一种中温高蠕变强度的单晶高温合金及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于高温合金领域，特别涉及一种中温高蠕变强度的单晶高温合及其制备方法和应用。

背景技术

涡轮(透平)前进气温度是衡量燃气轮机热效率最重要的指标之一：目前，国际最先进航空发动机的透平前温度已达1800℃，在研的达2000℃；大型发电燃气轮机透平前温度达1600℃的J级也已进入商业运行，未来级(透平初温达1700℃)燃气轮机的研发业已经完成，预计5年内将进入商业化运行。基于现代燃机的工作原理和设计，涡轮(透平)前进气温度主要由涡轮关键部件的设计(如涡轮叶片的叶形、冷却气道及冷却介质等)和部件制备材料的耐温性能决定。其中，直接承受涡轮进气的涡轮一级高压动/静叶片是最关键的部件之一。

目前先进燃气轮机涡轮一级高压动/静叶片必须采用镍基高温合金制作单晶空冷叶片,其性能由合金成分及其微观组织结构决定。为了提高Ni基单晶高温合金的强度，过去通常综合采用固溶强化和沉淀强化二种强化方式。固溶强化通常利用能在奥氏体基体(γ相，无序相)大量固溶的难熔元素如钨(W)、钼(Mo)、钽(Ta)、钴(Co)、铬(Cr)、铼(Re)和钌(Ru)等元素来获得强化效果，大量难熔元素(尤其是第二代以后加入的贵金属Re，Ru等)的加入在提高合金性能的同时也带来了诸如成本高、密度大、显微组织不稳定，易析出TCP相(Topologically Close-Packed phase相，如σ,μ或P相)等缺点，目前已难以利用添加更多的固溶强化元素来提高镍基单晶高温合金的高温强度。沉淀强化目前通常利用可以与面心结构的Ni基体γ相形成共格有序的A

因此，镍基单晶高温合金典型微观组织结构比较简单，主要由具有奥氏体结构的无序基体较软相(γ相)和基本与其共格的有序A

涡轮叶片是一种不同部位需承受不同温度、气动力和离心力复杂作用的典型部件：涡轮叶片叶尖部分在约1100℃高温下承受大约140MPa的拉应力；叶身承受温度为800～1000℃，承受平均应力为280～650MPa；叶根部分约为650℃～800℃，承受平均应力超700MPa。上述通过多步固溶和时效处理获得的立方化较好、平均尺寸大于200nm的γ′相和宽度小于100nm的γ相分隔通道虽有益于服役于1000℃以上300MPa以下低应力部件区域(如叶尖部分)获得较高持久强度，但对于服役于900℃以下500MPa以上高应力部件区域(如叶根部分)却未必最佳。

发明内容

本发明鉴于目前先进单晶超合金推荐组织特征虽可在1000℃以上低于300MPa应力下获得较好的持久强度，但实际对服役于900℃以下500MPa高应力区域的部分无法获得较高蠕变抗力和寿命的问题，通过组织设计和有序相再分配处理，提出一种单晶高温合金的制备方法，其在中温下具有高蠕变强度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种中温高蠕变强度的单晶高温合金，包括：

无序相；

有序相，占总体积分数的55-70％，分布于所述无序相中；

所述有序相包括，

大有序相，其尺寸为200-400nm，呈立方形貌；

小有序相，其尺寸为2-50nm，呈近圆形；

所述大有序相占有序相体积分数的96-99％。

进一步的，所述有序相为具有有序L1

进一步的，所述无序相为连续基体，分隔相互独立的有序相。

本发明还公开了一种中温高蠕变强度的单晶高温合金的制备方法，包括以下步骤：

固溶处理；

时效处理；

有序相再分配处理，将获得的组织在平均固溶处理温度的85-95％的温度区间保温15-90min，处理后以大于1000℃/s的速度冷却至室温，即得。

进一步的，所述固溶处理的温度范围为1250-1390℃，处理时间为2-20小时，处理后在空气中冷却至室温。

进一步的，所述时效处理的温度范围为800-1150℃，处理时间为4-40小时，处理后在空气中冷却至室温。

进一步的，所述有序相再分配处理的温度范围为1150-1250℃。

本发明还公开了中温高蠕变强度的单晶高温合金可在航空发动机或燃气轮机中承受中温高应力的部件及部分区域可到应用。

本发明合金通过真空感应炉熔炼，重熔、定向凝固、热处理得到，通过大、小有序相共同阻碍位错运动，使单晶合金在中温高应力服役情况下有较好的蠕变性能，适用于制备航空发动机或燃气轮机中承受中温高应力的部件及部分区域。镍基单晶高温合金经常规热处理后，大有序相(γ′相)在无序相(γ相)中充分析出，具有γ-γ′双相结构。高温下γ′相阻碍位错运动，起到主要沉淀强化作用；同时γ相固溶体相对较软，位错可以较快速度在其中运动、增殖，造成塑性变形。

本发明通过再分配热处理，将常规热处理材料在平均固溶处理温度85-95％的温度区间保温一段时间，使少量大γ′相回溶，提高γ相的成分过饱和度。随后以极快的冷速(>1000℃/s)将材料冷却，γ相在大的成分过冷下析出大量小有序相。采用高冷速的好处在于保持了主要的γ-γ′双相结构，促进小有序相析出的同时不会显著影响大有序相的形态和分布。同时位错在γ相中的运动受到了小有序相进一步的阻碍，使合金中容易发生变形的γ相分隔软通道得到强化，提供了双重强化效果。小有序相可在中低温条件下保持较高稳定性，有利于提高单晶合金在900℃以下和500MPa以上的高应力条件下的蠕变强度，使其具备较低的蠕变第二阶段速率和较长的寿命。本发明中需要同时兼顾大尺寸有序相和小尺寸有序相的尺寸关系和含量关系。

本发明在现有单晶高温合金的成分、制备及常规热处理的基础上，通过有序相再分配处理，将常规处理后获得的无序相中形成一种小尺寸有序相，且小尺寸有序相组织特征满足2nm≤小有序相尺寸≤50nm，呈近圆状，均匀分布于无序相中。将大、小尺寸有序相的总量记为1，其大尺寸有序相和小尺寸有序相的含量关系为：大尺寸有序相满足96％≤占有序相体积分数≤99％，其余为小尺寸有序相。

本发明通过有序相再分配处理实现了单晶高温合金中温高应力蠕变性能的显著提升，相比于仅经过固溶、时效两步常规热处理的合金材料：1)蠕变第二阶段应变速率可下降1-2个数量级；2)持久寿命最大可延长1倍以上。

本发明不用改变现有合金材料的成分和主要热处理工艺(固溶、时效)，可较为容易实施再分配热处理工艺，但对单晶合金中温高应力蠕变性能提升巨大。

本发明适用于制备航空发动机或燃气轮机中承受中温高应力的部件及部分区域，具有较高的经济效益和应用前景。

附图说明

图1为本发明中实施例1中温高蠕变强度单晶合金的微观结构扫描电镜图。

图2为本发明中实施例2中温高蠕变强度单晶合金的微观结构扫描电镜图。

图3为本发明中实施例3中温高蠕变强度单晶合金的微观结构扫描电镜图。

图4为本发明中实施例4中温高蠕变强度单晶合金的微观结构扫描电镜图。

图5为本发明中实施例5中温高蠕变强度单晶合金的微观结构扫描电镜图。

图6为本发明中实施例6中温高蠕变强度单晶合金的微观结构扫描电镜图。

图7为本发明中对比例的微观结构扫描电镜图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好的理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明实施例和对比例采用公知的镍基单晶高温合金，化学成分见表1。

表1本发明实施例和对比例单晶高温合金的化学成分(重量百分比wt.％)

具体制备方法：

第一步：铸态单晶合金在1300-1350℃范围内进行10小时的固溶处理，随后进行空冷；

第二步：单晶合金在1080-1120℃范围内进行4小时的高温时效处理，随后进行空冷；然后在870-890℃范围内进行22小时的低温时效处理，随后进行空冷处理；

第三步：进行再分配热处理，即在低于有序相平均固溶温度的一定温度下保温一段时间，再采用液氮冷却的方式，冷却速率可达1000℃/s，最后得到中温高蠕变强度的镍基单晶高温合金。

通过前两步工艺可获得对比例(如图7)，其经处理后形成了单晶合金典型微观结构，即立方状的大γ′相均匀分布在相互连通的γ相基体内，且γ′相中较为干净，未发现小γ′相。

而经第三步再分配热处理得到实施例1～6，参照平均固溶温度为1325℃，其85-95％值对应约1150-1250℃温度区间，基于此设定再分配热处理温度为1150、1200、1250℃三个温度点，同时变更保温时间，具体实施的温度和时间如表2所示。

表2实施例1～4与对比例再分配热处理的温度和时间

实施例1～6的微观结构形貌分别在图1～6中给出，其也由立方状的大γ′相与相互连通的γ相基体构成，而经再分配热处理在γ相内重新析出了部分小γ′相(图1～6中黑色箭头)。

对实施例1～6和对比例中的大、小γ′相进行定量分析，主要考察有序相γ′的总体积分数(γ′-总)，其中大γ′相所占含量，大、小γ′相平均尺寸，结果见表3。再分配热处理时高温下γ′相有所回溶，使得实施例1～6大γ′相的体积分数比起对比例有所降低，但整体体积分数仍在较高水平，且保持较好的立方度，为此不会损伤合金性能。实施例1～6结果表明随处理温度提高、时间延长，大γ′相的体积分数降低的更多，随之而来的是小γ′相体积分数的提高和尺寸的增大。

表3实施例和对比例大、小γ′相进行定量分析结果

对热处理后的合金进行中温高应力蠕变试验，在800℃、735MPa拉应力条件下考察蠕变性能，主要比较实施例1～6和对比例在蠕变第二阶段的应变速率(ε)以及总持久寿命(t)，相应结果在表4中给出。通过再分配热处理在“软”γ相通道中引入小γ′相，阻碍位错运动，有助于降低应变速率。相比于对比例，实施例1～6蠕变第二阶段的应变速率均有所降低，最高可达2个数量级。这使得持久寿命有所提升，最大可延长1倍以上。实施例3具有较高的小γ′相体积分数，且大γ′相形貌保持完好，具有最佳的性能。

表4实施例和对比例在800℃/735MPa下的蠕变性能

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。