本發(fā)明涉及一類鎳基單晶高溫合金的成分及其應(yīng)用，屬于高溫合金技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

鎳基高溫合金主要是指以鐵、鈷和鎳為基，能在600℃以上在一定應(yīng)力條件下能夠長(zhǎng)期工作的一種高溫結(jié)構(gòu)材料。這種材料具有較高的承溫能力、較長(zhǎng)的持久壽命、良好的抗氧化能力和抗腐蝕能力以及良好的疲勞性能和斷裂韌性。隨著工業(yè)的高速發(fā)展，高溫合金在各個(gè)領(lǐng)域中展現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景，主要用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪葉片、導(dǎo)向葉片和渦輪盤等高溫部件。

高溫合金按照制備工藝可分為變形高溫合金、鑄造高溫合金和粉末冶金高溫合金(包括氧化物彌散強(qiáng)化高溫合金)。其中按照金屬材料基體主要可以分為鐵基高溫合金、鈷基高溫合金和鎳基高溫合金。鐵基高溫合金由于組織穩(wěn)定性和抗氧化性相對(duì)較差，高溫強(qiáng)度不足，不能在更高的溫度下使用，只能在中溫條件(600~800℃)條件下使用。而鈷是一種重要的戰(zhàn)略性資源，世界大多數(shù)國(guó)家鈷資源稀缺。因此，以鎳為基體的鎳基高溫合金成為目前高溫合金中應(yīng)用最廣、高溫強(qiáng)度最高的一類合金，其在650~1000℃范圍內(nèi)具有較高的強(qiáng)度和較強(qiáng)的抗氧化性。鎳基高溫合金具有許多優(yōu)點(diǎn)，首先可以固溶較多的合金元素，且能保持較好的穩(wěn)定性；其次可以形成γ′-ni3al超點(diǎn)陣，與基體完全共格，實(shí)現(xiàn)高溫強(qiáng)化。最后含有鉻的鎳基高溫合金具有更高的抗氧化、抗腐蝕能力。

其中，鎳基高溫合金最早是變形高溫合金。但隨著高溫性能的提高，合金的變形也變得困難。為了突破變形工藝的束縛，科研人員研發(fā)出了等軸晶鑄造合金。通過實(shí)際使用發(fā)現(xiàn)，鎳基高溫合金葉片的工作壽命受垂直于應(yīng)力軸晶界(橫向晶界)的影響，因此通過定向凝固技術(shù)，消除橫向晶界，研發(fā)出定向凝固柱晶高溫合金，如tmd-5和tmd-k35。定向凝固柱晶高溫合金的晶界方向與應(yīng)力方向平行，因此提高和鎳基高溫合金的性能。但晶界在高溫條件下是薄弱環(huán)節(jié)。因此，通過相關(guān)技術(shù)手段去除晶界，制備出單晶高溫合金。第一代單晶高溫合金以tms-12和tms-6為代表，為廉價(jià)合金。第二代單晶合金在第一代單晶合金的基礎(chǔ)上，加入3wt%的re元素，如tms-145，承溫能力提高了大約30℃。同時(shí)，第三代單晶合金(tms-75和tms-80)加入6wt%的re，性能進(jìn)一步提高。但為了抑制tcp的析出，第四代單晶合金開始，加入ru，如tms-138(第四代單晶)，tms-196(第五代單晶)和tms-238(第六代單晶)，同樣高溫性能也得到提高。

鎳基高溫合金從變形合金發(fā)展到鑄造合金，而鑄造合金從等軸晶鑄造合金、定向凝固合金和單晶高溫合金，而鎳基單晶高溫合金從第一代發(fā)展到第六代。在合金的發(fā)展過程中，合金的性能(承溫能力和持久壽命)在不斷提高，但鎳基高溫合金的成分規(guī)律一直缺少解釋。

如何通過描述鎳基高溫合金的微觀結(jié)構(gòu)，找出鎳基高溫合金的成分發(fā)展規(guī)律，并確定鎳基高溫合金的成分，一直是業(yè)內(nèi)需要解決的關(guān)鍵問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明基于現(xiàn)有鎳基高溫合金的成分，找出鎳基高溫合金的成分規(guī)律和性能參數(shù)，最終確定具有高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的鎳基單晶高溫合金的成分，并命名為nideal合金，為航機(jī)用鎳基單晶高溫合金的成分設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一類鎳基單晶高溫合金的成分，主要合金的成分包括類ni元素、形成γ′析出相的元素、形成γ基體元素和al元素，所述類ni元素選用ni、co、re、ru、ir、fe、pt、pd、os、rh、tc中的一種或幾種，選用元素的原子百分比總量為751.5，所述形成γ′析出相的元素選用ti、v、nb、ta、zr、hf中的一種或幾種，選用元素的原子百分比總量為3.10.1，所述形成γ基體元素選用cr、mo、w中的一種或幾種，選用元素的原子百分比總量為9.40.2，所述al元素的原子百分比總量為12.50.2，所述成分需同時(shí)滿足；在所述主要合金的成分確定之后，還可以選用mg、si、c、b以及l(fā)a、ce、y等稀土元素中的一種或幾種，原子百分比總量應(yīng)控制在所述主要合金成分的原子百分比總量的0.5以內(nèi)。

所述的一類鎳基單晶高溫合金的成分應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的鎳基單晶高溫合金的成分構(gòu)建。

本發(fā)明的有益效果是：這種鎳基單晶高溫的成分應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的鎳基單晶高溫合金的成分構(gòu)建。合金元素分為主要合金元素和其他元素。主要合金元素包括類ni元素(ni、co、re、ru、ir、fe、pt、pd、os、rh或tc)、形成γ′析出相的元素(ti、v、nb、ta、zr或hf)、形成γ基體元素(cr、mo或w)和元素al。其中類ni元素原子百分比總量為751.5，形成γ′析出相的元素的原子百分比總量為3.10.1，形成γ基體元素的原子百分比總量為9.40.2,元素al的原子百分比總量為12.50.2，。此外，主要合金化元素確定之后，還可以添加少量其它元素，包括mg、si、c或b以及l(fā)a、ce、y等稀土元素，其原子百分比總量應(yīng)控制在上述主要合金元素總含量的原子百分比0.5以內(nèi)。該合金命名為nideal，為具有高承溫能力和長(zhǎng)持久壽命的高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性鎳基單晶高溫合金。

附圖說明

圖1為主要合金化元素的合金矢量法比較。圖1中每一個(gè)點(diǎn)表示原子百分比含量為90的ni元素與原子百分比含量為10的合金化元素的混合，如al表示原子百分比為90的ni與原子百分比為10的al的混合。按照合金化元素的向量分布特征，可歸出al（其合金矢量基本水平方向）、形成γ′析出相元素(ti、v、nb、ta、zr或hf，合金矢量最靠近al)、形成γ基體元素(cr、mo或w，位于中間位置)、以及類ni元素（ni、co、fe、re、ru、ir、os、rh或tc，與指向al的矢量的夾角最大）。

圖2為表1中tm系列鎳基高溫合金的成分點(diǎn)在一種偽三元成分圖上的分布，圖中三元指類ni元素(ni、co、re、ru、ir、fe、pt、pd、os、rh或tc)、形成γ′析出相的元素al、以及其它元素（含形成γ′析出相的元素ti、v、nb、ta、zr或hf以及形成γ基體元素cr、mo或w)。具體合金成分見表1。tm系列鎳基高溫合金的發(fā)展，從定向凝固合金(directionallysolidified)發(fā)展到單晶高溫合金(singlecrystal)。而單晶高溫合金合金從第一代發(fā)展到第六代。在合金的發(fā)展過程中，合金的性能不斷提高。合金在發(fā)展的過程中，高代次的單晶高溫合金，類ni元素的原子百分比總量趨近于75，而γ′析出相的元素中的al趨近于12.5。其它元素總量趨近于12.5。

圖3類似于圖2，但是將形成γ′析出相的元素合并，與形成基體γ的元素cr、mo、w和類ni元素作圖，可以發(fā)現(xiàn)，鎳基高溫合金在向高代次單晶合金發(fā)展的過程中，形成基體γ的元素的原子百分比總量趨近于9.4%。之前的圖2表明，除了al和類ni之外的其它元素的原子百分比總量趨近于12.5，因此除了al之外的其它形成γ′析出相的元素的原子百分比總量趨近于3.1(3.1=12.5-9.4)。鎳基高溫合金在發(fā)展的過程中一直靠近于成分點(diǎn)，即本發(fā)明涉及的nideal成分點(diǎn)。

圖4為典型鎳基高溫合金的承溫能力和成分分布圖，即鎳基高溫合金在1000小時(shí)持久壽命、137mpa下的承溫能力，同時(shí)也反應(yīng)了鎳基高溫合金的發(fā)展歷程。鎳基高溫合金在發(fā)展的過程中，合金的承溫能力在不斷的提高，同時(shí)，合金的成分點(diǎn)一直靠近與nideal合金成分點(diǎn)，即原子百分比15.6成分線與9.4成分線的交點(diǎn)。圖4中可以發(fā)現(xiàn)，pwa1484合金距離nideal合金成分點(diǎn)為原子百分比0.5，但pwa1484的al原子含量12.9，與nideal的12.5相比，偏高0.4，高于本發(fā)明提出的nideal合金的al的成分，12.5±0.2。同時(shí)該合金不含有近代單晶合金的特殊元素。圖4中承溫能力最高為tms-162合金，位于nideal合金成分點(diǎn)的附近，但是仍然有原子百分比為2.2的成分距離。

圖5為典型鎳基單晶高溫合金持久壽命與元素分布?？梢钥闯觯F(xiàn)有合金成分沒有理想滿足nideal合金成分點(diǎn)的合金，距離最近的仍然為pwa1484，但隨著持久壽命的增加，合金都趨近于nideal成分點(diǎn)，即原子百分比15.6成分線與9.4成分線的交點(diǎn)。

具體實(shí)施方法

以下實(shí)施例將對(duì)本發(fā)明予以進(jìn)一步說明。

本實(shí)施例描述tm系列單晶合金的第四代tms-138a到第六代tms-238的演化過程。

tm系列第四代單晶合金tms-138a，在1100℃/137mpa下的持久壽命為720小時(shí)（kyokokawagishi,superalloys2012,tms2012）。其牌號(hào)標(biāo)準(zhǔn)成分為質(zhì)量百分比的ni-5.8co-5.8re-3.6ru-3.2cr-2.9mo-5.6w-5.7al-5.6ta-0.1hf，并轉(zhuǎn)換成原子百分比。

將主要合金化元素分類并與nideal成分做出比較。其ni元素ni0.86co0.08re0.03ru0.03、形成γ′析出相元素al、其它形成γ′析出相元素ta0.98hf0.02、和形成γ基體元素cr0.5mo0.25w0.25的原子百分比總量分別為：76.9，13.4，2.0，7.7?？梢姡摵辖鹋cnideal合金仍然有一定的成分距離，體現(xiàn)在：類ni元素比nideal的75高出1.9，al比nideal的12.5高出0.9，其他形成γ′析出相元素比nideal的3.1欠缺1.1，γ基體的元素比nideal的9.4欠缺1.7。因此從nideal合金角度，tms-138a應(yīng)該具有較大的成分改良空間。該合金在1100℃/137mpa下的持久壽命為720小時(shí)。

以類似的方式分析第六代單晶合金牌號(hào)tms-238的成分，其標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量百分比成分為ni-6.5co-6.4re-5ru-5.9al-7.6ta-0.1hf-4.6cr-1.1mo-4w。轉(zhuǎn)化成原子百分比，可得其類ni元素ni0.84co0.09re0.03ru0.04的原子百分比為75.7（相對(duì)于tms-138a下降了1.2，比nideal的75仍然高出0.7），al元素原子百分比為13.8（相對(duì)于tms-138a的13.4仍然略有增加，比nideal的12.5高出1.3），其他形成γ′析出相元素ta0.99hf0.01的原子百分比增加到2.7（相對(duì)于tms-138a的2.0增加了0.7，比nideal的3.1僅欠缺0.4），形成γ基體的元素cr0.73mo0.09w0.18的原子百分比總量保持不變，仍然為7.7（比nideal的9.4欠缺1.7）?？偟膩碇v，該合金成分更加接近nideal，其在1100℃/137mpa下的持久壽命為1930小時(shí)，是第四代tms-138a的2.7倍。可見，tm系列合金從tms-138a向tms-238發(fā)展的過程中，合金更加靠近nideal的成分。因此可以預(yù)測(cè)，理想合金nideal的性能將會(huì)進(jìn)一步提升。

tm系列鎳基高溫合金主要合金化元素成分，如表1所示。

具體制備方法

根據(jù)前面步驟，確定基于第六代單晶合金tms-238的nideal合金成分為：(ni0.84co0.09re0.03ru0.04)75al12.5(ta0.99hf0.01)3.1(cr0.73mo0.09w0.18)9.4，其中四類合金元素均與tms-238一致，但是其相對(duì)含量換成理想的百分比。換算成質(zhì)量百分比，形成新的nideal合金的一種標(biāo)準(zhǔn)配方：ni-6.15co-6.48re-4.69ru-5.22al-8.59ta-0.09hf-5.52cr-1.26mo-4.81w。

真空感應(yīng)熔煉，制備出nideal合金的母合金，測(cè)試實(shí)際成分并與名義成分進(jìn)行比較，并控制實(shí)驗(yàn)誤差。

利用選晶法將nideal母合金制備成nideal單晶合金。利用dta和金相法，測(cè)試合金的初熔點(diǎn)。根據(jù)合金的初熔點(diǎn)確定nideal合金的熱處理制度。其中固溶溫度一般比初熔溫度低5~10℃，同時(shí)確保爐膛溫度準(zhǔn)確。

對(duì)鎳基單晶高溫合金nideal合金進(jìn)行熱處理，并進(jìn)行相關(guān)性能測(cè)試，根據(jù)測(cè)試結(jié)果再次調(diào)整成分和熱處理工藝，并最終得到性能優(yōu)異的鎳基單晶高溫合金。關(guān)鍵是確定合金成分與熱處理工藝的匹配。

可以預(yù)測(cè)，理想合金nideal的性能將優(yōu)于tms-238。