號(hào)C22C19/05GK102653832SQ20121011688
公開日2012年9月5日 申請(qǐng)日期2012年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月19日
發(fā)明者宋盡霞, 李明, 李青, 楊海青, 肖程波 申請(qǐng)人:中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司北京航空材料研究院