CN102443721A - 一种组织稳定性好、易加工的镍钴基高温合金 - Google Patents
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Abstract
本发明属于镍基高温合金领域，具体为一种组织稳定性好(无Ni3Ti相析出)、易加工的镍钴基高温合金，该合金可以用铸造+锻造(C&W)工艺和粉末冶金工艺进行加工，主要适用于高温下(750℃)承受高应力的零部件，如航空发动机中的涡轮盘和叶片材料。按重量百分比计，其化学成分为：Ru 0.1～10％，Co 22～35％，Cr 10～20％，Ta 0.10～5％，W 0.10～5％，Mo 0.10～5％，Ti 3～10％，Al0.2～5％，Zr0.01～0.10％，V 0.10～1％，Nb 0.10～5％，Hf 0.1～2％，C 0.005～0.15％，Fe 0～2％，Mg0.01～0.1％，Mn 0.05～0.50％，B 0.005～0.1％，余量为Ni。本发明合金是在含高Co和Ti的TMW合金基础上加入Ru元素，在保证合金高承温能力的情况下，使合金的组织稳定性(无Ni3Ti相析出)和可加工性有明显提高。
Description
技术领域
本发明属于镍基高温合金领域，具体为一种组织稳定性好(无Ni3Ti相析出)、易加工的镍钴基高温合金，该合金可以用铸造+锻造(C&W)工艺和粉末冶金工艺进行加工，主要适用于高温下(750℃)承受高应力的零部件，如航空发动机中的涡轮盘和叶片材料。
背景技术
随着发动机性能的不断改进，涡轮部件的工作温度和应力也越来越高，对涡轮盘材料的承温要求也越来越高。从目前的研究进展看，采用成本低廉的制造技术来发展使用温度更高、裂纹扩展速率低、强度高、工艺性能好的涡轮盘合金将是未来数十年国际上的发展方向。一般来讲，典型的涡轮盘合金含有0-20wt.％Co和0-5wt.％Ti，其加工工艺主要有铸造+锻造(C&W)工艺和粉末冶金(P/M)工艺两种。
最近下列文献中(文献1：C.Y.Cui，Y.Gu，H.Harada and A.Sato，Microstructureand yield strength of Udimet 720Li alloyed with Co-16.9wt.％Ti，Metallurgical andMaterials Transactions A，2005，36(1)p.2921；文献2：Y.Gu，H.Harada，C.Cui，D.Ping，A.Sato and J.Fujioka，New Ni-Co base disk superalloys with higher strength and creepresistance，Scripta Materialia，2006，55(9)，p.815；文献3：日本专利WO2006/059805)，提出了一种新的涡轮盘合金设计观点：在具有γ/γ′结构的镍基盘合金基础上(例如U720LI，RR1000，ME3，IN718)加入适量具有γ/γ′结构Co-Ti合金，发展成为一种新合金TMW。TMW合金中的钴含量为22-31wt.％，钛含量为5.1-7.4wt.％，它们的含量均高于现在使用的涡轮盘合金。新发展的TMW合金可以通过传统的铸造+锻造工艺进行加工。
由于TMW合金中含有大量易形成η相的钛元素，TMW合金中往往会发现η相。η相主要是以片层状或块状的形式存在于TMW合金中，形成的η相会降低合金的热加工性能。因此，如何消除TMW合金中的η相是充分发挥这种合金性能潜力的关键因素之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种组织稳定性好(无Ni3Ti相析出)、易加工的含Ru镍钴基高温合金，在保证合金高承温能力的情况下，使本发明合金的组织稳定性(无Ni3Ti相析出)和可加工性有明显提高。
本发明的技术方案是：
一种组织稳定性好、易加工的镍钴基高温合金，可以为如下之一：
(1)按重量百分比计，其化学成分为：Ru 0.1～10％，Co 22～35％，Cr 10～20％，Ta 0.10～5％，W 0.10～5％，Mo 0.10～5％，Ti 3～10％，Al0.2～5％，Zr 0.01～0.10％，V0.10～1％，Nb0.10～5％，Hf 0.1～2％，C 0.005～0.15％，Fe 0～2％，Mg 0.01～0.1％，Mn0.05～0.50％，B 0.005～0.1％，余量为Ni。
(2)按重量百分比计，其化学成分为：Ru 0.1～5％，Co 22～30％，Cr 12～18％，Ta0.10～5％，W 0.10～5％，Mo 0.10～5％，Ti 3～10％，Al0.2～5％，Zr 0.01～0.10％，V0.10～1％，Nb0.10～3％，Hf 0.1～1％，C 0.005～0.15％，Fe 0～2％，Mg 0.01～0.1％，Mn0.05～0.50％，B 0.005～0.1％，余量为Ni。
(3)按重量百分比计，其化学成分为：Ru 0.1～5％，Co 22～28％，Cr 12～17％，Ta0.10～3％，W 0.10～4％，Mo 0.10～4％，Ti 3～7％，Al 0.2～5％，Zr 0.01～0.10％，V0.10～1％，Nb0.10～2％，Hf 0.1～0.5％，C 0.005～0.15％，Fe 0.1～2％，Mg 0.01～0.1％，Mn 0.05～0.50％，B 0.005～0.1％，余量为Ni。
(4)按重量百分比计，其化学成分为：Ru 0.5～2.5％，Co 22～23.1％，Cr16.4～16.8％，W 1.2～1.3％，Mo 3～3.2％，Ti 5.4～6.0％，Al1.8～1.9％，Zr 0.02～0.03％，C0.02～0.03％，Mg 0.01～0.1％，B 0.01～0.02％，余量为Ni。
(5)按重量百分比计，其化学成分为：Ru 0.5～4％，Co 25～26.5％，Cr 14～15％，W1.0～1.2％，Mo 2.8～3.2％，Ti 5.7～6.1％，Al1.8～2.0％，Zr 0.02～0.03％，C 0.02～0.03％，Mg 0.01～0.1％，B 0.01～0.02％，余量为Ni。
(6)按重量百分比计，其化学成分为：Ru 4％，Co 27～29％，Cr12.3～12.8％，W1.0～1.2％，Mo 2.3～2.5％，Ti 7～7.4％，Al1.8～2.0％，Zr 0.02～0.03％，C 0.02～0.03％，Mg0.01～0.1％，B 0.01～0.02％，余量为Ni。
(7)按重量百分比计，其化学成分为：Ru 0.1～10％，Co 23.1～55％，Cr 2～25％，Ta 0.10～10％，W 0.10～10％，Mo 0.10～10％，Ti 3～15％，Al0.2～7％，Zr 0.01～0.5％，V0.10～2％，Nb 0.10～5％，Hf0.1～2％，C 0.005～0.15％，Fe 0.1～2％，Mg 0.01～0.1％，Mn0.1～0.50％，B 0.005～0.1％，余量为Ni。
本发明合金的晶粒尺寸为ASTM2到ASTM12，可以制备航空发动机用涡轮盘。
(8)按重量百分比计，其化学成分为：Ru 0.5～4.0％，Co 22～28％，Cr12.0～17.0％，W 1.0～1.3％，Mo 2.3～3.2％，Ti 5.4～7.4％，Al 1.8～2.0％，Zr 0.02～0.03％，C 0.02～0.03％，B 0.01～0.02％，余量为Ni。
本发明合金可以采用真空感应炉熔炼，通过铸造+锻造(C&W)的工艺制备产品，或者通过粉末冶金(P/M)的工艺制备产品。
本发明中的合金元素作用及其成分范围的选择陈述如下：
Ru是一种有效地固溶强化元素，可以抑制TCP相析出，明显改善高温蠕变强度。当Ru加入量小于4％，可以满足抑制η相析出以及提高合金可加工性的要求。然而，如果Ru含量高，会极大地提高合金成本。因此，Ru的加入量不能过高，控制在0～10％左右，最好控制在0.1～4％之间。
为了保证合金具有良好的蠕变阻力、较低的疲劳裂纹扩展速率、良好抗氧化及耐腐蚀，合金中至少含有10％Cr。但过量加入Cr，会使合金中析出有害相TCP(σ相)，从而降低合金的塑性、蠕变性能以及强度。因此，Cr的加入量不能过高，控制在10～20％左右，最好控制在11～17％之间。
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。此外，加入Ti提高了合金中γ′相溶解温度，减小了合金的热加工窗口，从而恶化了合金的热加工性能。因此，Al的加入量控制在0.2～5％左右，最好控制在1.8～2.5％之间。Ti的加入量控制在3～10％左右，最好控制在5～8％之间。
Co是本发明合金中非常重要的元素。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，Co的加入量控制在22～35％左右，最好控制在22～28％之间。
W元素进入γ基体和γ′沉淀相中，能同时提高两相的强度。此外，W还能提高合金的蠕变性能。然而，W元素具有比重较重、容易引起缺口敏感性以及易形成TCP相等缺点。因此，W的加入量控制在0.1～5％左右，最好控制在1.0～1.3％之间。
Mo是强固溶强化元素，主要偏聚在γ′相中。Mo能提高合金的拉伸强度和蠕变性能，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。因此控制Mo的含量在在0.1～5％，最好控制在2.3～3.2％。
C，B，Zr都偏聚于晶界，能提高合金的热塑性和高温蠕变强度。
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：
1、本发明在单晶高温合金中添加Ru元素可以提高含Re合金的组织稳定性，抑制有害相TCP的析出。Ru因此被添加进高温合金，极大地高温合金的承温能力。加入Ru还可以对基体产生固溶强化，随着温度升高，组织稳定能力升高，强化能力减弱。此外，在多晶高温合金(U720Li)中添加Ru元素，由于Ru的扩散速率较低，可以抑制γ′相的粗化速率。
2、本发明在TMW合金的基础上加入Ru，抑制η相的析出，在保持合金高的承温能力条件下，提高合金的可加工性能。
3、本发明合金具有优异的可加工性能，适用于制备航空发动机多晶部件，例如高压涡轮盘以及叶片材料。
4、本发明合金在800℃以下TCP相无明显析出。
附图说明
图1(a)-(b)为本发明合金实施例7和对比合金3的显微组织。其中，(a)图为对比合金3；(b)图为实施例7。
图2为本发明合金实施例7和对比合金3的XRD衍射图，热处理条件是：1135℃，120小时。
图3为本发明合金实施例7和对比合金3经1135℃/120h时效后的组织形貌。其中，(a)图为对比合金3；(b)图为实施例7。
图4为η相形成的TTT曲线。其中，(a)图为本发明合金实施例6和对比合金2；(b)图为本发明合金实施例7和对比合金3。
图5在1100℃/0.01s-1条件下，样品经热加工变形后的形貌。其中，(a)图为实施例7；(b)图为比较合金3。
具体实施方式
本发明采用真空感应炉熔炼，浇铸成化学成分如表1所示合金。
表1本发明合金和对比合金的化学成分(wt.％)
本发明合金具有良好的组织稳定性，主要是通过控制本发明合金中的Ru含量，抑制η相的析出。如图1所示，在无Ru比较合金3的晶界以及晶内均存在大量的η相，而含Ru的本发明合金实施例7中，观察不到η相。此外，还评价了本发明合金和对比合金经热处理后的组织稳定性。本发明合金和对比合金先经1200℃/1h，水淬，然后在700℃到1200℃温度区间内时效1到1000小时。本发明合金实施例7和对比合金3的X-射线衍射图如图2所示。对比合金3中存在着许多与η相对应的谱线，而在本发明合金中没有发现与η相相应的谱线。显微结构观察也证明了这一结果，如图3所示。本发明合金和比较合金中η相形成的TTT曲线如图4所示。无Ru比较合金中易形成η相，而本发明合金中没有发现η相。上述结果表明，无论是铸造态还是热处理态，本发明合金都具有良好的组织稳定性，即无η相形成。
本发明合金和比较合金经热处理后进行压缩试验测试的结果列入表2。由表2可见，本发明合金的压缩屈服强度与对比合金相当。但是，本发明合金实施例3和对比合金1的稳态蠕变速率分别为1.7×10-8s-1和5.2×10-8s-1，说明含Ru发明合金具有良好的蠕变强度。
表2本发明合金和对比合金的压缩屈服强度和在730℃/630MPa条件下测得的稳态蠕变速率。
由于涡轮盘合金，如U720Li和TMW-24，通常是在1100℃左右进行热加工，因此本发明合金在1100℃的热变形能力对于产品成型十分重要。本发明合金和对比合金在1100℃热锻造后的样品如图5所示。由图5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。
Claims (9)
1.一种组织稳定性好、易加工的镍钴基高温合金，其特征在于，按重量百分比计，其化学成分为：Ru 0.1～10％，Co 22～35％，Cr 10～20％，Ta 0.10～5％，W0.10～5％，Mo 0.10～5％，Ti 3～10％，Al 0.2～5％，Zr 0.01～0.10％，V 0.10～1％，Nb0.10～5％，Hf0.1～2％，C 0.005～0.15％，Fe 0～2％，Mg 0.01～0.1％，Mn 0.05～0.50％，B0.005～0.1％，余量为Ni。
2.一种组织稳定性好、易加工的镍钴基高温合金，其特征在于，按重量百分比计，其化学成分为：Ru 0.1～5％，Co 22～30％，Cr 12～18％，Ta 0.10～5％，W 0.10～5％，Mo 0.10～5％，Ti 3～10％，Al0.2～5％，Zr 0.01～0.10％，V 0.10～1％，Nb 0.10～3％，Hf0.1～1％，C 0.005～0.15％，Fe 0～2％，Mg 0.01～0.1％，Mn 0.05～0.50％，B 0.005～0.1％，余量为Ni。
3.一种组织稳定性好、易加工的镍钴基高温合金，其特征在于，按重量百分比计，其化学成分为：Ru 0.1～5％，Co 22～28％，Cr 12～17％，Ta 0.10～3％，W 0.10～4％，Mo 0.10～4％，Ti 3～7％，Al 0.2～5％，Zr 0.01～0.10％，V 0.10～1％，Nb 0.10～2％，Hf0.1～0.5％，C 0.005～0.15％，Fe 0.1～2％，Mg 0.01～0.1％，Mn 0.05～0.50％，B0.005～0.1％，余量为Ni。
4.一种组织稳定性好、易加工的镍钴基高温合金，其特征在于，按重量百分比计，其化学成分为：Ru 0.5～2.5％，Co 22～23.1％，Cr16.4～16.8％，W 1.2～1.3％，Mo3～3.2％，Ti 5.4～6.0％，Al 1.8～1.9％，Zr 0.02～0.03％，C 0.02～0.03％，Mg 0.01～0.1％，B0.01～0.02％，余量为Ni。
5.一种组织稳定性好、易加工的镍钴基高温合金，其特征在于，按重量百分比计，其化学成分为：Ru 0.5～4％，Co 25～26.5％，Cr 14～15％，W 1.0～1.2％，Mo2.8～3.2％，Ti 5.7～6.1％，Al1.8～2.0％，Zr 0.02～0.03％，C 0.02～0.03％，Mg 0.01～0.1％，B 0.01～0.02％，余量为Ni。
6.一种组织稳定性好、易加工的镍钴基高温合金，其特征在于，按重量百分比计，其化学成分为：Ru 4％，Co 27～29％，Cr 12.3～12.8％，W 1.0～1.2％，Mo2.3～2.5％，Ti 7～7.4％，Al1.8～2.0％，Zr 0.02～0.03％，C 0.02～0.03％，Mg 0.01～0.1％，B0.01～0.02％，余量为Ni。
7.一种组织稳定性好、易加工的镍钴基高温合金，其特征在于，按重量百分比计，其化学成分为：Ru 0.1～10％，Co 23.1～55％，Cr 2～25％，Ta 0.10～10％，W0.10～10％，Mo 0.10～10％，Ti 3～15％，Al0.2～7％，Zr 0.01～0.5％，V 0.10～2％，Nb0.10～5％，Hf0.1～2％，C 0.005～0.15％，Fe 0.1～2％，Mg 0.01～0.1％，Mn 0.1～0.50％，B0.005～0.1％，余量为Ni。
8.一种组织稳定性好、易加工的镍钴基高温合金，其特征在于，按重量百分比计，其化学成分为：Ru 0.5～4.0％，Co 22～28％，Cr 12.0～17.0％，W 1.0～1.3％，Mo2.3～3.2％，Ti 5.4～7.4％，Al1.8～2.0％，Zr 0.02～0.03％，C 0.02～0.03％，B 0.01～0.02％，余量为Ni。
9.一种组织稳定性好、易加工的镍钴基高温合金，其特征在于，合金的晶粒尺寸为ASTM2到ASTM12，用于制备航空发动机用涡轮盘或叶片材料。
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