CN109280813A - 一种钴基高温合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钴基高温合金及其制备方法，该合金由以下成分及含量熔炼而成：Mo 1‑9wt％、Mn 0.5‑2.0wt％、Cr 7‑15wt％、Ni 0.05‑0.15wt％、RE 1.3‑2.5wt％、Nb 0.005‑0.020wt％、W 0.7‑1.8wt％、Zr 1.5‑2.7wt％，余量为Co，其中RE为Ce、Nd、Y、Sm中任一种。本发明得到的钴基高温合金具有良好的力学性能，可用于航空发动机叶片的制备。

Description

一种钴基高温合金及其制备方法
技术领域
本发明属于金属材料技术领域，具体而言，涉及一种钴基高温合金及其制备方法。
背景技术
钴基合金是一种应用广泛且种类丰富的合金类型，具有良好的耐腐蚀性能、耐磨损性能和抗热疲劳性能，因而在医用生物材料领域、航空航天发动机制造领域具有很大的利用价值。
在航空技术领域，航空发动机的热部件中，叶片材料的使用条件最为苛刻，为了提高发动机的效率，必须不断提高涡轮燃气进口温度，一般叶身部分的温度达到650℃以上，叶根部分温度也高达700℃以上，且涡轮叶片要承受气动力和离心力的作用，产生拉应力与弯曲应力，同时受到燃气流的高速脉冲，使叶片产生振动应力，因此叶片材料需要由足够的高温拉伸强度、持久强度和蠕变强度，还需要有良好的机械疲劳、热疲劳性能等。
发明内容
本发明的目的是通过设计合金配方及其具体制备过程，得到一种新的钴基高温合金及其制备方法，该钴基高温合金具有良好的室温力学性能和高温力学性能。
为了实现本发明的目的，通过大量试验研究并不懈努力，最终获得如下技术方案：一种钴基高温合金，由以下成分及含量熔炼而成：Mo 1-9wt％、Mn 0.5-2.0wt％、Cr 7-15wt％、Ni 0.05-0.15wt％、RE 1.3-2.5wt％、Nb 0.005-0.020wt％、W 0.7-1.8wt％、Zr1.5-2.7wt％，余量为Co，其中RE为Ce、Nd、Y、Sm中任一种。
优选地，如上所述钴基高温合金，由以下成分及含量熔炼而成：Mo 4-7wt％、Mn1.0-1.5wt％、Cr 8-12wt％、Ni 0.08-0.12wt％、RE 1.8-2.2wt％、Nb 0.010-0.015wt％、W1.2-1.6wt％、Zr 2.0-2.5wt％，余量为Co。
优选地，如上所述钴基高温合金，由以下成分及含量熔炼而成：Mo 6wt％、Mn1.2wt％、Cr 10wt％、Ni 0.10wt％、RE 2.0wt％、Nb 0.013wt％、W 1.4wt％、Zr 2.3wt％，余量为Co
优选地，如上所述钴基高温合金，所述钴基合金中杂质总含量≤0.005wt％。
另外，本发明还提供上述钴基高温合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)按比例称量各原料粉末，将其放入行星球磨机中，在惰性气体保护下进行机械合金化；
(2)将得到的合金粉末进行高温烧结，具体为：将步骤(1)所得合金粉末装入石墨模具中，置于放电等离子烧结炉中，在真空条件下进行烧结，先以30-50℃/min速率升温至900-1150℃，保温45-60min，再以10-15℃/min速率升温至1300-1500℃，保温15-30min，之后保持真空直至冷却至室温，得到钴基合金铸锭；
(3)对铸锭进行真空固溶处理，固溶处理温度为1000-1150℃，处理时间8-12h，得到成品材料。
进一步优选地，如上所述钴基高温合金的制备方法，所述步骤(1)中球磨时将粉末用无水酒精密封并抽真空，之后充入氩气，反复吸-冲气3-4次，之后进行球磨，球磨时间20-30h。
进一步优选地，如上所述钴基高温合金的制备方法，球磨结束后，将所得酒精与粉末的混合物置于真空干燥箱中进行低温干燥。
进一步优选地，如上所述钴基高温合金的制备方法，将步骤(1)所得合金粉末装入石墨模具中，置于放电等离子烧结炉中，施加30-60MPa的烧结压力，在低于10Pa的真空条件下进行烧结。
进一步优选地，如上所述钴基高温合金的制备方法，其中所述合金铸锭进行真空固溶处理后还经过真空时效处理，真空时效处理温度为650-780℃，处理时间3-5h。
本发明相对于现有技术，具有如下技术效果：
本发明得到了一种新的钴基高温合金，该钴基高温合金具有良好的力学性能，室温下抗拉强度834MPa以上、屈服强度494MPa以上、断后伸长率36.5％以上；在高温应力(105MPa、温度850℃)下，持久断裂时间大于35h、断后伸长率高于35.2％；在高温应力(175MPa、温度850℃)下，持久断裂时间大于20h、断后伸长率高于18.3％，可应用于航空发动机叶片制造领域。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的保护范围。另外，实施例中未注明具体技术操作步骤或条件者，均按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
实施例1
钴基高温合金制备：
步骤1：按照按照下述质量百分数称量各原料，其中Mo 1wt％、Mn 0.5wt％、Cr7wt％、Ni 0.05wt％、Nd 1.3wt％、Nb 0.005wt％、W 0.7wt％、Zr 1.5wt％，余量为Co。称量原料共计500kg，将原料投入行星球磨机中，球磨时将粉末用无水酒精密封并抽真空，之后充入氩气，反复吸-冲气3-4次，之后进行球磨，球磨时间20h；
步骤2：将所得合金粉末装入石墨模具中，置于放电等离子烧结炉中，施加30MPa的烧结压力，在8Pa的真空条件下进行烧结，先以30℃/min速率升温至900℃，保温60min，再以10℃/min速率升温至1300℃，保温30min，之后保持真空直至冷却至室温，得到钴基合金铸锭；
步骤3：对铸锭进行真空固溶处理，固溶处理温度为1000℃，处理时间12h；
步骤4：对真空固溶处理后铸锭进行真空时效处理，真空时效处理温度为650℃，处理时间5h，得到成品材料。
实施例2
钴基高温合金制备：
步骤1：按照下述质量百分数称量各原料，其中Mo 4wt％、Mn 1.0wt％、Cr 8wt％、Ni 0.08wt％、Ce 1.8wt％、Nb 0.01wt％、W 1.2wt％、Zr 2.0wt％，余量为Co。称量原料共计500kg，之后投入行星球磨机中，球磨时将粉末用无水酒精密封并抽真空，之后充入氩气，反复吸-冲气3-4次，之后进行球磨，球磨时间30h；
步骤2：所得合金粉末装入石墨模具中，置于放电等离子烧结炉中，施加60MPa的烧结压力，在5Pa的真空条件下进行烧结，先以50℃/min速率升温至1150℃，保温45min，再以15℃/min速率升温至1500℃，保温15min，之后保持真空直至冷却至室温，得到钴基合金铸锭；
步骤3：对铸锭进行真空固溶处理，固溶处理温度为1150℃，处理时间8h；
步骤4：对真空固溶处理后铸锭进行真空时效处理，真空时效处理温度为780℃，处理时间3h，得到成品材料。
实施例3
钴基高温合金制备：
步骤1：按照下述质量百分数称量各原料，其中Mo 6wt％、Mn 1.2wt％、Cr 10wt％、Ni 0.10wt％、Y 2.0wt％、Nb 0.013wt％、W 1.4wt％、Zr 2.3wt％，余量为Co。称量原料1000kg后投入行星球磨机中，球磨时将粉末用无水酒精密封并抽真空，之后充入氩气，反复吸-冲气3-4次，之后进行球磨，球磨时间25h；
步骤2：所得合金粉末装入石墨模具中，置于放电等离子烧结炉中，施加50MPa的烧结压力，在5Pa的真空条件下进行烧结，先以40℃/min速率升温至1100℃，保温55min，再以15℃/min速率升温至1450℃，保温20min，之后保持真空直至冷却至室温，得到钴基合金铸锭：
步骤3：对铸锭进行真空固溶处理，固溶处理温度为1100℃，处理时间10h；
步骤4：对真空固溶处理后铸锭进行真空时效处理，真空时效处理温度为700℃，处理时间4h，得到成品材料。
实施例4
钴基高温合金制备：
步骤1：按照下述质量百分数称量各原料，其中Mo 7wt％、Mn 1.5wt％、Cr 12wt％、Ni 0.12wt％、Ce 2.2wt％、Nb 0.015wt％、W 1.6wt％、Zr 2.5wt％，余量为Co。称量原料500kg后投入行星球磨机中，球磨时将粉末用无水酒精密封并抽真空，之后充入氩气，反复吸-冲气3-4次，之后进行球磨，球磨时间30h；
步骤2：所得合金粉末装入石墨模具中，置于放电等离子烧结炉中，施加45MPa的烧结压力，在8Pa的真空条件下进行烧结，先以35℃/min速率升温至1150℃，保温50min，再以12℃/min速率升温至1350℃，保温25min，之后保持真空直至冷却至室温，得到钴基合金铸锭；
步骤3：对铸锭进行真空固溶处理，固溶处理温度为1150℃，处理时间9h；
步骤4：对真空固溶处理后铸锭进行真空时效处理，真空时效处理温度为720℃，处理时间3.5h，得到成品材料。
实施例5
钴基高温合金制备：
步骤1：按照下述质量百分数称量各原料，其中Mo 9wt％、Mn 2.0wt％、Cr 15wt％、Ni 0.15wt％、Y 2.5wt％、Nb 0.020wt％、W 1.8wt％、Zr 2.7wt％，余量为Co。称量原料800kg后投入行星球磨机中，球磨时将粉末用无水酒精密封并抽真空，之后充入氩气，反复吸-冲气3-4次，之后进行球磨，球磨时间20h；
步骤2：所得合金粉末装入石墨模具中，置于放电等离子烧结炉中，施加40MPa的烧结压力，在5Pa的真空条件下进行烧结，先以50℃/min速率升温至1000℃，保温60min，再以10℃/min速率升温至1400℃，保温20min，之后保持真空直至冷却至室温，得到钴基合金铸锭：
步骤3：对铸锭进行真空固溶处理，固溶处理温度为1150℃，处理时间10h；
步骤4：对真空固溶处理后铸锭进行真空时效处理，真空时效处理温度为680℃，处理时间4h，得到成品材料。
实施例6
对实施例1-5制备的成品合金材料取样进行室温拉伸实验，检测力学性能，并检测成品在高温下的断裂持久时间及断后伸长率，结果如表1所示。
由上表可知，本发明得到的钴基高温合金在室温下具有良好的力学性能，同时在高温应力作用下仍然具有优秀的持久断裂能力，可以应用于航空发动机燃烧室部件的高温工作环境。
对比例1
制备过程及参数与实施例5的相同，不同处在于合金原料配方按照如下质量百分数配比：Mo 10wt％、Mn 2.5wt％、Cr 20wt％、Ni 0.2wt％、Y 3wt％、Nb 0.02wt％、W2.0wt％、Zr 3.0wt％，余量为Co。
最终得到的成品材料室温力学性能如下：抗拉强度704MPa、屈服强度327MPa、断后伸长率27.8％；在高温应力(105MPa、温度850℃)下，持久断裂时间21h、断后伸长率20.2％；在高温应力(175MPa、温度850℃)下，持久断裂时间11h、断后伸长率11.7％。
对比例2
制备过程及参数与实施例5的相同，不同处在于合金原料配方按照如下质量百分数配比：Mo 10wt％、Cr 20wt％、Ni 0.2wt％、Nb 0.02wt％、W 2.0wt％，余量为Co。
最终得到的成品材料室温力学性能如下：抗拉强度576MPa、屈服强度278MPa、断后伸长率16.7％；在高温应力(105MPa、温度850℃)下，持久断裂时间14h、断后伸长率10.2％；在高温应力(175MPa、温度850℃)下，持久断裂时间8.6h、断后伸长率7.6％。
对比例3
钴基高温合金制备：
步骤1：按照下述质量百分数称量各原料，其中Mo 7wt％、Mn 1.5wt％、Cr 12wt％、Ni 0.12wt％、Ce 2.2wt％、Nb 0.015wt％、W 1.6wt％、Zr 2.5wt％，余量为Co。称量原料500kg后投入行星球磨机中，球磨时将粉末用无水酒精密封并抽真空，之后充入氩气，反复吸-冲气3-4次，之后进行球磨，球磨时间30h；
步骤2：所得合金粉末装入石墨模具中，置于放电等离子烧结炉中，施加45MPa的烧结压力，在8Pa的真空条件下进行烧结，以35℃/min速率升温至1350℃，保温40min，之后保持真空直至冷却至室温，得到钴基合金铸锭；
步骤3：对铸锭进行真空固溶处理，固溶处理温度为1150℃，处理时间9h；
步骤4：对真空固溶处理后铸锭进行真空时效处理，真空时效处理温度为720℃，处理时间3.5h，得到成品材料。
最终得到的成品材料室温力学性能如下：抗拉强度687MPa、屈服强度314MPa、断后伸长率22.7％；在高温应力(105MPa、温度850℃)下，持久断裂时间24h、断后伸长率28.5％；在高温应力(175MPa、温度850℃)下，持久断裂时间14h、断后伸长率13.6％。
对比例4
钴基高温合金制备：
步骤1：按照下述质量百分数称量各原料，其中Mo 7wt％、Mn 1.5wt％、Cr 12wt％、Ni 0.12wt％、Ce 2.2wt％、Nb 0.015wt％、W 1.6wt％、Zr 2.5wt％，余量为Co。称量原料500kg后投入行星球磨机中，球磨时将粉末用无水酒精密封并抽真空，之后充入氩气，反复吸-冲气3-4次，之后进行球磨，球磨时间30h；
步骤2：所得合金粉末装入石墨模具中，置于放电等离子烧结炉中，施加45MPa的烧结压力，在8Pa的真空条件下进行烧结，先以60℃/min速率升温至1150℃，保温50min，再以20℃/min速率升温至1350℃，保温25min，之后保持真空直至冷却至室温，得到钴基合金铸锭；
步骤3：对铸锭进行真空固溶处理，固溶处理温度为1150℃，处理时间9h；
步骤4：对真空固溶处理后铸锭进行真空时效处理，真空时效处理温度为720℃，处理时间3.5h，得到成品材料。
最终得到的成品材料室温力学性能如下：抗拉强度872MPa、屈服强度598MPa、断后伸长率33.7％；在高温应力(105MPa、温度850℃)下，持久断裂时间36h、断后伸长率31.8％；在高温应力(175MPa、温度850℃)下，持久断裂时间18.5h、断后伸长率19.0％。

Claims (9)

1.一种钴基高温合金，其特征在于由以下成分及含量熔炼而成：Mo 1-9wt％、Mn 0.5-2.0wt％、Cr 7-15wt％、Ni 0.05-0.15wt％、RE 1.3-2.5wt％、Nb 0.005-0.020wt％、W 0.7-1.8wt％、Zr 1.5-2.7wt％，余量为Co，其中RE为Ce、Nd、Y、Sm中任一种。
2.根据权利要求1所述钴基高温合金，其特征在于由以下成分及含量熔炼而成：Mo 4-7wt％、Mn 1.0-1.5wt％、Cr 8-12wt％、Ni 0.08-0.12wt％、RE 1.8-2.2wt％、Nb 0.010-0.015wt％、W 1.2-1.6wt％、Zr 2.0-2.5wt％，余量为Co。
3.根据权利要求2所述钴基高温合金，其特征在于由以下成分及含量熔炼而成：Mo6wt％、Mn 1.2wt％、Cr 10wt％、Ni 0.10wt％、RE 2.0wt％、Nb 0.013wt％、W 1.4wt％、Zr2.3wt％，余量为Co。
4.根据权利要求1或2或3所述钴基高温合金，其特征在于：所述钴基合金中杂质总含量≤0.005wt％。
5.一种根据权利要求1-4任一项所述钴基高温合金的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)按比例称量各原料粉末，将其放入行星球磨机中，在惰性气体保护下进行机械合金化；
(2)将得到的合金粉末进行高温烧结，具体为：将步骤(1)所得合金粉末装入石墨模具中，置于放电等离子烧结炉中，在真空条件下进行烧结，先以30-50℃/min速率升温至900-1150℃，保温45-60min，再以10-15℃/min速率升温至1300-1500℃，保温15-30min，之后保持真空直至冷却至室温，得到钴基合金铸锭；
(3)对铸锭进行真空固溶处理，固溶处理温度为1000-1150℃，处理时间8-12h，得到成品材料。
6.根据权利要求5所述钴基高温合金的制备方法，其特征在于：步骤(1)中球磨时将粉末用无水酒精密封并抽真空，之后充入氩气，反复吸-冲气3-4次，之后进行球磨，球磨时间20-30h。
7.根据权利要求5所述钴基高温合金的制备方法，其特征在于：球磨结束后，将所得酒精与粉末的混合物置于真空干燥箱中进行低温干燥。
8.根据权利要求5所述钴基高温合金的制备方法，其特征在于：将步骤(1)所得合金粉末装入石墨模具中，置于放电等离子烧结炉中，施加30-60MPa的烧结压力，在低于10Pa的真空条件下进行烧结。
9.根据权利要求5所述钴基高温合金的制备方法，其特征在于：所述合金铸锭进行真空固溶处理后还经过真空时效处理，真空时效处理温度为650-780℃，处理时间3-5h。
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