本技术聚焦于高温合金技术,特别针对镍基单晶高温合金在高温环境下的应用进行优化。区别于传统通过添加难熔元素来提升高温蠕变性能的方法,本发明采用[111]取向作为合金的加载方向,利用单晶高温合金的晶体各向异性,通过调整a/2<110>滑移系的施密特因子,有效阻止a/2<110>基体位错通过位错反应生成a<100>超位错,从而抑制a<100>超位错的形成。该方法在不增加难熔元素和额外成本的情况下,显著提高了镍基单晶高温合金的高温蠕变性能。
背景技术
[001]取向的镍基单晶高温合金由于其具有优异的抗疲劳、抗蠕变和抗腐蚀性能,成为航空发动机最广泛应用的涡轮叶片材料。离心力导致的高温蠕变失效是涡轮叶片主要的失效方式之一。随着航空发动机推重比的增加,新一代航空发动机的涡轮前设计温度已高达2400K,这使得涡轮叶片的结构经过精细化设计成为双层薄壁空心结构,以此通过大幅度提高冷却效率的方式实现极高的涡轮前进口温度。
研究表明,镍基单晶高温合金高温蠕变性能主要取决于γ/γ′相界面位错网的阻碍作用,目前改善高温蠕变性能的方式主要是通过添加Cr、Re、Mo、W、Ru等难熔元素,增加镍基单晶高温合金中的γ/γ′两相错配度,错配度的增加使得界面位错网更加致密且界面位错网结构更加稳定,可以更有效的阻碍基体位错运动切割γ′相。
按照添加难熔元素并合理搭配难熔元素的高温蠕变性能提升策略,目前已发展至第六代单晶高温合金。但是,难熔元素的过量添加会降低合金组织稳定性,析出有害的TCP硬脆相,降低发动机的安全服役寿命。此外,难熔元素的添加导致单晶合金密度急剧增大从而降低了航空发动机的推重比,例如TMS-238、TMS-238+等六代合金的密度已超过9g/cm3
。而且难熔元素的价格极其昂贵,使得高代次镍基单晶高温合金成为“用不起”的材料。
综上,亟需一种新型的镍基单晶高温合金抗蠕变性能的设计策略,同时实现低密度、低成本和优异的高温蠕变强度。
实现思路