一种适用于镍基单晶高温合金薄壁充型的成分设计方法、镍基单晶高温合金及其制备方法和应用

本发明属于合金材料，具体涉及一种适用于镍基单晶高温合金薄壁充型的成分设计方法、镍基单晶高温合金及其制备方法和应用。

背景技术：

1、镍基单晶高温合金由于其具有优异的综合力学性能，已成为航空发动机最常用的涡轮叶片材料。随着科技的发展，对航空发动机的性能要求更高，例如宽涵道比、宽增压比和高涡轮前温度。其中高涡轮前温度是评价航空发动机性能的重要指标。随着航空发动机推重比的增加，涡轮前温度的需求目前已提高至2400k。目前提高涡轮前温度的主要途径包括涂覆热障涂层和采用高效气冷技术。高效气冷技术的发展经历了单通道气膜冷却、复合冷却、双层壁超气冷等技术发展阶段。

2、近年来，双层壁超气冷技术使得涡轮前温度大幅增加，双层壁结构使单晶涡轮叶片成为内外双层的空心薄壁结构，叶片最薄处可达0.4～0.5mm。涡轮叶片的薄壁设计导致叶片指定高度的铸造薄壁出现充型不完整的铸造缺陷问题，上述问题对于薄壁结构件的精密铸造提出了严峻的挑战。

3、因此针对薄壁结构，设计出一种适用于薄壁充型的的单晶高温合金对于双层壁叶片的发展和新一代航空发动机的研制具有重要的理论指导意义和实践价值。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种适用于镍基单晶高温合金薄壁充型的成分设计方法、镍基单晶高温合金及其制备方法和应用，本发明提供的镍基单晶高温合金具有良好的充型能力，能够适用于薄壁充型。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种适用于镍基单晶高温合金薄壁充型的成分设计方法，包括以下步骤：

3、步骤1：结合scheil-gulliver和液固相的物理学性质，利用jmatpro软件获得任一合金元素对合金液表面张力的影响，所述合金元素为镍基单晶高温合金含有的元素；

4、步骤2：结合scheil-gulliver和液固相的物理学性质，利用jmatpro软件获得合金元素对合金液粘度的影响；

5、步骤3：结合scheil-gulliver和液固相的物理学性质，利用jmatpro软件获得c元素的添加量对表面张力和合金液粘度的影响；步骤1、2、3之间没有时间顺序的限制；

6、步骤4：参考步骤1～3分析结果调控镍基单晶高温合金的化学组成。

7、本发明提供了一种镍基单晶高温合金，包括以下质量百分含量的化学组分：

8、

9、优选的，包括以下质量百分含量的化学组分：

10、

11、本发明还提供了上述技术方案所述镍基单晶高温合金的制备方法，包括以下步骤：

12、按照元素配比将原料混合进行熔炼，得到熔液；

13、将所述熔液置于模具中进行定向凝固，得到坯体；

14、将所述坯体依次进行固溶处理和时效处理，得到所述镍基单晶高温合金。

15、优选的，所述熔炼的温度为1500～1700℃，所述熔炼的保温时间为1～4h。

16、优选的，所述定向凝固的抽拉速率为1～5mm/min，温度梯度为20～40k/cm。

17、优选的，所述固溶处理包括依次进行的第一固溶处理和第二固溶处理；

18、所述第一固溶处理的温度为1270～1290℃，所述第一固溶处理的保温时间为8～12h；

19、所述第二固溶处理的温度大于1290小于等于1310℃，所述第二固溶处理的保温时间为10～15h。

20、优选的，所述时效处理包括依次进行的第一时效处理和第二时效处理；

21、所述第一时效处理的温度较第二时效处理的温度高100～300℃。

22、优选的，所述第一时效处理的温度为1000～1100℃，所述第一时效处理的保温时间为5～10h；

23、所述第二时效处理的温度为800～900℃，所述第二时效处理的保温时间为40～60h。

24、本发明还提提供了上述技术方案所述镍基单晶高温合金或上述技术方案所述的制备方法制备得到的镍基单晶高温合金在航空发动机中的应用。

25、本发明提供了一种镍基单晶高温合金，包括以下质量百分含量的化学组分：7～9％al，9～12％mo，1～3％re，2.5～4％ta，1～1.5％cr，0.005～0.02％c和余量ni。在本发明中，al元素正向促进薄壁充型，mo元素正向促进薄壁充型，w元素对薄壁充型具有正向促进和反向抑制两种作用，cr元素对薄壁充型具有正向促进和反向抑制两种作用，co元素对薄壁充型具有正向促进和反向抑制两种作用，c元素适量添加则促进薄壁充型，过量添加则导致剧烈模壳反应，re元素反向抑制薄壁充型，ta元素反向抑制薄壁充型。本发明通过适量添加cr元素提高合金抗氧化和抗腐蚀性能，添加适量的c元素促进薄壁充型，同时尽量用mo这种促进薄壁充型的元素代替难熔元素(re、cr、w和co)，减少其它难熔元素的添加。ta、w、re与表面张力的正相关性较强，al、cr、co等与表面张力的负相关性较强。ta、re、cr、co与合金液粘度的正相关性较强，w、mo与合金液粘度的正相关性较弱，al元素与合金液粘度成负相关性。微量元素c的添加可显著降低表面张力和合金液粘度。本发明在特定用量的各元素的共同作用下使镍基单晶高温合金具有良好的充型能力，适用于薄壁充型，能够实现充型完整的铸造。

技术特征：

1.一种适用于镍基单晶高温合金薄壁充型的成分设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.一种镍基单晶高温合金，其特征在于，包括以下质量百分含量的化学组分：

3.根据权利要求2所述镍基单晶高温合金，其特征在于，包括以下质量百分含量的化学组分：

4.权利要求2或3所述镍基单晶高温合金的制备方法，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述制备方法，其特征在于，所述熔炼的温度为1500～1700℃，所述熔炼的保温时间为1～4h。

6.根据权利要求4所述制备方法，其特征在于，所述定向凝固的抽拉速率为1～5mm/min，温度梯度为20～40k/cm。

7.根据权利要求4所述制备方法，其特征在于，所述固溶处理包括依次进行的第一固溶处理和第二固溶处理；

8.根据权利要求4所述制备方法，其特征在于，所述时效处理包括依次进行的第一时效处理和第二时效处理；

9.根据权利要求8所述制备方法，其特征在于，所述第一时效处理的温度为1000～1100℃，所述第一时效处理的保温时间为5～10h；

10.权利要求2或3所述镍基单晶高温合金或权利要求4～9任一项所述的制备方法制备得到的镍基单晶高温合金在航空发动机中的应用。

技术总结本发明属于合金材料技术领域，具体涉及一种适用于镍基单晶高温合金薄壁充型的成分设计方法、镍基单晶高温合金及其制备方法和应用。本发明提供的镍基单晶高温合金，包括以下质量百分含量的化学组分：7～9％Al，9～12％Mo，1～3％Re，2.5～4％Ta，1～1.5％Cr，0.005～0.02％C和余量Ni。本发明在特定用量的各元素的共同作用下使镍基单晶高温合金具有良好的充型能力，适用于薄壁充型。技术研发人员：裴延玲,王海波,张双琪,胡斌,李树索,宫声凯受保护的技术使用者：北京航空航天大学技术研发日：技术公布日：2024/11/21