CN108315600B - 一种γ＇相强化钴基高温合金及其制备方法 - Google Patents

一种γ＇相强化钴基高温合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种γ＇相强化钴基高温合金及其制备方法，属于高温合金领域，其合金化学成分按重量百分比计为：Al：3～6%，W：6～20%，Ti：2～6%，Ta：2～6%，Ni：18～38%，Cr：0～10%，Mo：0～5%，Nb：0～2%，Si：0～2%，余量Co。本发明采用真空电弧炉熔炼，在1250～1300℃进行固溶热处理，并在900～1150℃进行时效热处理。该合金由具有L12晶体结构的γ＇相强化，其具有立方形貌且体积分数大于65%，并均匀分布于具有A1晶体结构的γ基体中。该合金的γ/γ＇两相组织在900～1150℃稳定存在，且无二次相析出，是航空发动机和工业燃气轮机热端部件的候选材料。

Description

一种γ＇相强化钴基高温合金及其制备方法
技术领域
本发明属于高温合金技术领域，涉及一种γ＇相强化钴基高温合金及其制备方法。
背景技术
高温合金以其优异的高温强度、良好的抗氧化和抗热腐蚀性能而成为航空发动机和工业用燃气轮机的热端部件不可替代的关键材料。其中，钴基高温合金在上世纪三十年代到五十年代就已率先在燃气轮机热端部件上得到应用，其与镍基高温合金相比具有更高的熔点、更好的抗热腐蚀、抗热疲劳以及焊接性能。然而，传统钴基高温合金中因缺少L12型γ＇相强化机制，高温强度和承温能力显著低于由γ＇相强化的镍基高温合金，并逐步被其取代。
2006年，Sato等人在Co-Al-W基合金中发现了高温稳定存在的L12型γ＇强化相，其溶解温度约为1000℃。随后，其他学者研究表明：Co-Al-W基多晶和单晶合金在850℃和900℃的蠕变性能分别与镍基多晶合金IN100和第一代镍基单晶高温合金RenéN4相当。因此，这种新型钴基合金表现出巨大的发展潜力，并有可能成为新一代的高温结构材料，从而迅速成为国际高温合金界的研究热点。但是，目前存在的Co-Al-W基合金的γ＇相溶解温度大多低于1150℃，只有少数报道高于这个数值，如冯强等人(中国专利，专利号ZL201310018243.3《一种高温稳定γ＇相强化的钴基高温合金及其制备方法》)所公布的1184℃。并且，现存的Co-Al-W基合金在高温容易析出有害的二次相，不易在1150℃以上形成稳定存在的γ/γ＇两相组织。然而，先进镍基单晶高温合金的γ＇相溶解温度已经超过1300℃，这表明新型钴基高温合金的承温能力与镍基高温合金相比依然有较大差距。另一方面，大部分现存Co-Al-W基合金密度高于9.3g cm-3，高于先进镍基高温合金(7.9～9.2gcm-3)，限制了新型钴基高温合金在发动机中的应用。
因此，有必要开发一种γ＇相溶解温度高于1200℃且易于在1150℃以上形成稳定存在γ/γ＇两相组织的低密度钴基高温合金。
发明内容
本发明的目的在于提供一种γ＇相溶解温度大于1200℃且密度相对较低(8.74～9.21g cm-3)的Co-Al-W基高温合金及其制备方法，经过反复熔炼、固溶和时效热处理后，使所得到的Co-Al-W基高温合金可在1150℃以上形成γ＇相形貌立方且体积分数大于65％的γ/γ＇两相组织，并且在1150℃时效1000小时后，仍然保持γ＇相立方形貌且体积分数大于45％的γ/γ＇两相组织，无二次相析出。
本发明通过如下技术方案实现：
一种γ＇相强化钴基高温合金，其合金化学成分按重量百分比为Al：3～6％，W：6～20％，Ti：2～6％，Ta：2～6％，Ni：18～38％，余量Co。
上述合金还可以包含Cr：0～10％，Mo：0～5％，Nb：0～2％，Si：0～2％，B：0～1％中的一种或任意几种。
所述合金化学成分按重量百分比应满足Al:W的范围为0.2～0.5。
该合金经过固溶和时效热处理后为两相组织，分别为A1晶体结构的γ基体相和L12晶体结构的γ＇析出相，其中γ＇相形貌为立方状且体积分数大于65％。
上述合金制备工艺包含以下步骤：
(1)按成分配比秤取高纯度的Co、Al、W、Ti、Ta、Ni、Cr、Mo、Nb、Si、B等单质材料；
(2)将上述秤取的高纯度单质原材料放置于真空电弧熔炼炉内，在高纯Ar保护气氛中进行合金熔炼，熔炼电弧的电流大小控制在280～350A，待合金完全液化后保持30～60秒，随后断电冷却至合金完全凝固，重复上述熔炼步骤，最终得到钴基高温合金锭材；
(3)在高纯Ar保护气氛中，将上述制备的钴基高温合金锭材在1250～1300℃的固溶温度下保温24-30小时，空冷；接着在时效温度为900～1150℃的范围内保温50～1000小时，淬火冷却，即得到γ＇相强化钴基高温合金。
步骤(2)中所述重复上述熔炼步骤为8～12遍，以保证合金的均匀性。
本发明的有益效果是：该合金由具有L12晶体结构的γ＇相强化，该方法制备的钴基高温合金拥有均匀的γ/γ＇两相组织，其在900～1150℃稳定存在，且γ＇相体积分数大于65％，无二次相析出。此外，其γ＇相溶解温度大于1200℃，远高于现存的其他钴基高温合金，这意味该钴基高温合金将拥有更高的承温能力。另一方面，该合金的密度为8.74～9.21g cm-3，低于大部分现存的其他钴基高温合金，且与先进镍基单晶高温合金相当，说明可以作为航空发动机和工业燃气轮机热端部件的候选材料，具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明合金(合金4)在1150℃热处理50小时后典型组织形貌的扫描电镜照片。
图2为本发明合金(合金4)在1150℃热处理1000小时后典型组织形貌的扫描电镜照片。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明的实施方式进行详细阐述，以便本领域人员更好地理解本发明的优点和特征。表1所示为实施例的合金成分(重量百分比)。显然，以下所描述的实施例仅为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做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
表1
Figure BDA0001627153950000031
Figure BDA0001627153950000041
实施例1
按表1的合金1～3所示成分秤取高纯度的Co、Al、W、Ti、Ta和Ni等单质金属；将上述秤取的金属原材料放置于真空电弧熔炼炉内，在高纯Ar保护气氛中进行合金熔炼，熔炼电弧的电流大小控制在350A，待合金完全液化后保持60秒，随后断电冷却至合金完全凝固。重复以上熔炼步骤12遍，以保证合金的均匀性，最终得到钴基高温合金锭材；在高纯Ar保护气氛中，将上述制备的钴基高温合金锭材在1300℃的固溶温度下保温24小时，空冷；接着在900℃的时效温度下保温50小时，淬火冷却，即得到γ＇相强化钴基高温合金。
实施例2
按表1的合金4～6所示成分秤取高纯度的Co、Al、W、Ti、Ta和Ni等单质金属；将上述秤取的金属原材料放置于真空电弧熔炼炉内，在高纯Ar保护气氛中进行合金熔炼，熔炼电弧的电流大小控制在300A，待合金完全液化后保持30秒，随后断电冷却至合金完全凝固。重复以上步骤8遍以保证合金的均匀性，最终得到钴基高温合金锭材。在高纯Ar保护气氛中，将上述制备的钴基高温合金锭材在1270℃的固溶温度下保温24小时，空冷；接着在1150℃的时效温度下保温50小时，淬火冷却，即得到γ＇相强化钴基高温合金。
如图1所示，合金4在1150℃下进行时效热处理50小时后典型组织形貌的扫描电镜照片，γ＇相为立方状，且体积分数约为67％，表明其可在1150℃以上形成γ＇相形貌立方且体积分数大于65％的γ/γ＇两相组织。
如图2所示，合金4在1150℃下进行时效热处理1000小时后典型组织形貌的扫描电镜照片，γ＇相为立方状，且体积分数约为49％，表明其γ＇强化相可在1150℃下稳定存在。
实施例3
按表1的合金7～8所示成分秤取高纯度的Co、Al、W、Ti、Ta、Ni和Cr等单质金属；将上述秤取的金属原材料放置于真空电弧熔炼炉内，在高纯Ar保护气氛中进行合金熔炼，熔炼电弧的电流大小控制在280A，待合金完全液化后保持30秒，随后断电冷却至合金完全凝固。重复以上步骤8遍以保证合金的均匀性，最终得到钴基高温合金锭材。在高纯Ar保护气氛中，将上述制备的钴基高温合金锭材在1250℃的固溶温度下保温24小时，空冷；接着在1000℃的时效温度下保温50小时，淬火冷却，即得到γ＇相强化钴基高温合金。
实施例4
按表1的合金9～10所示成分秤取高纯度的Co、Al、W、Ti、Ta、Ni、Mo和Nb等单质金属；将上述秤取的金属原材料放置于真空电弧熔炼炉内，在高纯Ar保护气氛中进行合金熔炼，熔炼电弧的电流大小控制在280A，待合金完全液化后保持30秒，随后断电冷却至合金完全凝固。重复以上步骤10遍以保证合金的均匀性，最终得到钴基高温合金锭材。在高纯Ar保护气氛中，将上述制备的钴基高温合金锭材在1260℃的固溶温度下保温20小时，空冷；接着在900℃的时效温度下保温50小时，淬火冷却，即得到γ＇相强化钴基高温合金。
实施例5
按表1的合金11～12所示成分秤取高纯度的Co、Al、W、Ti、Ta、Ni、Si和B等单质金属；将上述秤取的金属原材料放置于真空电弧熔炼炉内，在高纯Ar保护气氛中进行合金熔炼，熔炼电弧的电流大小控制在280A，待合金完全液化后保持30秒，随后断电冷却至合金完全凝固。重复以上步骤10遍以保证合金的均匀性，最终得到钴基高温合金锭材。在高纯Ar保护气氛中，将上述制备的钴基高温合金锭材在1250℃的固溶温度下保温24小时，空冷；接着在900℃的时效温度下保温50小时，淬火冷却，即得到γ＇相强化钴基高温合金。
实施例6
对实施例合金进行DSC测试确定γ＇相溶解温度。合金3的γ＇相溶解温度为1208℃，合金4的γ＇相溶解温度为1218℃，合金5的γ＇相溶解温度为1238℃，合金6的γ＇相溶解温度为1243℃，均显著高于现存的其他钴基高温合金。
实施例7
对实施例合金采用阿基米德排水法测试密度。合金4的密度为8.76g cm-3，合金6的密度为8.74g cm-3，均低于现存的大部分Co-Al-W基高温合金，与第二代镍基单晶高温合金的平均水平相当。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于以上示范性实施例的细节，而且在不背离本发明精神或基本特征的情况下，能够以其他具体形式实现本发明。因此，应将实施例看作是示范性的，而非限制性的。本发明的范围并非由上述说明限定，而是由所附的权利要求限定，因此落在权利要求的含义和范围内的所有变化均应囊括在本发明内。
此外，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为了清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体。换言之，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.一种γ＇相强化钴基高温合金的制备方法，其特征在于，具体制备工艺包含以下步骤：
(1)按以下重量百分比秤取高纯度的单质金属，Al：3～6％，W：11.8～12.1％，Ti：2～6％，Ta：2～4.7％，Ni：18～38％，还包含Cr：0～10％，Mo：0～5％，Nb：0～2％，Si：0～2％，B：0～1％中的一种或任意几种，余量Co，并且，按重量百分比应满足Al:W的范围为0.2～0.5；
(2)将上述秤取的高纯度单质原材料放置于真空电弧熔炼炉内，在高纯Ar保护气氛中进行合金熔炼，熔炼电弧的电流大小控制在280～350A，待合金完全液化后保持30～60秒，随后断电冷却至合金完全凝固，重复上述熔炼步骤，最终得到钴基高温合金锭材；
(3)在高纯Ar保护气氛中，将上述制备的钴基高温合金锭材在1250～1300℃的固溶温度下保温24～30小时，空冷；接着在时效温度为900～1150℃的范围内保温50～1000小时，淬火冷却，即得到γ＇相强化钴基高温合金。
2.如权利要求1所述的γ＇相强化钴基高温合金的制备方法，其特征在于，所述合金为两相组织，分别为A1晶体结构的γ基体相和L12晶体结构的γ＇析出相，其中γ＇相形貌为立方状且体积分数大于65％。
3.如权利要求1所述的γ＇相强化钴基高温合金的制备方法，其特征在于，步骤(3)中钴基高温合金锭材在1250～1300℃的固溶温度下保温24小时，在时效温度为900～1150℃的范围内保温50小时。
4.如权利要求1所述的γ＇相强化钴基高温合金的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述重复上述熔炼步骤为8～12遍。
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