CN102433466A

CN102433466A - 一种含稀土元素的镍钴基高温合金及其制备方法

Info

Publication number: CN102433466A
Application number: CN2010102961310A
Authority: CN
Inventors: 崔传勇; 韩国明; 金涛; 孙晓峰
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS
Priority date: 2010-09-29
Filing date: 2010-09-29
Publication date: 2012-05-02

Abstract

本发明属于镍基变形高温合金领域，具体为一种含稀土元素的镍钴基变形高温合金及其制备方法，主要适用于高温高应力下(700～750℃)使用的零部件，例如航空发动机的涡轮盘和叶片。合金成分(wt.％)为：Co：15～30％，Cr：11～17％，Ti：4～6.5％，Al：1.0～3.0％，W：0.5～2.5％，Mo：1～3％，Re：0～2％，C＜0.1％，Zr＜0.1％，B＜0.1％，RE：0.01-0.5％，Ni：余量。本发明合金采用真空感应炉或真空自耗炉熔炼，先浇铸成化学成分符合要求的母合金，然后再进行热加工。本发明合金具有优异的可加工性能以及室温至高温拉伸强度，持久性能与高性能铸锻高温合金TMW相当。

Description

一种含稀土元素的镍钴基高温合金及其制备方法

技术领域

本发明属于镍基变形高温合金领域，具体为一种含稀土元素的镍钴基变形高温合金及其制备方法，主要适用于高温高应力下(700～750℃)使用的零部件，例如航空发动机的涡轮盘和叶片。

背景技术

为满足航空发动机不断提高的性能要求，发动机燃气进口温度从20世纪70年代的1330℃发展到90年代的1580～1680℃、本世纪初的1730℃。作为发动机的核心热端部件，高温合金涡轮叶片和涡轮盘必须具有不断提高的承温承载能力，这使得高温合金叶片和涡轮盘的制造技术成为现代航空发动机设计与制造的重大关键技术之一。未来5～10年，我国高推重比航空发动机的研制将需要生产高性能的高温合金涡轮盘和叶片。

作为固定叶片和连接叶片与涡轮轴的核心部件，涡轮盘的可靠性和使用性能至关重要，这就对涡轮盘的生产，尤其是热加工提出了极高的要求。为提高合金的承温能力，目前采用降低Cr、提高难熔元素总量(W，Nb，Ta，Re，Mo等)和沉淀强化相γ′含量的合金设计方法。随着涡轮盘的合金化程度不断提高，严重的偏析使热加工性能恶化，低周疲劳性能降低，疲劳裂纹容易扩展。目前，一些先进涡轮盘合金已经无法采用传统的锻造工艺进行加工。因此，必须研制新的涡轮盘合金和引入新的塑性加工原理与工艺。美国最新(2006年)研制ME3合金和欧洲研制的RR1000合金都是通过粉末冶金的方法进行加工的。

中国专利申请(申请号200580041339.5，公开号：CN101072887A)，发明名称：耐热超级合金，公开了一种镍钴基高温合金(TMW)及其设计方法，按重量百分比计，合金成分包括：

Co：23.1～55％；Cr：2～25％；Ta：0～10％；W：0～10％；Mo：0～10％；Zr：0～0.5％；Nb：0～5％；Ti：3.0～15.0％；Al：0.2～7％；Re：0～5％；V：0～2％；Fe：0～2％；Hf：0～2％；Mg：0～0.1％；C：0～0.5％；B：0～0.1％；Ni：余量。

此外，该专利申请还提出了一种新的合金设计方法，即将具有γ/γ′两相结构的镍基高温合金与具有γ/γ′结构的钴基合金混合，得到设计合金TMW。TMW合金在使用区(中温区)具有较高强度而在加工区(高温区)具有良好的可加工性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种含稀土元素的镍钴基高温合金及其制备方法，具有优异的可加工性能和高的承温能力，能满足推重比12～15航空发动机对涡轮盘材料的需要。

本发明的技术方案是：

一种含稀土元素的新型镍钴基高温合金，按重量百分比计，其化学成分为：Co：15～30％，Cr：11～17％，Ti：4～6.5％，Al：1.0～3.0％，W：0.5～2.5％，Mo：1～3％，Re：0～2％，C＜0.1％，Zr＜0.1％，B＜0.1％，RE：0.01-0.5％，Ni：余量。

所述的含稀土元素镍钴基高温合金，按重量百分比计，其优选化学成分为：Co：20～25％，Cr：13～15％，Ti：4.8～5.6％，Al：2.0～2.5％，W：1～1.3％，Mo：2.2～2.8％，C：0.02-0.05％，Zr：0.02-0.05％，B：0.01-0.03％，RE：0.1-0.5％，Ni：余量。

所述的含稀土元素镍钴基高温合金，按重量百分比计，其最佳化学成分为：Co：23％，Cr：14％，Ti：5.6％，Al：2.3％，W：1.2％，Mo：2.8％，C：0.02％，Zr：0.02％，B：0.015％，Ce或Y0.2-0.5％，Ni：余量。

所述的含稀土元素镍钴基高温合金的制备方法，首先采用常规的真空感应炉或真空自耗炉熔炼合金，浇铸成化学成分符合要求的母合金；然后在1100℃～1180℃进行均匀化处理，处理时间2～16小时；最后在1100℃～1150℃之间进行热加工，即制得该合金。

上述的“热加工”是指：锻造、热轧制以及热挤压。

本发明在上述热加工之后，进行以下热处理：1100℃～1140℃/4小时，油淬，固溶处理；然后在650℃/24小时，760℃/16小时，空冷。

本发明合金中合金元素的作用及其成分范围的选择基于如下理由：

Co能降低合金的层错能、提高合金的组织稳定性以及蠕变性能；加入Co还能降低沉淀强化相γ′的溶解温度，从而扩大合金的热加工窗口温度，提高合金的可加工性能。因此，在合金中加入15～30％Co。

Cr是改善合金抗热腐蚀性能以及疲劳裂纹扩展性能的关键元素，但大量加入Cr会降低合金的组织稳定性，容易形成有害相TCP。因此，将Cr的含量控制在11～17％，以获得良好的综合性能。

Al和Ti是γ′相形成元素，对合金具有时效沉淀强化作用，保证合金具有高的高温强度和持久性能。合金中Ti含量以及Ti/Al比例高，易形成有害相η相，影响合金的热加工性能。因此，要求Al、Ti含量分别为1.0～3.0％，4～6.5％为宜，同时将Ti/Al重量比例控制在1.5～2.5之间。

W、Mo、Re都是强固溶强化元素。W主要进入γ基体起固溶强化作用，少量参与γ′相的形成，能提高合金的初熔温度；同时，W元素在合金中的扩散速率较低，可以提高合金的蠕变强度；但是W的比重较大，同时过量加入W会析出TCP相，因此W的加入量为0.5～2.5％。Mo是强固溶强化元素，能增加γ/γ′的错配度，有效阻碍位错运动，提高合金的蠕变性能，同时Mo还能降低合金的缺口敏感性。但过量加入Mo会导致有害相TCP的析出，对合金的热腐蚀性能和抗氧化性能也有不利影响，因此控制Mo的含量在1～3％。Re元素主要进入γ基体，起到强化基体的作用。此外，由于Re的热扩散系数较低，能延缓γ′相的粗化，阻碍位错运动，从而提高合金的强度。但加入Re会严重降低合金的可加工性能，因此将Re的含量控制在0～2％之间。

C、B、Zr都偏聚于晶界。当碳和硼含量过低(C≤0.01％，B≤0.01％)，合金的持久强度、拉伸塑性和疲劳性能均很差；当碳和硼含量太高(C＞0.06％，B＞0.025％)，合金中析出太多的MC碳化物和M₃B₂硼化物，它们以夹杂物形式沿轧制方向分布，产生带状组织，严重影响合金的热加工性能。Zr能提高合金塑性以及疲劳特性。为了获得良好的组织以及优异的力学性能，碳含量控制在0.02-0.05％，硼含量应控制在0.01-0.03％，Zr含量控制在0.02-0.05％。

稀土元素对改善高温合金的性能作用显著。在高温合金中添加少量稀土元素，可以提高抗硫化性能以及高温强度和热塑性，同时还可以提高高温合金的抗氧化性能以及持久寿命，因此在合金中加入0.01～0.5％稀土元素RE(Ce或Y)。

上述各合金元素的合理配比是本发明合金获得良好综合性能的保证。

本发明的有益效果是：

本发明含稀土元素的镍钴基高温合金，具有优良的可加工性能和优异的中温性能，尤其具有优异的室温至高温拉伸强度，组织稳定性好，持久性能与高性能铸锻高温合金TMW相当。

附图说明

图1为本发明合金和对比合金经1120℃热压缩后的表面形貌。其中，(a)图为本发明合金(实施例1)；(b)图为对比合金(TMW-2)。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明做进一步的说明。

根据化学成分范围，制备了本发明合金的样品，具体化学成分见表1，为了对比方便，表1中也列出了对比合金TMW-2的化学成分。本实施例合金采用真空感应炉熔炼，浇铸成化学成分符合要求、无明显铸造缺陷的母合金，将该铸锭分别在1150℃和1180℃均匀化处理8小时，包套，然后在1150℃进行热挤压或热锻造实验。

本发明合金和对比合金在1120℃热锻造后的样品如图1所示。由图1可见，本发明合金表明光滑，无裂纹，而对比合金表面有大量裂纹，说明本发明合金的热加工性能优于对比合金。

本发明在上述热挤压或热锻造之后，进行以下热处理：

首先，在1120℃保温4小时，油淬，固溶处理；然后，在650℃保温24小时，在760℃保温16小时，空冷。

本发明合金和对比合金TMW-2在几种条件下的拉伸性能数据列于表2，可见，本发明合金实施例1的拉伸性能与对比合金TMW-2相当。表3列出了本发明合金其它实施例的室温至高温拉伸性能，可以看出，本发明合金的拉伸性能随着稀土含量的增加而增加，在725℃时，稀土元素对合金的强化效果比较明显，可以将合金的强度提高约10％。本发明合金与对比合金的持久性能数据列于表4，可以看出，本发明合金中实施例2和实施例3的持久寿命高于对比合金TMW-2。此外，本发明合金具有良好的组织稳定性，在650℃和760℃下分别长期时效1000小时，均未发现有害的TCP相(σ)析出。

表1本发明实施例与对比合金TMW的化学成分(wt.％)

合金	Co	Ti	Al	Mo	W	Cr	C	B	Zr	RE	Ni
												实施例1	23	5.6	2.3	2.8	1.2	14	0.02	0.015	0.02	0.01Ce	余
实施例2	23	5.6	2.3	2.8	1.2	14	0.02	0.015	0.02	0.2Ce	余
												实施例3	23	5.6	2.3	2.8	1.2	14	0.02	0.015	0.02	0.5Ce	余
实施例4	23	5.6	2.3	2.8	1.2	14	0.02	0.015	0.02	0.2Y	余
												实施例5	23	5.6	2.3	2.8	1.2	14	0.02	0.015	0.02	0.5Y	余
TMW-2	21.8	6.2	2.3	2.7	1.1	14.4	0.02	0.015	0.02	0	余

表2本发明合金和对比合金TMW-2在几种条件下的拉伸性能数据(应变速率为3×10^-4s^-1)

表3本发明合金实施例(2-5)的室温至高温拉伸性能(应变速率为3×10^-4s^-1)

表4本发明合金实施例与对比合金TMW-2在725℃/630MPa条件下的持久性能

	持久寿命(h)	延伸率(％)
			实施例1	280	3.5
实施例2	380	3.5
			实施例3	330	3.8
实施例4	260	2.6
			实施例5	285	3.6
对比合金TMW-2	320	2.6

Claims

1.一种含稀土元素的镍钴基高温合金，其特征在于，按重量百分比计，其化学成分为：Co：15～30％，Cr：11～17％，Ti：4～6.5％，Al：1.0～3.0％，W：0.5～2.5％，Mo：1～3％，Re：0～2％，C＜0.1％，Zr＜0.1％，B＜0.1％，RE：0.01-0.5％，Ni：余量。

2.按照权利要求1所述的含稀土元素的镍钴基高温合金，其特征在于，按重量百分比计，其化学成分为：Co：20～25％，Cr：13～15％，Ti：4.8～5.6％，Al：2.0～2.5％，W：1～1.3％，Mo：2.2～2.8％，C：0.02-0.05％，Zr：0.02-0.05％，B：0.01-0.03％，RE：0.1-0.5％，Ni：余量。

3.按照权利要求1或2所述的含稀土元素的镍钴基高温合金，其特征在于，Ti/Al重量比例控制在1.5～2.5。

4.按照权利要求1或2所述的含稀土元素的镍钴基高温合金，其特征在于，稀土元素RE为Ce或Y。

5.按照权利要求1所述的含稀土元素的镍钴基高温合金的制备方法，其特征在于，首先采用真空感应炉或真空自耗炉熔炼合金，浇铸成化学成分符合要求的母合金；然后在1100℃～1180℃进行均匀化处理，处理时间2～16小时；最后在1100℃～1150℃之间进行热加工，即制得该合金。