CN108411163A

CN108411163A - 一种高强度的γ′相强化型钴基高温合金

Info

Publication number: CN108411163A
Application number: CN201810211978.0A
Authority: CN
Inventors: 王磊; 高博; 刘杨; 宋秀
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2018-03-08
Filing date: 2018-03-08
Publication date: 2018-08-17

Abstract

本发明公开了一种高强度的γ′相强化型钴基高温合金，该合金材料主要由Co、Ni、Al、W、Cr、Ta、Ti等元素组成，其质量百分比表示为：20.0‑24.5％Ni，14.5‑19.5％W，3.4‑6.0％Al，3.0‑6.8％Cr，4.0‑5.8％Ta，1.5‑2.0％Ti，0.3‑1.0％Mo，0‑0.14％Zr，0.01‑0.015％B，0‑0.1％C，0‑0.007％Y，Co为余量。该合金的主要组成相是(a)钴基固溶体γ+金属间化合物γ′，或(b)钴基固溶体γ+金属间化合物γ′+MC型碳化物+晶界弥散析出金属间化合物μ。该合金可用于冶金、石油、能源、电力等工业领域中涡轮机热端部件，其工作温度可达900℃。该合金高温强度较高，高温条件下(700‑900℃)该合金的屈服强度约为DZ40M的2‑3倍；该合金的持久性能、抗高温氧化和热腐蚀性能优异，均优于传统钴基高温合金。

Description

一种高强度的γ′相强化型钴基高温合金

技术领域

本发明属于新材料技术领域，涉及一种高强度的新型γ′相强化型钴基高温合金。

背景技术

提高燃气轮机的功率和效率，提升燃气入口温度(Turbine Inlet Temperature,TIT)是促进现代工业发展的重要前提。而燃气轮机TIT的提高须靠综合性能优异的高温合金来保证。目前，国内外广泛使用镍基高温合金(如IN738LC、Rene5SC、MGA1400，GTD-111DS等)作为燃气轮机热端部件材料。与镍基高温合金相比，钴基高温合金虽然具有抗蠕变性能和抗热腐蚀性能好、低热膨胀系数以及高导热性等优点，但是传统钴基高温合金缺乏γ′相沉淀强化效应，其高温强度无法得到保证，仅在燃气轮机中导向叶片等低应力需求的场合中有所应用。

自2006年Sato.等在Co-Al-W合金中发现了具有L1₂结构γ′-Co₃(Al,W)，其强化方式与传统的镍基高温合金相似，有望大幅度提高钴基合金的高温强度。不仅如此，钴基高温合金的初溶温度高于镍基高温合金，可打破熔点给高温合金使用温度的提升带来的制约。资料显示，燃气轮机TIT每提升10℃，其功率和效率可提高1％，因此新型γ′相强化钴基高温合金的研发具有很大的应用前景。

新型钴基高温合金的研发初期，有研究学者指出，900和1000℃时Sato.等所发现的γ′相相区非常小，并处于一种亚稳的状态，900℃时γ′相容易向γ、D0₁₉和B2相转化。因此Ta、Ti、Nb、Mo和V等元素需要添加到钴基合金中以稳定γ′相。然而Ta、Mo添加可促进μ相析出，Ti可促进形成Co₂AlTi，而V、Nb等能够显著降低合金的抗氧化性能。添加合金元素的同时，需要综合考虑各元素对合金相平衡、力学行为和抗高温氧化及热腐蚀行为的影响。因此，优化合金成分设计成为了新型钴基高温合金研发的关键。

发明内容

本发明目的旨在提供一种具有较高的高温强度、良好的持久性能、优异的抗高温氧化和抗热腐蚀性能的新材料。其γ′相可在950℃以下稳定存在并为立方形貌，且该相体积百分数可达60％以上。

本发明合金的成分特点考虑了如下因素：

Ni：稳定γ基体，并扩大γ′相相区，增加合金γ′相的初溶温度。

W：γ′相的组成元素，且W含量越高，γ′相的初溶温度越高。不仅如此，W固溶于基体中起到固溶强化作用，使合金具有更高的高温强度。

Al：γ′相的组成元素，且在高温氧化和热腐蚀过程中，合金表面形成氧化铝层，可保护基体被进一步氧化或腐蚀，然而Al含量较高合金将析出β相。

Ti：Ti在γ′相中倾向于占Co/W位，Ti稳定γ′相(增加其析出温度和体积分数)，Ti和Ta结合可显著提升抗氧化性和蠕变性能，然而Ti含量较高合金将析出β相。

Ta：Ta在γ′相中倾向于占W位，Ta稳定γ′相(增加其析出温度和体积分数)，然而Ta含量较高合金将球化γ′相。

Cr：Cr在γ′相中倾向于占Co/W位，降低γ′相的析出温度和体积分数，Cr添加量高于8％时，γ′相将球化；Cr的添加可增加合金的氧化性能，但在950℃以上的氧化中其作用显著降低。

Mo：Mo在γ′相中倾向于中占W位，Mo稳定γ′相(降低其析出温度和增加体积分数)，然而W、Ta和Mo总添加量不宜过高，易析出χ相和μ相。

Zr：减少晶界缺陷，提高晶界结合力，强化晶界。

B：增加晶界结合力，提高合金的抗氧化性、蠕变性能和持久性能。

C：晶界强化元素，提高合金高温持久寿命。

Y：增加合金抗氧化性能。

本发明的技术方案是：一种高强度的γ′相强化型钴基高温合金，该合金成分按重量计：20.0-24.5％Ni，14.5-19.5％W，3.4-6.0％Al，3.0-6.8％Cr，4.0-5.8％Ta，1.5-2.0％Ti，0.3-1.0％Mo，0-0.14％Zr，0.01-0.015％B，0-0.1％C，0-0.007％Y，Co为余量。

进一步地，上述钴基高温合金中相应成分按重量计：14.5-15.5％W，3.6-4.3％Al，5.8-6.8％Cr，5.4-5.8％Ta，1.5-1.8％Ti，0.3-0.5％Mo，0-0.02％C。该合金的特征铬含量较高，主要组成相为钴基固溶体γ+金属间化合物γ′，合金抗氧化性能优异。

进一步地，上述钴基高温合金中相应成分按重量计：15.0-19.5％W，3.6-4.3％Al，5.8-6.8％Cr，5.4-5.8％Ta，1.5-1.8％Ti，0.3-0.5％Mo，0.02-0.1％C。该合金的特征铬、碳含量较高，主要组成相为钴基固溶体γ+金属间化合物γ′+MC型碳化物+晶界弥散析出金属间化合物μ，该合金抗氧化性能优异，晶界存在碳化物等，提高了合金的高温持久、蠕变等性能。

进一步地，上述钴基高温合金中相应成分按重量计：14.0-16.0％W，3.8-4.3％Al，3.0-4.0％Cr，5.0-5.8％Ta，1.5-1.8％Ti，0-0.02％C。该合金的特征铬含量较低，钨含量增加，主要组成相为钴基固溶体γ+金属间化合物γ′，该合金固溶强化元素含量较高，可具有更高高温强度。

进一步地，上述钴基高温合金中相应成分按重量计：15.0-19.5％W，3.8-4.2％Al，3.0-5.0％Cr，5-5.8％Ta，1.5-1.8％Ti，0.02-0.1％C。该合金的特征碳含量较高，铬含量较低，钨含量增加，主要组成相为钴基固溶体γ+金属间化合物γ′+MC型碳化物+晶界弥散析出金属间化合物μ，该合金固溶强化元素含量较高，可具有更高高温强度，且晶界存在碳化物等，提高了合金的高温持久、蠕变等性能。

上述高强度的γ′相强化型钴基高温合金的应用，将高强度的γ′相强化型钴基高温合金用于制造燃气轮机热端部件，应用环境温度为800-950℃。

本发明的有益效果为，发明合金的高温强度较高，高温屈服强度约为传统钴基定向凝固高温合金DZ40M的2.5-3倍；发明合金的高温抗氧化性能优异，900℃条件下，平均氧化速率相比于传统钴基定向凝固高温合金DZ40M减少了约65％-75％；发明合金的高温抗腐蚀性能优异，900℃条件下，平均腐蚀速率相比于传统钴基定向凝固高温合金DZ40M减少了约55％-75％。一种新型γ′相强化型钴基高温合金材料。新材料通过γ′相强化，合金的高温强度较高，且持久性能、抗高温氧化性能和热腐蚀性能优异。

附图说明

图1为本发明(合金2)1220℃固溶8h，950℃时效100h后的γ+γ′组织形貌

图2为实施例合金和比较例合金高温条件下的屈服强度(DZ40M数据来源于《中国高温合金手册》)

具体实施方案

下面对本发明的较佳实施例进行做详细描述。

本发明提供了多组实施例，其化学成分如表1所示。合金具有优良的γ+γ′两相组织。图1为合金3经1220℃固溶8h，950℃时效100h后的组织形貌，显示γ′相为立方形貌，γ′相体积百分数约为70％。说明本发明合金在高温条件下应具有较高的高温强度，具有优异的承温性能。

表1为实施例和比较例的化学成分(按重量百分数计)

DZ40M中含0.95％Fe，0.6％Si和0.44％Mn。

实施例1

表1中，合金1的屈服强度较高，由图2可知，合金1的屈服强度约为传统钴基定向凝固高温合金DZ40M的2.5倍。不仅如此，合金1具有良好的抗高温氧化性能和抗热腐蚀性能。表2为900℃条件下合金1-3和DZ40M的平均氧化速率并根据标准名称《钢及高温合金的抗氧化性测定试验方法》(标准号HB5258-2000，实施日期2001年1月1日)对合金抗氧化性能评定；表3为800、900℃条件下合金1-3的平均热腐蚀增重。由表2和表3可知，实施例合金1与DZ40M相比，平均氧化增重和平均热腐蚀增重均显著小于比较例合金，表现出优异的抗氧化性能和抗热腐蚀性能。

表2 900℃条件下合金1-3和DZ40M的平均氧化速率及合金抗氧化性能评定

合金	平均氧化增重g/(m²·h)	抗氧化性能评定
			合金1	0.03151	完全抗氧化级
合金2	0.02222	完全抗氧化级
			合金3	0.02529	完全抗氧化级
DZ40M	0.08844	完全抗氧化级

表3 800、900℃条件下合金1-3的平均热腐蚀增重

(DZ40M数据来源于《中国高温合金手册》)

实施例2

表1中，合金2的屈服强度较高，由图2可知，合金2的高温屈服强度约为传统钴基定向凝固高温合金DZ40M的2.5-3倍。不仅如此，由表2和表3可知，实施例合金2与DZ40M相比，平均氧化增重和平均热腐蚀增重均显著小于比较例合金，表现出优异的抗氧化性能和抗热腐蚀性能。

实施例3

表1中，合金3的屈服强度较高，由图2可知，合金3的高温屈服强度约为传统钴基定向凝固高温合金DZ40M的2.5-3倍。不仅如此，由表2和表3可知，实施例合金3与DZ40M相比，平均氧化增重和平均热腐蚀增重均显著小于比较例合金，表现出优异的抗氧化性能和抗热腐蚀性能。此外，实施例合金3具有良好的持久性能。温度为900℃，试验应力为160MPa条件下实施例合金3的持久寿命高达184.117h，而DZ40M为85h。本发明合金表现出优异的高温持久性能。(DZ40M数据来源于《中国高温合金手册》)

Claims

1.一种高强度的γ′相强化型钴基高温合金，其特征在于，该合金成分按重量计：20.0-24.5％Ni，14.5-19.5％W，3.4-6.0％Al，3.0-6.8％Cr，4.0-5.8％Ta，1.5-2.0％Ti，0.3-1.0％Mo，0-0.14％Zr，0.01-0.015％B，0-0.1％C，0-0.007％Y，Co为余量。

2.根据权利要求1所述的高强度的γ′相强化型钴基高温合金，其特征在于，按重量计：14.5-15.5％W，3.6-4.3％Al，5.8-6.8％Cr，5.4-5.8％Ta，1.5-1.8％Ti，0.3-0.5％Mo，0-0.02％C。

3.根据权利要求1所述的高强度的γ′相强化型钴基高温合金，其特征在于，按重量计：15.0-19.5％W，3.6-4.3％Al，5.8-6.8％Cr，5.4-5.8％Ta，1.5-1.8％Ti，0.3-0.5％Mo，0.02-0.1％C。

4.根据权利要求1所述的高强度的γ′相强化型钴基高温合金，其特征在于，按重量计：14.0-16.0％W，3.8-4.3％Al，3.0-4.0％Cr，5.0-5.8％Ta，1.5-1.8％Ti，0-0.02％C。

5.根据权利要求1所述的高强度的γ′相强化型钴基高温合金，其特征在于，按重量计：15.0-19.5％W，3.8-4.2％Al，3.0-5.0％Cr，5-5.8％Ta，1.5-1.8％Ti，0.02-0.1％C。

6.根据权利要求1所述的高强度的γ′相强化型钴基高温合金，其特征在于，该合金成分按重量计：21.32％Ni，19.47％W，3.47％Al，6.30％Cr，4.11％Ta，1.81％Ti，0.73％Mo，0.14％Zr，0.013％B，0.006％Y，Co为余量。

7.根据权利要求1所述的高强度的γ′相强化型钴基高温合金，其特征在于，该合金成分按重量计：23.87％Ni，14.38％W，3.80％Al，6.51％Cr，5.66％Ta，1.87％Ti，0.30％Mo，0.14％Zr，0.014％B，0.007％Y，Co为余量。

8.根据权利要求1所述的高强度的γ′相强化型钴基高温合金，其特征在于，该合金成分按重量计：23.87％Ni，15.72％W，3.80％Al，6.51％Cr，5.66％Ta，1.87％Ti，0.30％Mo，0.14％Zr，0.014％B，0.007％Y，0.09％C，Co为余量。

9.权利要求1-8任一所述高强度的γ′相强化型钴基高温合金的应用，其特征在于，将高强度的γ′相强化型钴基高温合金用于制造燃气轮机热端部件，应用环境温度为800-950℃。