專(zhuān)利名稱(chēng)：一種高強(qiáng)度抗腐蝕鎳基單晶高溫合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高溫合金技術(shù)，特別提供了一種高強(qiáng)度抗熱腐蝕鎳基單晶高溫合金M09A。
背景技術(shù)：
抗腐蝕高溫合金是為了滿(mǎn)足航空、航海及地面燃機(jī)對(duì)抗腐蝕性能的特殊需求而發(fā) 展的。由于Cr元素具有良好的抗熱腐蝕能力，所以在抗腐蝕高溫合金中都含有較高Cr。國(guó) 外發(fā)展的著名抗腐蝕高溫合金有普通多晶合金IN738和N792等以及單晶高溫合金PWA1483 等，它們?cè)趪?guó)內(nèi)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片材料上已經(jīng)廣泛應(yīng)用。我國(guó)發(fā)展的抗腐蝕高溫合金有普 通多晶合金M38、定向凝固合金DZ38G以及單晶合金DD3，DD4和DD8等。其中，M38和DZ38G 已經(jīng)應(yīng)用在海洋環(huán)境中。實(shí)驗(yàn)證明，這些合金具有良好的抗熱腐蝕性能，但由于Cr含量高， 致使其進(jìn)一步合金化時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的偏析，甚至出現(xiàn)TCP相，導(dǎo)致合金的強(qiáng)度和組織穩(wěn)定性 下降。一直以來(lái)，如何解決抗熱腐蝕合金的強(qiáng)化問(wèn)題是抗熱腐蝕高溫合金發(fā)展和應(yīng)用過(guò)程 中的關(guān)鍵問(wèn)題。近年來(lái)發(fā)展的高溫合金，尤其是第四、五代單晶高溫合金，都添加了大量的高熔點(diǎn) 元素，如W，Mo, Ta，Ru，Re，Ir等，主要是為了提高高溫蠕變抗力，但是Ru，Re，Ir等是貴金 屬元素，也是戰(zhàn)略元素，在實(shí)際應(yīng)用中將越來(lái)越受限制。同時(shí)由于這些元素的添加降低了合 金的組織穩(wěn)定性。因此單晶高溫合金中Cr含量越來(lái)越低，重量百分比甚至小于5%，導(dǎo)致合 金的抗熱腐蝕性能下降。目前我國(guó)抗熱腐蝕合金材料尚未解決，主要是強(qiáng)度-抗熱腐蝕性能如何結(jié)合的問(wèn) 題，為此本發(fā)明提供了一種高強(qiáng)抗腐蝕單晶高溫合金。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高強(qiáng)度和高抗熱腐蝕性能鎳基單晶高溫合金，以解決 合金的強(qiáng)度和抗熱腐蝕性能的結(jié)合問(wèn)題。本發(fā)明提供一種高強(qiáng)度抗腐蝕鎳基單晶高溫合金M09A，其特征在于它是由以 下成分按質(zhì)量百分比組成Cr 11. 0% 15. 0%，Co 8. 0% 9. 0%，Mol. 8% 2. 2%，W 3. 5% 4.4%，Ta 5.0% 6.0%，Al 4.0% 5.4%，Ti 2. 5% 3.5%，B 0.004% 0. 007%, C 0. 01% 0. 03%, Ni 余量。本發(fā)明提供的高強(qiáng)度抗腐蝕鎳基單晶高溫合金M09A，其成分特點(diǎn)在于1.本發(fā)明將Cr的質(zhì)量含量控制在11. 0% 15. Owt%范圍內(nèi)，使合金含有足夠高 的Cr含量，以保證合金優(yōu)良的抗腐蝕性能。如果Cr的質(zhì)量含量低于11. 0%時(shí)，則導(dǎo)致合金 抗腐蝕性能變差；如果Cr的質(zhì)量含量高于15.0wt%時(shí)，會(huì)生成大量的α-Cr相，致使合金 的組織穩(wěn)定性和高溫強(qiáng)度下降。2.本發(fā)明通過(guò)使合金中含有較高的Al含量4.0% 5. 4襯％和較低的Ti含量 2. 5% 3. 5wt%，以保證合金良好的抗氧化性能和較高的室溫和高溫強(qiáng)度。優(yōu)選Al和Ti的質(zhì)量含量總和在7. 20% 7. 80%范圍內(nèi)，此時(shí)，合金的抗氧化性和室溫及高溫的強(qiáng)度到
達(dá)最佳。 3.本發(fā)明提供的合金中含有微量晶界強(qiáng)化元素B和C，其中B含量為0. 004% 0. 007%, C的含量為0. 01% 0. 03%,以強(qiáng)化單晶高溫合金中的小角度晶界，并提高組織 穩(wěn)定性。4.本發(fā)明提供的合金中含有較高的W，Mo，Ta等強(qiáng)化元素，使合金具有較好的高溫 持久性能和較高的高溫強(qiáng)度。本發(fā)明提供的高強(qiáng)度抗腐蝕鎳基單晶高溫合金是采用單晶工藝和高溫均勻化熱 處理工藝，消除晶界，抑制偏析，提高組織穩(wěn)定性。本發(fā)明提供的合金的具體制備方法如下母合金采用真空感應(yīng)熔煉，所用材料為一種Ni-Cr-Al-Co-Ti-Ta-W-Mo系合金。經(jīng) 真空感應(yīng)爐熔煉澆注成直徑為Φ83πιπι的母合金錠，然后打磨去除氧化皮，切割成合適的塊 料用于制備單晶試棒。在工業(yè)用大型雙區(qū)加熱Z⑶-2真空高梯度單晶爐上制備Μ09Α單晶高溫合金。它 主要由加熱系統(tǒng)、提拉系統(tǒng)和真空系統(tǒng)構(gòu)成。加熱系統(tǒng)的功率為30kW，用低電壓大電流使高 純石墨感應(yīng)發(fā)熱體加熱。用光學(xué)測(cè)溫儀測(cè)溫，最高爐溫可達(dá)到1700°C。試樣底部有水冷銅 環(huán)進(jìn)行冷卻，爐內(nèi)溫度梯度可達(dá)到50-100°C/cm。采用可控硅控制抽拉速率，抽拉速率可以 在0. 5-12mm/min范圍內(nèi)連續(xù)無(wú)級(jí)可調(diào)。真空系統(tǒng)由擴(kuò)散泵和前置機(jī)械泵組成，抽氣速率為 1501/s，工作真空度為10_3Pa。<001>取向的合金直接以選晶法制備。母合金熔化后澆注到模殼內(nèi)，當(dāng)合金液加熱 到適當(dāng)?shù)纳舷聟^(qū)溫度后，以一定的速率下拉制成200mmX55mmX4mm的單晶試棒。本發(fā)明提供的高強(qiáng)度抗腐蝕鎳基單晶高溫合金，其優(yōu)點(diǎn)在于1、具有良好的抗熱腐蝕性能，與典型的抗腐蝕高溫合金IN738相當(dāng)，但其力學(xué)性 能明顯高于抗腐蝕高溫合金IN738。2、具有優(yōu)異的高溫持久性能，使用壽命長(zhǎng)，已達(dá)到國(guó)外第一代單晶高溫合金 CMSX-2、AM3和MC2的水平，并超過(guò)國(guó)內(nèi)抗腐蝕單晶高溫合金DD3、DD4和DD8的水平。3、室溫和高溫屈服強(qiáng)度高，超過(guò)國(guó)內(nèi)抗腐蝕單晶高溫合金DD4和DD8水平，與國(guó)外 第二代單晶高溫合金CMSX-4相當(dāng)。此外，本發(fā)明提供的高強(qiáng)度抗腐蝕鎳基單晶高溫合金不含難熔貴金屬元素Hf、Re 和Ru等貴重金屬元素，合金密度低8. 35g/cm3，工藝性能好，易回收。


圖1 為M09A與國(guó)外一代單晶合金CMSX-2、MC2和合金AM3的L-M曲線(xiàn)；圖2 為M09A與抗熱腐蝕單晶高溫合金DD4和DD8的L-M曲線(xiàn)；
具體實(shí)施例方式以下為本發(fā)明的具體實(shí)施方式
，但其并不限制本發(fā)明。合金的具體制備方法如下先在25Kg真空感應(yīng)爐熔煉無(wú)碳的實(shí)施例中成分的母合金，澆注成直徑為Φ83πιπι的母合金錠，然后在5Kg真空感應(yīng)爐中分別添加相應(yīng)的碳，添加相應(yīng)的鉻，制備上述成分的 合金錠，打磨去除氧化皮，切割成合適的塊料用于制備下表成分的單晶試棒。
按照上述方法制備實(shí)施例1-實(shí)施例7中的合金，其成分組成具體如表1所示。表1 實(shí)施例1-實(shí)施例7及對(duì)比例1-對(duì)比例4的成分組成(wt % ) 熱處理后M09A合金的高溫持久性能與國(guó)外一代單晶高溫合金CMSX-2，MC2和低密 度單晶高溫合金AM3相當(dāng)(見(jiàn)附圖1)，優(yōu)于國(guó)內(nèi)抗熱腐蝕單晶高溫合金DD4和DD8 (見(jiàn)附圖 2)。再將上述實(shí)施例1-實(shí)施例7中的合金在真空感應(yīng)爐中熔煉制備母合金，在真空單 晶爐中制備φ16試棒，單晶軸向取向?yàn)?lt;001>方向，偏離度小于5°C;再制成直徑φ13，厚4mm 試片。熱處理后，其中熱處理制度為1230°C /2h+1245°C /4h+1100°C /2h+870°C /24h。在 900°C，環(huán)境為75wt% Na2S04+25wt% NaCl條件下進(jìn)行腐蝕實(shí)驗(yàn)。與抗腐蝕高溫合金IN738 相比較，M09A的腐蝕失重速率與IN738合金相當(dāng)見(jiàn)表2。表2 實(shí)施例1-7成分的M09A與IN738合金的腐蝕失重速率(mg/cm2) 本發(fā)明實(shí)施例1-實(shí)施例7中的合金Μ09Α表現(xiàn)較高的室溫和高溫屈服強(qiáng)度。與國(guó) 內(nèi)外單晶高溫合金的室溫和高溫屈服強(qiáng)度相比，超過(guò)國(guó)內(nèi)抗腐蝕單晶高溫合金DD3、DD4和 DD8的水平，與國(guó)外第二代單晶高溫合金CMSX-4相當(dāng)見(jiàn)表3。表3M09A合金與CMSX-4、DD3、DD4和DD8合金的持久壽命 本實(shí)施例調(diào)整了 Cr含量，分別為11. 04、12. 14、15. 03 (表1中成分序號(hào)2，3，4)，三 種Cr含量的M09A合金表現(xiàn)出相當(dāng)?shù)母邷爻志眯阅?見(jiàn)圖1)；表現(xiàn)出相當(dāng)?shù)目垢g性能， 其中實(shí)施例4合金的抗腐蝕性能最好(表2中實(shí)施例4)，但室溫和高溫屈服強(qiáng)度稍差(表 3中實(shí)施例4)；表現(xiàn)出相當(dāng)?shù)氖覝睾透邷厍?qiáng)度，其中實(shí)施例3合金的室溫和高溫屈服強(qiáng) 度最高，但抗腐蝕性能較差(表2實(shí)施例3)。Cr含量在本實(shí)施以外的合金DD3(下限以外) 和DD8 (上限以外)的高溫持久性能(見(jiàn)圖1)、室溫和高溫屈服強(qiáng)度(見(jiàn)表3)均不如M09A本實(shí)施例調(diào)整了 C含量，分別為0. 01、0· 012和0. 017,0. 25,0. 030 (見(jiàn)表1)，五種 碳含量的M09A合金表現(xiàn)出相當(dāng)?shù)母邷爻志眯阅?見(jiàn)圖1)、抗腐蝕性能(見(jiàn)表2)、室溫和高 溫屈服強(qiáng)度(見(jiàn)表3)，而且上述性能在五種不同碳含量時(shí)波動(dòng)微小(表1中成分實(shí)施例1， 2,5,6,7) ο碳含量因此控制在0. 01-0. 03范圍內(nèi)。仍是按照具體實(shí)施方式
中的制備方法制備合金，其成分組成具體見(jiàn)表4 表4 實(shí)施例8-實(shí)施例12的成分組成(wt % ) 其中實(shí)施例8-實(shí)施例12與實(shí)施例1-實(shí)施例7的不同之處在于，硼含量分別為 0. 004,0. 0052,0. 007，鋁鈦總含量分別為7. 21,7. 55,7. 80。將實(shí)施例8-實(shí)施例12中合
金在真空感應(yīng)爐中熔煉并制備母合金，在真空單晶爐中，制備φ8成型試棒，單晶軸向取向?yàn)?<001>方向，偏離度小于5°C。熱處理制度為1230°C /2h+1245°C /4h+1100°C /2h+870°C /24h。熱處理后M09A合金做蠕變持久性能實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，M09A合金優(yōu)于國(guó)內(nèi)抗熱腐 蝕單晶高溫合金DD3、DD4和DD8 ；在850°C /530MPa持久條件下，M09A合金與第一代單晶合 金CMSX-2和低密度單晶AM3持久壽命相當(dāng)見(jiàn)表5。其中硼含量為0. 0067，鋁鈦總含量分別 為7. 55，7. 80 (表4中實(shí)施例11和實(shí)施例12)的合金表現(xiàn)出較長(zhǎng)的持久壽命(表5中序號(hào) 11、12)。表5 :M09A合金與CMSX-2、AM3、DD4和DD8合金的持久壽命 將實(shí)施例8-實(shí)施例12中的M09A合金在真空感應(yīng)爐中熔煉制備母合金，在真空 單晶爐中制備φ16的成型試棒，單晶軸向取向?yàn)?lt;ooi>方向，偏離度小于5°C。再制成直徑 φ13，厚4mm的M09A試片。熱處理后，其中熱處理制度為1230°C/^h+UASt/4h+1100°C / 2h+870°C /24h。在 900°C，環(huán)境為 75wt% Na2S04+25wt% NaCl 條件下做腐蝕實(shí)驗(yàn)，比較 M09A 和IN738合金的腐蝕失重速度(mg/cm2)。表6顯示M09A和IN738合金的抗腐蝕能力相當(dāng)。 其中硼含量為0. 007，鋁鈦總含量為7. 21 (表4中實(shí)施例10)的合金表現(xiàn)出較高的抗腐蝕能 力(表6中實(shí)施例10)。
表6 :M09A與IN738合金的腐蝕失重速率(_mg/cm2) 實(shí)施例8-實(shí)施例12中合金M09A表現(xiàn)較高的室溫和高溫屈服強(qiáng)度。與國(guó)內(nèi)外單 晶高溫合金的室溫和高溫屈服強(qiáng)度相比，超過(guò)國(guó)內(nèi)抗腐蝕單晶高溫合金DD3、DD4和DD8水 平，與國(guó)外第二代單晶高溫合金CMSX-4相當(dāng)見(jiàn)表7。其中硼含量為0. 0067，鋁鈦總含量分 別為7. 55，7. 80 (表4中實(shí)施例11和實(shí)施例12)的合金表現(xiàn)出最高的室溫和高溫屈服強(qiáng)度 (表7中序號(hào)11、12)。表7 :M09A合金與CMSX-4、DD3、DD4和DD8合金的持久壽命 實(shí)施例8-實(shí)施例12調(diào)整了硼含量，分別為0. 004,0. 0052,0. 007，三種硼含量的 M09A合金表現(xiàn)出相當(dāng)?shù)母邷爻志眯阅芤?jiàn)表5、抗腐蝕性能、室溫和高溫屈服強(qiáng)度見(jiàn)表7。不 含硼的合金DD3、DD4和DD8的高溫持久性能見(jiàn)表5、室溫和高溫屈服強(qiáng)度見(jiàn)表7，均不如 M09A合金。
實(shí)施例8-實(shí)施例12調(diào)整了鋁鈦總含量，分別為7. 21,7. 55,7. 80，三種鋁鈦總含量 的M09A合金表現(xiàn)出相似的高溫持久性能見(jiàn)表5、抗腐蝕性能見(jiàn)表6、室溫和高溫屈服強(qiáng)度見(jiàn) 表7。鋁含量在實(shí)施例8-實(shí)施例12以外的合金DD4(下限以外)和DD3(上限以外)的高 溫持久性能見(jiàn)表5、室溫和高溫屈服強(qiáng)度見(jiàn)表7，均不如M09A合金。鈦含量在實(shí)施例8-實(shí) 施例12以外的合金DD3(下限以外)和DD4，DD8(上 限以外)的高溫持久性能見(jiàn)表5、室溫 和高溫屈服強(qiáng)度見(jiàn)表7，均不如M09A合金。
權(quán)利要求
一種高強(qiáng)度抗腐蝕鎳基單晶高溫合金M09A，其特征在于它是由以下成分按質(zhì)量百分比組成Cr 11.0％～15.0％，Co 8.0％～9.0％，Mo 1.8％～2.2％，W 3.5％～4.4％，Ta 5.0％～6.0％，Al 4.0％～5.4％，Ti 2.5％～3.5％，B0.004％～0.007％，C 0.01％～0.03％，Ni余量。
2.按照權(quán)利要求1所述一種高強(qiáng)度抗腐蝕鎳基單晶高溫合金M09A，其特征在于A1和 Ti的質(zhì)量含量總和為7. 20% 7.80%。
全文摘要
本發(fā)明涉及新型高溫合金材料，特別提供了一種高強(qiáng)度抗腐蝕鎳基單晶高溫合金M09A。其化學(xué)成分為(重量百分比)Cr 11.0～15.0％，Co 8.0～9.0％，Mo 1.8～2.2％，W 3.5～4.4％，Ta 5.0～6.0％，Al 4.0～5.4％，Ti 2.5～3.5％，B 0.004～0.007％，C 0.01～0.03％，Ni余量。本發(fā)明的合金材料高溫持久性能好，抗熱腐蝕性能優(yōu)異，組織穩(wěn)定。
文檔編號(hào)C22C19/05GK101857931SQ20101019544
公開(kāi)日2010年10月13日 申請(qǐng)日期2010年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月9日
發(fā)明者孫曉峰, 張洪宇, 楊金俠, 管恒榮, 胡壯麒, 鄭啟 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院金屬研究所