CN107099700A

CN107099700A - 一种制备CoCrAlY合金靶材的方法

Info

Publication number: CN107099700A
Application number: CN201710339685.6A
Authority: CN
Inventors: 龙安平; 张建庭; 熊江英; 冯赣江
Original assignee: Co Ltd Of Damp Central-South Research Institute Of Shenzhen Ten Thousand; Shenzhen Wan Ze Aviation Technology Co Ltd
Current assignee: Co Ltd Of Damp Central-South Research Institute Of Shenzhen Ten Thousand; Shenzhen Wan Ze Aviation Technology Co Ltd
Priority date: 2017-05-15
Filing date: 2017-05-15
Publication date: 2017-08-29

Abstract

本发明公开了一种制备CoCrAlY合金靶材的方法，该方法的步骤包括：通过提供成分配比的重量百分比wt％为：Cr：26‑32，Al：6‑10，Y：0.5‑1.5，其余为Co；选择配置合金；在真空感应炉(VIM)中采用熔炼和浇铸工艺制备CoCrAlY合金。通过本发明，能够通过合理选择各种合金及其熔铸顺序工艺，稳定其中低熔点和活泼易氧化元素的含量，使熔体清亮少渣流动性好，保证了成分配比，提高了合金熔炼的成品率和质量稳定性，同时减少了Y元素的损耗，避免了Y元素无法加入的现象，制备得到成分合格，无偏析的CoCrAlY靶材。

Description

一种制备CoCrAlY合金靶材的方法

技术领域

本发明涉及复合材料领域，特别是涉及一种制备CoCrAlY合金靶材的方法。

背景技术

热障涂层(thermal barrier coating,TBCs)是指沉积在材料表面的一层陶瓷涂层，对于基体材料起到隔热和降温作用，提高其高温抗氧化、抗腐蚀、耐磨损性能。为保证陶瓷涂层与基体材料的结合强度，通常在基体与陶瓷涂层之间沉积一层过渡涂层。CoCrAlY作为一种过渡涂层通常用在航空发动机高温部件薄壁叶片上，同时CoCrAlY也可以作为包覆型防护涂层使用，其耐热腐蚀性和抗硫化性能强，适合海洋等腐蚀环境使用。

CoCrAlY涂层中的相主要为γ相和β-NiAl金属间化合物。在高温下生成热生长氧化物(Thermally Grown Oxide，简称TGO)Al₂O₃膜后，Al含量减少，β-NiAl转变为γ’强化相。当涂层中β相消失时，粘结层的抗氧化性降低。[周洪,李飞.热障涂层材料研究进展.材料导报,2006,20(10):40-43.]CoCrAlY涂层中，Al的作用是形成Al₂O₃氧化膜。Al含量相对较高对提高涂层的抗氧化性能、降低TGO生长速率是有益的。但Al含量不宜过高，否则会导致涂层脆性增大、延脆转变温度升高和塑性下降等。有研究[High integrity CoCrAl(Y)CoatedNickel-base Superalloys.US Patent 4101715]表明在界面附近Al含量超过10wt％后，涂层之间的结合力会下降，导致涂层容易脱离。添加Cr可以降低形成完整Al2O3膜所需的临界铝含量。另外，涂层中的Cr含量对热腐蚀性能影响很大。航空发动机叶片主要发生高温氧化腐蚀，要求涂层中的Cr含量高于20wt.％；而陆用及海用燃气轮机，低温腐蚀是叶片的主要破坏形式，要求涂层中具有更高的Cr含量，一般为30～40wt.％。Brandl等[Brandl W,Grabke H J,Toma D,et al.The oxidation behaviour of sprayed MCrAlY coatings[J].Surface and Coatings Technology,1996,86:41-47.]对Cr的影响进行了研究，结果表明Cr含量较高时(18～35wt.％)，涂层中有α-Cr相出现，α-Cr的存在可降低结合层的热膨胀系数，减小热应力，从而延长涂层寿命。CoCrAlY涂层中的Y主要起阻止继续氧化的作用，Y与氧的结合力很强，容易在界面形成稳定氧化物，从而阻止氧越过界面，对基体起保护作用。但Y含量过高则容易在界面处形成针状相甚至网状氧化物，大大降低涂层的裂纹萌生应变量容限。合金靶材成分均匀，无组织缺陷或夹杂是制备CoCrAlY涂层另一关键因素，而目前国内所用CoCrAlY合金靶材主要靠进口。在熔炼CoCrAlY合金时，Al由于熔点低容易产生剧烈挥发，易与其他元素反应形成炉渣；Y元素活性高，极易氧化，形成氧化膜后难熔入钢液，形成“加不进去”的现象。制备的CoCrAlY合金往往成分偏析大，且杂志缺陷较多。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种制备CoCrAlY合金靶材的方法，能够通过合理选择各种合金及其熔铸顺序工艺，稳定其中低熔点和活泼易氧化元素的含量，使熔体清亮少渣流动性好，保证了成分配比，提高了合金熔炼的成品率和质量稳定性，同时减少了Y元素的损耗，避免了Y元素无法加入的现象，制备得到成分合格，无偏析的CoCrAlY靶材。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种制备CoCrAlY合金靶材的方法，该方法的步骤包括：提供成分配比的重量百分比wt％为：Cr：26-32，Al：6-10，Y：0.5-1.5，其余为Co；选择配置合金；在真空感应炉(VIM)中采用熔炼和浇铸工艺制备CoCrAlY合金。

其中，合金为Co-Al合金和Cr-Y合金。

其中，Al-Co合金的Al含量为15wt.％-30wt.％，使用中频状态的真空感应炉(VIM)，用氩气多次洗炉后在真空下熔炼，熔炼均匀后浇铸成锭备用；所述Cr-Y合金的Y的含量为70wt.％-90wt.％，使用中频状态的真空感应炉(VIM)，用氩气多次洗炉后在真空下熔炼，熔炼均匀后浇铸成锭备用。

其中，开炉前，先将除Y以外的全部元素按配比装入高纯氧化铝坩埚中，其中Al、Y元素全部来自预配制的合金。

其中，采用氩气洗炉后在真空感应炉(VIM)制备CoCrAlY合金，所述Cr-Y合金于浇铸前一刻加入合金熔体中，待其熔化并混合均匀后立即浇铸。

其中，浇铸模具采用表面涂覆高纯氧化铝的石墨模具。

区别于现有技术，本发明的制备CoCrAlY合金靶材的方法通过提供成分配比的重量百分比wt％为：Cr：26-32，Al：6-10，Y：0.5-1.5，其余为Co；选择配置合金；在真空感应炉(VIM)中采用熔炼和浇铸工艺制备CoCrAlY合金。通过本发明，能够能够通过合理选择各种合金及其熔铸顺序工艺，稳定其中低熔点和活泼易氧化元素的含量，使熔体清亮少渣流动性好，保证了成分配比，提高了合金熔炼的成品率和质量稳定性，同时减少了Y元素的损耗，避免了Y元素无法加入的现象，制备得到成分合格，无偏析的CoCrAlY靶材。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步更详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

本发明的制备CoCrAlY合金靶材的成分配比(wt％)为：Cr：26-32，Al：6-10，Y：0.5-1.5，其余为Co。熔炼配制CoCrAlY合金靶材，通过预配制特定的合金，采用合理的添加顺序，运用合适的模具、熔炉在适当的温度进行浇铸，制备出成分均匀，元素含量稳定的合金靶材。制备时使用的配比是实验人员经过有限次反复试验得到的最佳配比。具体的过程如下所述：

本发明使用的Co、Cr、Y纯度均大于99.95％，Al纯度大于99.9％。按照Cr：26-32wt％，Al：6-10wt％，Y：0.5-1.5wt％，其余为Co的比例进行配料。熔配Al-Co合金，其中Al含量为15wt.％-30wt.％，使用中频状态的真空感应炉(VIM)，用氩气多次洗炉后在氩气保护下熔炼，熔配均匀后浇铸成锭备用；熔配Cr-Y合金，其中Y的含量为70wt.％-90wt.％，使用中频状态的真空感应炉(VIM)，用氩气多次洗炉后在氩气保护下熔炼，熔配均匀后浇铸成锭备用。

将除Y以外的全部材料按前述的配比装入高纯氧化铝坩埚，其中Al、Y元素全部来自预配制的合金。使用中频状态的真空感应炉，将炉腔抽至高真空，然后回充氩气，再抽至高真空，执行多次氩气洗炉后在氩气保护下进行熔炼。升温速率不宜过快，待高纯氧化铝坩埚中的合金完全熔化后利用电磁搅拌对熔体进行充分的混合，在浇铸前一刻保持功率(温度)不变，将Cr-Y合金锭(Y元素)利用特殊机构缓缓添加至熔体中，观察到Cr-Y合金锭完全熔化后按一定速度将熔体浇入表面涂覆氧化铝的石墨模具中，等待冷却后获得符合要求的合金铸锭。

基于该合金中各元素的特质，Co：熔点1768K，Cr：熔点2130K，Al：熔点933K，Y：熔点1799K，Al元素的熔点大大低于其他元素，当使用纯金属元素直接进行熔配时，Al首先熔化，温度继续升高时，Al发生大量的挥发，又Al活性较高非常容易氧化，在熔炼过程中产生大量的渣，甚至堵塞浇道，同时使合金中的元素含量变得难于确定。本发明的思路是改变Al元素的状态，提高其熔点，缩小与其他纯金属元素熔点的差距，促使其能够与其他组分的金属元素在相近的温度熔化，在对与Al有关的二元合金进行筛选后确定使用Al-Co合金。由于Y元素极易氧化，一旦氧化膜在其周围形成，这层氧化膜性质稳定，熔点高，会阻隔其中的金属Y与外界的接触，所以如果使用纯元素Y进行添加很难控制其在合金中的含量。通过改变Y元素加入时的状态，降低其熔点，同样对与Y有关的二元合金进行筛选后确定使用Y-Cr合金。当Y熔入合金液时，由于稀土Y的性质极为活泼，易氧化造渣，所以本发明使用特殊机构在浇铸前一刻将Y-Cr合金加入，待其熔化后立即执行浇铸，确保Y元素在合金中含量的稳定性。

在本发明的一个实施例中，采用纯度不小于99.95％的Co、Cr、Y和纯度不小于99.9％的Al为原料进行制备合金。熔配Al-Co合金，其中Al含量为15wt.％-30wt.％，使用中频状态的真空感应炉，用氩气多次洗炉后在氩气保护下熔炼，熔配均匀后浇铸成锭备用，取样进行化学成分分析，结果位于预定成分区间内。使用中频状态的真空感应炉对Cr-Y合金进行熔配，Y含量为70wt.％-90wt.％，多次氩气洗炉后在氩气保护下熔炼，制备成锭备用。按照Cr：26-32wt％，Al：6-10wt％，Y：0.5-1.5wt％，其余为Co的比例进行配料，其中Al、Y全部来自预配的合金，合金总重为2000g。将除Y-Cr合金外的所有原料和合金锭装入高纯氧化铝坩埚，使用中频状态的真空感应炉，用氩气多次洗炉后在氩气保护下熔炼，升温平稳不剧烈，当合金完全溶化后保持功率和温度不变，利用电磁搅拌对熔体进行混合，一段时间后观察到熔体清亮干净，将Y-Cr合金使用特殊机构缓缓加入熔体中，当其完全熔化后保持功率不变立即将熔体浇入表面涂覆氧化铝涂层的石墨模具中，冷却后获得产品，分别取三个不同位置进行化学成分分析，结果稳定，与预定配比相差极小。

在本发明另一实施例中按照前一实施例中的配比进行备料，合金总重20000g。按照前一实施例中的工艺重新配制Al-Co合金，总量20000g，取样分析后结果稳定。按前一实施例中的工艺配制Cr-Y合金。使用前一实施例所剩Al-Co合金，不够的由新配制的合金补充。按照与前一实施例相同的工艺进行熔炼，最后获得产品，分别取三个不同位置进行化学成分分析，结果稳定，与预定配比相差极小。

铸造过程中，浇铸使用的涂覆高纯氧化铝的石墨模具设计成靶材最终的形状并留有一定加工余量，浇道系统设计综合考虑了钢液流动性与充模能力，获得组织无显微疏松，成分偏析小的合金靶材。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种制备CoCrAlY合金靶材的方法，其特征在于，提供成分配比的重量百分比wt％为：Cr：26-32，Al：6-10，Y：0.5-1.5，其余为Co；选择配置合金；在真空感应炉(VIM)中采用熔炼和浇铸工艺制备CoCrAlY合金。

2.根据权利要求1所述制备CoCrAlY合金靶材的方法，其特征在于，合金为Co-Al合金和Cr-Y合金。

3.根据权利要求2所述制备CoCrAlY合金靶材的方法，其特征在于，所述Al-Co合金的Al含量为15wt.％-30wt.％，使用中频状态的真空感应炉(VIM)，用氩气多次洗炉后在真空下熔炼，熔炼均匀后浇铸成锭备用；

所述Cr-Y合金的Y的含量为70wt.％-90wt.％，使用中频状态的真空感应炉(VIM)，用氩气多次洗炉后在真空下熔炼，熔炼均匀后浇铸成锭备用。

4.根据权利要求1所述制备CoCrAlY合金靶材的方法，其特征在于，开炉前，先将除Y以外的全部元素按配比装入坩埚中，其中Al、Y元素全部来自预配制的合金。

5.根据权利要求4所述制备CoCrAlY合金靶材的方法，其特征在于，所述坩埚选用高纯氧化铝坩埚。

6.根据权利要求2所述制备CoCrAlY合金靶材的方法，其特征在于，采用氩气洗炉后在真空感应炉(VIM)制备CoCrAlY合金，所述Cr-Y合金于浇铸前一刻加入合金熔体中，待其熔化并混合均匀后立即浇铸。

7.根据权利要求1所述制备CoCrAlY合金靶材的方法，其特征在于，浇铸模具采用表面涂覆高纯氧化铝的石墨模具。