一种高强铌硅单晶合金的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于高温结构材料领域，具体涉及一种高强铌硅单晶合金，主要适用于在 高温下承受高应力的零件，如航空发动机的涡轮叶片。
【背景技术】
[0002] 涡轮发动机应用于航空、地面、舰艇等动力系统，其热端部件在高温、高压、高应力 条件下工作，因此对材料提出了苛刻的要求，例如涡轮叶片材料需要具有较高的工作温度、 高温强度、持久和蠕变强度、抗氧化性、疲劳性能、以及室温塑韧性。
[0003] 目前应用最广的涡轮叶片材料是镍基单晶高温合金。随着涡轮发动机性能的提 高，涡轮进口温度逐渐升高，对涡轮叶片材料的工作温度要求也越来越高。现阶段镍基单晶 高温合金的最高工作温度接近1150°C，这已经达到镍基高温合金的极限。要想进一步提高 涡轮叶片的工作温度，必须开发新型高温结构材料。铌硅合金具有较高的熔点、高温强度和 抗蠕变性，以及适中的抗氧化性和室温韧度，工作温度达到1200°C以上，成为未来涡轮叶片 的重要候选材料。
[0004] 铌硅二元合金具有较高的高温强度和抗蠕变性，但室温脆性较大，严重阻碍了其 工程应用。通过添加Ti元素可显著提高铌硅合金的室温韧度，但另一方面Ti元素降低合 金的熔点和高温强度，在此基础上通过添加多元合金化元素，可获得室温韧度与高温强度 的平衡。美国GE公司开发了RMIC铌硅合金（美国专利US6419765)，采用定向凝固工艺制 备的RMIC铌硅合金具有较好的综合力学性能，但高温持久性能有待进一步提高。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种铌硅单晶合金，在保持与定向凝固RMIC铌硅合金室 温韧度相当的基础上，显著提高高温持久性能。
[0006] 根据本发明的目的，同时考虑到各合金元素的作用，发明人令人惊讶地发现降低 Si含量，提高Ti含量，并加入难熔元素Re和稀土元素Y，能够显著提高铌硅合金的高温持 久性能。
[0007] 基于上述发现，本发明的第一方面提供一种铌硅合金，其具体化学成分（原子百 分比）如下：
[0008] Si5-15%,Τ?20-35%,Cr5-20%,HfO. 5-6%,TaO. 5-6%,Mo〇-6%,ff〇-6%, Rel-8%，BO-3%，Y0. 001-0. 5%，余量为Nb。
[0009] 在本发明的一个实施方案中，本发明所述的硅铌合金，其特征在于以下i)至x)中 的一项或多项：
[0010] i)Si的含量（原子百分比）为 7-12% (例如 7%、10%、11 %、12% );
[0011] ii)Ti的含量（原子百分比）为 25-30% (例如 28%、25%、26%、27%、30% );
[0012]iii)Cr的含量（原子百分比）为 10-15% (例如 13 %、10%、15%、11 %、12 %、 14% )；
[0013] iv)Hf的含量（原子百分比）为1-5% (例如1%、4%、2%、5% );
[0014] v)Ta的含量（原子百分比）为1-5% (例如5%、4%、3%、2%、1% );
[0015] vi)Mo的含量（原子百分比）为 1-5% (例如 3%、4%、2%、5%、1% );
[0016] vii)W的含量（原子百分比）为 1-5% (例如 4%、3%、1%、2%、5% );
[0017] viii)Re的含量（原子百分比）为 2-6% (例如 3%、2%、6%、4%、5% );
[0018] ix)B的含量（原子百分比）为 0· 1-2% (例如 0· 1%、0·5%、1%、1·5%、2% );
[0019] x)Y的含量（原子百分比）为 0· 001-0. 1 % (例如 0· 001 %、0· 01 %、0· 05 %、 0.1% )〇
[0020] 在本发明的另一个实施方案中，本发明前述任一项所述的铌硅合金，其具体化学 成分（原子百分比）如下：
[0021] Si7-12%,Τ?25-30%,Crl〇-15%,Hfl-5%,Tal-5%,Mol-5%,ffl-5%,Re2-6%, Β0· 1-2%，Υ0· 001-0. 1%，余量为Nb。
[0022] 在本发明的另一个实施方案中，本发明前述任一项所述的铌硅合金为单晶合金。
[0023] 在本发明的另一个实施方案中，本发明前述任一项所述的铌硅合金的室温断裂韧
[0024] 在本发明的另一个实施方案中，本发明前述任一项所述的铌硅合金在 1100°C/240MPa条件下持久寿命大于200小时，优选大于240小时。
[0025] 在本发明的另一个实施方案中，本发明前述任一项所述的铌硅合金在 1200°C/170MPa条件下持久寿命大于100小时，优选大于130小时。
[0026] 本发明的第二方面提供一种制备本发明前述任一项所述的铌硅合金的方法，该方 法采用真空感应炉熔炼，先浇铸成化学成分符合要求的母合金，然后采用螺旋选晶法生长 成单晶零部件。
[0027] 本发明的第三方面提供一种涡轮叶片，由本发明前述任一项所述的铌硅合金制 成。
[0028] 本发明所述的铌硅合金的化学成分设计，主要基于如下理由：
[0029] 1)Si元素决定硅化物相的含量，硅化物有利于提高合金的高温强度和抗蠕变性， 但明显降低室温韧度，不宜添加过多，因此在合金中加入5-15 %的Si，优选加入7-12 %的 Si。
[0030] 2)Ti元素可以显著提高合金室温韧度，但是含量过多会降低合金熔点和高温强 度，并且容易发生偏析，因此在合金中加入20-35%的Ti，优选加入25-30%的Ti。
[0031] 3)Cr元素有利于形成Laves相--Cr2Nb相，显著提高合金抗氧化性，但会降低合 金室温韧度和高温强度，因此在合金中加入5-20%的Cr，优选加入10-15%的Cr。
[0032] 4)Hf元素通过固溶强化可提高合金高温强度和抗蠕变性，并且有利于提高合金抗 氧化性，但含量过多容易形成铪的氧化物降低合金高温强度，因此在合金中加入〇. 5-6%的 Hf，优选加入1-5%的肚。
[0033]5)Ta、Mo、W等难熔元素可起到固溶强化作用，显著提高合金高温强度，但也导致 合金室温韧度明显降低以及密度的升高，不宜添加过多，因此在合金中加入〇. 5-6%的Ta、 0-6% 的Mo、0-6% 的W，优选加入 1-5% 的Ta、1-5% 的Mo、1-5% 的W。
[0034] 6)Re元素是重要的强化元素，可降低合金体扩散系数，减缓由扩散控制的过程，显 著提高合金抗蠕变和持久性能，但Re元素资源稀少，价格昂贵，因此在合金中添加1-8%的 Re，优选加入2-6%的Re。
[0035] 7)B元素固溶于硅化物中，可提高合金的高温强度，但会降低合金室温韧度，因此 在合金中添加0-3%的B，优选加入0. 1-2%的B。
[0036] 8)Y元素有利于提高氧化膜与基体的结合力，从而显著提高合金抗氧化性，因此在 合金中添加0. 001-0. 5%的Y，优选加入0. 001-0. 1 %的Y。
[0037] 发明的有益效果
[0038] 本发明的铌硅合金为单晶合金，具有优异的室温韧度、高温强度、高温持久和高温 抗氧化性能，可在高温高应力环境下使用，适用于制造在高温下承受高应力的零件，如航空 发动机的涡轮叶片。
[0039] 本发明的铌硅单晶合金的室温断裂韧度大于
持久性能： 1100°C/240MPa下持久寿命大于200小时，1200°C/170MPa下持久寿命大于100小时。
[0040] 与RMIC铌硅合金相比，本发明的铌硅单晶合金的室温断裂韧度相当，但持久性能 显著提高。
【附图说明】
[0041] 图1实施例中NG1单晶合金横截面组织照片；
[0042] 图2实施例中NG1单晶合金纵截面组织照片。
【具体实施方式】
[0043] 下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会 理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体 条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用材料或设备未注明生产厂商者，均为 可以通过市购获得的常规产品。
[0044] 实施例
[0045] 根据本发明化学成分范围，选取4个典型成分，分别表示为NG1、NG2、NG3、NG4(见 表1)。首先采用真空感应熔炼，浇铸成化学成分符合要求的母合金，然后采用螺旋选晶法 生长成铌硅单晶试棒，再经过机械加工后进行室温断裂韧度和持久性能测试。其中编号为 NG1的单晶合金横截面组织照片和纵截面组织照片分别如图1和图2所示。
[0046] 与此同时，作为对比例，还制备了定向凝固RMIC铌硅合金 Nb-16Si-20Ti-10Cr-2Hf-2Al-lSn(原子百分比），也对其进行了室温断裂韧度和持久性能 测试，与本发明合金做性能对比。
[0047] 本实施例中所述的室温断裂韧度测试按照HB5142-1996金属材料平面应变断 裂韧度KIC试验方法进行，所得结果见表2。本实施例中所述的持久性能测试按照GB/ T2039-1997金属拉伸蠕变及持久试验方法进行，分别在1100°C/240MPa和1200°C/170MPa 两个条件下进行，所得结果见表3。
[0048] 由表2和表3的数据可以看出，本发明制备的铌硅单晶合金的室温断裂韧度大于
;1100°C/240MPa下持久寿命大于200小时，1200°C/170MPa下持久寿命大于 100小时。与对比例RMIC铌硅合金相比，本发明的铌硅单晶合金的室温断裂韧度相当，但持 久性能显著提高。
[0049] 表1本发明实施例的化学成分（原子百分比）
[0051] 表2本发明实施例和RMIC合金的室温断裂韧度
[0053] 表3本发明实施例和RMIC合金的持久性能
【主权项】
1. 一种铌硅合金，其具体化学成分（原子百分比）如下： Si5-15%,Τ?20-35%,Cr5-20%,HfO. 5-6%,TaO. 5-6%,Mo〇-6%,ff〇-6%,Rel-8%,BO-3%，YO. 001-0. 5%，余量为Nb。2. 权利要求1所述的硅铌合金，其特征在于以下i)至x)中的一项或多项： i) Si的含量（原子百分比）为7-12% ; ii)Ti的含量（原子百分比）为25-30% ; iii)Cr的含量（原子百分比）为10-15% ; iv)Hf的含量（原子百分比）为1-5% ; v)Ta的含量（原子百分比）为1-5% ; vi)Mo的含量（原子百分比）为1-5% ; vii)W的含量（原子百分比）为1-5% ; viii)Re的含量（原子百分比）为2-6% ; ix)B的含量为（原子百分比）0. 1-2% ; χ)Υ的含量为（原子百分比）0.001-0. 1%。3. 权利要求1所述的铌硅合金，其具体化学成分（原子百分比）如下： Si7-12%,Τ?25-30 %,Crl〇-15%,Hfl-5%,Tal-5%,Mol-5%,ffl-5%,Re2-6%, BO. 1-2%，Y0. 001-0. 1%，余量为Nb。4. 权利要求1至3任一项所述的铌硅合金，所述的合金为单晶合金。5. 权利要求1至4任一项所述的铌硅合金，所述的合金的室温断裂韧度大于6. 权利要求1至5任一项所述的铌硅合金，所述的合金在1100°C/240MPa条件下持久 寿命大于200小时，优选大于240小时。7. 权利要求1至6任一项所述的铌硅合金，所述的合金在1200°C/170MPa条件下持久 寿命大于100小时，优选大于130小时。8. 权利要求1-7任一项所述的铌硅合金的制备方法，该方法采用真空感应炉熔炼，先 浇铸成化学成分符合要求的母合金，然后采用螺旋选晶法生长成单晶零部件。9. 一种涡轮叶片，由权利要求1-7任一项所述的铌硅合金制成。
【专利摘要】本发明提供一种铌硅合金，由Nb、Si、Ti、Cr、Hf、Ta、Mo、W、Re、B、Y等元素组成。本发明的铌硅合金为单晶合金，具有优异的室温韧度、高温强度、高温持久和高温抗氧化性能，可在高温高应力环境下使用，适用于制造在高温下承受高应力的零件，如航空发动机的涡轮叶片。
【IPC分类】C22C27/02, C30B29/52, F01D5/28, C22C30/00
【公开号】CN105296832
【申请号】CN201410245563
【发明人】李玉龙
【申请人】中航商用航空发动机有限责任公司
【公开日】2016年2月3日
【申请日】2014年6月5日