一种无铼低密度高性能镍基单晶高温合金及其热处理工艺的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及镍基单晶高温合金领域，具体为一种无铼低密度高性能镍基单晶高温 合金及其热处理工艺，该合金主要适用于高温下（l〇〇〇-ll〇〇°C )承受高应力的零部件，如 航空发动机的涡轮叶片，导向叶片等。
【背景技术】
[0002] 高推重比发动机的研制对热端部件的承温能力不断提出更高的要求。第一代单晶 高温合金比定向柱晶高温合金的使用温度提高25~30°C ;第二代单晶高温合金（CMSX-4， Rene N5等）由于添加了 3wt. %左右的贵金属元素铼（Re),比第一代单晶高温合金使用 温度又提高了 30°C ;第三代单晶高温合金中Re含量在6wt. %左右，可使耐温能力再提高 30°C，达到1150°C左右。但是，合金承温能力提高的同时，其成本和密度也在显著提高，而且 含Re合金组织稳定性较差，容易析出有害的TCP相。我国Re资源非常有限，一旦含Re合 金大量使用，很快会造成Re的价格上涨，供应紧张，资源枯竭。因此在获得优异的高温性能 的前提下，尽量避免使用Re元素是十分必要的。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种无铼低密度高性能镍基单晶高温合金及其热处理工 艺，通过优化W，Mo, Nb, Ta等难熔金属元素含量来综合强化合金，使该镍基单晶高温合金 具有优异的低、中和高温强度和抗氧化性能，组织稳定性好。其持久和低周疲劳性能与含 3wt. % Re的第二代单晶高温合金CMSX-4相当，但不含贵重元素 Re,降低了合金成本及密 度。
[0004] 本发明的技术方案是：
[0005] -种无铼低密度高性能镍基单晶高温合金（DD455)，其化学成分（wt. % )如下：
[0006] Cr :6. 0 ~8. 0%，Co :8. 0 ~10. 0%，W :6. 0 ~9. 0%，Mo :1. 0 ~3. 0%，Nb :0 ~ 2%, Al ：3. 0 ~ 6. 0%, Ti ：1. 0 ~ 3. 0%, Ta ：1. 0 ~ 5. 0%, C ：0. 02 ~ 0. 06%, B ：0. 001 ~ 0· 003%，Ce :0 ~0· 02%，Y :0 ~0· 01%，其余为 Ni。
[0007] 优选的合金成分为（wt. % ) :Cr :6.0 ~8.0%，Co :8.0 ~10.0%，W :7.0 ~8. 5%， Mo :1. 0 ~2. 0%，Nb :1. 0 ~2. 0%，Al :3. 0 ~6. 0%，Ti :1. 0 ~3. 0%，Ta :3. 0 ~5. 0%， C :0· 03 ~0· 05%，B :0· 001 ~0· 003%，Ce :0 ~0· 02%，Y :0 ~0· 01%，其余为 Ni。
[0008] 本发明合金DD455化学成分设计主要基于如下理由：
[0009] Cr是提高合金抗热腐蚀性能的关键元素，在合金中必须添加适量的Cr,但由于高 强度合金中W、Mo等难熔金属元素高，大量加入Cr会降低合金的组织稳定性。本合金相 对于典型二代单晶高温合金而言，由于去除了 Re元素，因此适当提高了 Cr含量，其控制在 6. 0 ~8. Owt. %。
[0010] Co对TCP相有抑制作用，但过高的Co含量会降低固溶温度，导致合金高温性能降 低，为保证合金的高温性能，Co含量控制在8. 0~10.0 wt. %。
[0011] W是镍基高温合金的主要固溶强化元素，尤其在高温下的强化效果显著。W同时也 大量固溶于Y '强化相，提高Y '相的热稳定性。在不添加 Re元素的情况下，要充分发挥 W的强化效果。但过量的W会导致组织不稳定，易形成TCP相，降低合金性能。因此控制W 的含量在6. 0~9. Owt. %。
[0012] Mo也是固溶强化元素，并能增加 Y/Y '的错配度，使位错网密集，有效的阻碍位 错运动，提商合金商温性能。Mo和W分别富集于枝晶间和枝晶干，同时加入有利于合金的综 合强化。但过量的Mo也会导致有害相的析出，对合金的热腐蚀性能也有不利影响，因此控 制Mo的含量在I. 0~3. Owt. %。
[0013] Nb也是常见的固溶强化元素之一。Nb原子半径比W和Mo更大，因此固溶强化作 用比W和Mo更明显。但对于γ '相强化的镍基单晶高温合金，Nb主要溶解于γ '相。由 于Nb明显降低γ基体的堆垛层错能，所以明显降低蠕变速率，提高蠕变性能。同时，Nb还 参与硼化物形成，Nb含量过高还会引起Laves相的析出，因此在合金中加入0~2wt. %的 Nb0
[0014] Ta主要通过增加 γ '相数量、提高γ '相强度和热稳定性来提高合金的高温强度， 同时也有固溶强化作用。Ta对合金的抗氧化、抗热腐蚀性能也有有益作用，并且不引起TCP 相的形成。但是Ta的密度比较大，因此在合金中加入1. 0~5. Owt. %的Ta。
[0015] Al是在镍基高温合金中形成Y '相的基本元素，它的含量对合金高温性能起着 重要作用，同时Al的含量对合金的抗氧化性能也至关重要，因此合金中必须加入一定量的 A1，但过量的Al会降低合金的组织稳定性，导致有害相析出，因此将合金中Al的含量控制 在 3. 0 ~6. Owt. %。
[0016] Ti也是形成Y '的基本元素，合金中加入Ti后，Y '相由Ni3Al变为Ni3(AlJi)。 Ti对合金的抗热腐蚀性能也有有益作用，因此合金中的Ti控制在1. 0~3. Owt. %。
[0017] C和B是高温合金中应用最广泛的微合金化元素，加 C是为了净化合金液（脱氧）， 对抗腐蚀性能也有益，并且可以减少出现再结晶的几率，以及降低热裂倾向；加 B是为了强 化单晶合金中不可避免的小角度晶界，但是C和B的加入会降低合金的初熔温度，而且过多 量的C和B的加入在合金中会形成尺寸较大的碳化物及硼化物，这些对合金的蠕变及低周 疲劳性能有不利的影响。因此，合金中的C含量控制在0.02~0.06wt. %，B含量控制在 0. 001 ~0. 003wt. %。
[0018] Ce和Y稀土元素加入到合金中，主要有以下三种有益作用。作为净化剂有脱氧和 脱硫的作用；作为微合金化元素偏聚与小角晶界和亚晶界，起强化作用；作为活性元素改 善合金的抗氧化性能。因此合金中加入了少量的稀土元素。
[0019] 上述各元素的合理配比以及合理的热处理制度是使本发明合金获得良好综合性 能的保证。
[0020] 本发明采用真空感应炉熔炼化学成分符合要求的母合金，然后利用液态金属冷却 (LMC)或高速凝固法（HRS)定向凝固工艺制备单晶部件，使用前须经过如下工艺热处理：
[0021] (1)温度 1275-1285°C，时间 6-10h，空冷至室温；
[0022] (2)温度1080-11KTC，时间4_6h，空冷至室温；
[0023] (3)温度840-870°C，时