CN106756404A - 一种用于燃烧室零部件的Co基合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于燃烧室零部件的Co基合金及其制备方法，按重量百分比计，其化学组成为：C 0.05～0.15％，Cr 20.00～24.00％，Ni 20.00～24.00％，W 13.00～16.00％，La 0.03～0.12％，Si 0.20～0.50％，余量是Co及不可避免的杂质。本发明的Co基合金具有优异的机械性能和耐高温性能，尤其适用于对机械强度以及高温持久性要求高的燃烧设备。

Description

一种用于燃烧室零部件的Co基合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及合金钢领域，尤其涉及用于燃烧室零部件的Co基合金及其制备方法。
背景技术
在航空发动机和工业燃气轮机领域，燃烧室的材料大多要求在高温环境下具有强度，有时还要求具有优异的耐氧化性。因此，在这种高温用途中开始使用Ni基合金或Co基合金，而在必需耐腐蚀性及延展性的高温用途中，使用Co基合金而非Ni基合金。高温合金对于发展航空发动机和工业燃气轮机起着重要作用。
Co基合金是一种能够耐磨损和腐蚀以及高温氧化的硬质合金。钴基合金以钴作为主要成分，含有相当数量的镍、铬、钨等合金元素。现有的钴基合金具有较高的强度，但是在高温等环境的冲击下，它的使用性能不能令人满意。在某些工业领域中，在长期运行的条件下，腐蚀现象也比较严重，机械性能以及耐高温性能也不足。
日本专利JP特开2009-228024公开了含有0.1≤Cr≤20.0质量％、1.0≤Al≤6.0质量％、3.0≤26.0质量％、Ni≤50.0质量％,余量包含Co以及不可避免的杂质，研究显示与Ni基合金同等或更好的高温强度。中国专利CN1166798C公开一种耐磨钴基合金材料，按质量百分比，其具体成分：Cr 27.0-29.0，W 4.0-6.0，C 1.3-1.6，Si 0.3-1.2，Mn 0.3-1，Co为余量，Ni、Mo为可以忽略的杂质，相比现有技术中追求材料的塑性引起强度下降的情况，能确保强度和硬度的同时，提高材料的塑性，进而改善合金切削和磨削加工性能。
但是现有技术中并没有针对燃烧室零部件的Co基合金，而目前，随着工业燃气轮机功率的不断提高，对多样化的高性能高温合金材料的需求亦随之增加。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种用于燃烧室零部件的Co基合金及其制备方法。
本发明采用如下技术方案，一种用于燃烧室零部件的Co基合金，按重量百分比计，其化学组成为：
C 0.05～0.15％，
Cr 20.00～24.00％，
Ni 20.00～24.00％，
W 13.00～16.00％，
La 0.03～0.12％，
Si 0.20～0.50％，
余量是Co及不可避免的杂质。
在本发明优选的实施方式中，按重量百分比计，其化学组成为：
C 0.10～0.15％，
Cr 20.00～22.00％，
Ni 22.00～24.00％，
W 13.00～14.00％，
La 0.05～0.10％，
Si 0.40～0.50％，
余量是Co及不可避免的杂质。
在本发明优选的实施方式中，按重量百分比计，其化学组成为：
C 0.15％，
Cr 20.00％，
Ni 24.00％，
W 13.00％，
La 0.10％，
Si 0.50％，
余量是Co及不可避免的杂质。
在本发明优选的实施方式中，按重量百分比计，所述杂质为：
P≤0.020％，
S≤0.015％，
Cu≤0.07％，
Ag≤0.001％，
Bi≤0.0001％，
Pb≤0.001％，
B≤0.015％。
本发明还保护上述Co基合金及其制备方法，包括以下步骤：
(1)取所需元素于真空感应炉中熔炼，熔炼温度1300～1500℃；在熔炼过程中调节各元素的含量，使其重量比符合设计要求，控制杂质元素的含量尽量低，溶液浇注成自耗电极；
(2)将自耗电极于电渣重熔炉中重熔精炼，进一步降低杂质元素的含量，使其符合设计要求，重熔成电渣锭；
(3)将钢锭加热锻造制成钢棒，将钢棒加热至1100-1200℃保温2～4小时，开始锻造；
(4)钢棒锻后摊开空冷；
(5)钢棒表面处理，对成品钢棒表面进行车光处理，消除表面缺陷并使钢棒尺寸、形状、表面质量满足设计要求。
在本发明优选的实施方式中，所述的熔炼温度为1460～1500℃。
在本发明优选的实施方式中，步骤(3)将钢棒加热至1170℃。
本发明还保护所述Co基合金在燃烧室零部件的制备中的应用。
本发明所述的燃烧室零部件可以根据具体需要，采用现有技术中已知的方法进行制备。
本发明的具有优异机械性能和耐高温的Co基合金的化学成分的设计中：
碳：是合金中的重要元素，合金硬度大体上是随着碳含量的增加而提高。本发明钢中碳含量控制为0.05～0.15％，最优为0.15％。
铬：具有双重作用，一是固溶到钴基体中，提高基体的强度和耐腐蚀性，而是生成碳化物，提高耐磨性。。因此本发明Cr含量控制为20.00～24.00％，最优为20.00％
钨：可以强化基体，参与形成碳化物，增加强化相数量，提高耐磨性。
镍：改善合金韧性，并可以替代一部分钴，从而降低合金成本。
硅：可以改善也太金属的流动性，合金中含有少量硅，可提高合金的质量。
镧：可以使得晶粒细化，促使形成更好的合金结构。
杂质对于Co基合金的机械性能危害很大，所以要尽量降低杂质含量。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：采用如上所述的配方设计和工艺方法制备得到的Co基合金材料，各元素组分之间协同配合作用，是最优的设计方案，制备得到的Co基合金具有优异的机械性能和耐高温性能，其中抗拉强度Rm≥870Mpa；屈服强度Rp0.2≥450Mpa；伸长率A≥55％，远高于现有技术中的Co基材料。本发明尤其适用于对机械强度以及高温持久性要求高的燃烧设备，如那些需要极限的高的拉伸强度以及高压高压环境。
具体实施方式
制备Co基合金及其制备方法，包括以下步骤：
(1)取所需元素于真空感应炉中熔炼，熔炼温度1460℃；在熔炼过程中调节各元素的含量，使其重量比符合设计要求，控制杂质元素的含量尽量低，溶液浇注成自耗电极；
(2)将自耗电极于电渣重熔炉中重熔精炼，进一步降低杂质元素的含量，使其符合设计要求，重熔成电渣锭；
(3)将钢锭加热锻造制成钢棒，将钢棒加热至1170℃保温3小时，开始锻造；
(4)钢棒锻后摊开空冷；
(5)钢棒表面处理，对成品钢棒表面进行车光处理，消除表面缺陷并使钢棒尺寸、形状、表面质量满足设计要求。
以下各实施例1-4的Co基合金的化学成分如表1所示。
表1实施例以及对比例的化学组成(单位为％)
在成品钢棒上取样检验力学性能，试样热处理步骤及工艺参数如下：固溶处理：1060±10℃，保温≥0.5h，水冷。在室温(25℃)下进行拉伸试验，结果如表2所示。
表2实施例的各项机械性能
Rm(Mpa) Rp0.2(Mpa) 伸长率A(％) 备注
实施例1 870 451 58 纵向
实施例2 873 450 56 纵向
实施例3 871 455 55 纵向
实施例4 891 470 61 纵向
对比例1 753 402 40 纵向
对比例GH159 760 410 39 纵向
然后进行试样的高温(试验温度：927℃，试验应力：90Mpa)持久试验，结果如表3所示。
表2实施例的耐高温性能
持久时间 伸长率
实施例1 24h 21
实施例2 25h 20
实施例3 24h 20
实施例4 30h 25
对比例1 20h 14
对比例GH159 18h 15
可见，采用上述材料及相应工艺方法制备的Co基合金，经室温机械性能试验以及耐高温性能测试，结果表明其力学性能优异，且远高于对比例1以及现有技术中的GH159，实施例3的机械性能和耐高温性能尤为突出。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种用于燃烧室零部件的Co基合金，其特征在于，按重量百分比计，其化学组成为：
C 0.05～0.15％，
Cr 20.00～24.00％，
Ni 20.00～24.00％，
W 13.00～16.00％，
La 0.03～0.12％，
Si 0.20～0.50％，
余量是Co及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的Co基合金，其特征在于，按重量百分比计，其化学组成为：
C 0.10～0.15％，
Cr 20.00～22.00％，
Ni 22.00～24.00％，
W 13.00～14.00％，
La 0.05～0.10％，
Si 0.40～0.50％，
余量是Co及不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的Co基合金，其特征在于，按重量百分比计，其化学组成为：
C 0.15％，
Cr 20.00％，
Ni 24.00％，
W 13.00％，
La 0.10％，
Si 0.50％，
余量是Co及不可避免的杂质。
4.根据权利要求1所述的Co基合金，其特征在于，按重量百分比计，所述杂质为：
P≤0.020％，
S≤0.015％，
Cu≤0.07％，
Ag≤0.001％，
Bi≤0.0001％，
Pb≤0.001％，
B≤0.015％。
5.权利要求1-4任一项所述的Co基合金的其制备方法，其特征在于，括以下步骤：
(1)取所需元素于真空感应炉中熔炼，熔炼温度1300～1500℃；在熔炼过程中调节各元素的含量，使其重量比符合设计要求，控制杂质元素的含量尽量低，溶液浇注成自耗电极；
(2)将自耗电极于电渣重熔炉中重熔精炼，进一步降低杂质元素的含量，使其符合设计要求，重熔成电渣锭；
(3)将钢锭加热锻造制成钢棒，将钢棒加热至1100-1200℃保温2～4小时，开始锻造；
(4)钢棒锻后摊开空冷；
(5)钢棒表面处理，对成品钢棒表面进行车光处理，消除表面缺陷并使钢棒尺寸、形状、表面质量满足设计要求。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述的熔炼温度为1460～1500℃。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)将钢棒加热至1170℃。
8.权利要求1-4任一项所述的Co基合金在燃烧室零部件的制备中的应用。
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