CN109576534A - 一种低钨含量γ`相强化钴基高温合金及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低钨含量γ`相强化钴基高温合金及其制备工艺，属于新材料设计与开发技术领域。其化学成分按质量百分比计为：4.00％～6.00％Al，1.00％～5.99％W，25.00％～40.00％Ni，3.00％～6.00％Cr，6.01％～18.00％Ta，0.50％～8.00％Mo，0％～1.99％Ti，0％～4.00％Nb，0％～0.50％Hf，0％～0.50％C，0％～0.50％Y，余量Co；所设计合金中强γ′相形成元素Al、W、Ta、Ti、Mo、Nb的原子百分比总和不低于18％、难熔元素Cr、W、Ta、Mo、Nb的原子百分比总和不低于10％，以保证合金的γ`相溶解温度、粗化速率和体积分数要求；所开发制备工艺可避免高熔点元素的熔化不均匀以及低熔点元素的烧损现象，提高了铸锭化学成分的准确性和均匀性；所开发合金与同类γ`相强化钴基高温合金相比，具有更为优异的综合性能，有望在航空发动机和地面燃气轮机中获得推广应用。

Description

一种低钨含量γ′相强化钴基高温合金及其制备工艺

技术领域

本发明属于新材料设计与开发技术领域，特别是提供了一种低钨含量γ′相强化钴基高温合金的成分及其制备工艺。

背景技术

钴基高温合金与镍基高温合金相比具有更为优异的抗热腐蚀、抗热疲劳和焊接等性能，是航空航天、能源动力、核工业等先进推进系统热端部件的关键材料之一。传统钴基高温合金的强化方式主要为固溶强化和碳化物强化，其高温强度和承温能力显著低于依靠γ'相(Ni₃Al)强化的镍基高温合金，从而限制了钴基高温合金在高温和高承载条件下的广泛应用。

2006年，Sato等人在Co-Al-W系合金中发现了与基体共格的γ′-Co₃(Al,W)相，且后续研究通过合金化的方法将γ'相溶解温度提高到1100℃以上，在高温下获得了长时稳定的γ/γ'两相组织，并可通过共格强化和沉淀强化来提高合金的高温力学性能。该类γ'相强化钴基高温合金的高温强度相对于传统钴基高温合金显著提高，甚至在某些温度(≥1000℃)优于镍基高温合金。此外，最新研究报道，Co-Al-W-Ta-Ti五元单晶合金的蠕变性能已接近第二代镍基单晶高温合金，表明该类合金具有广阔的应用前景。

然而，目前γ′相强化钴基高温合金与镍基高温合金相比的主要差距存在于：①γ′相溶解温度偏低，目前报道组织稳定性优异的γ′相强化钴基高温合金的γ′相溶解温度多在1200℃以下，而主流的铸造镍基高温合金的γ′相溶解温度已经超过了1300℃；②合金密度较高，γ′相强化钴基高温合金中W元素的加入使得合金组织稳定性提高的同时，合金密度大幅度提高，目前大部分含钨钴基高温合金的密度在9.0g·cm^-3以上，而先进铸造镍基高温合金的密度仅为7.9～9.0g·cm^-3。

为此，有必要开发一种低钨元素含量、高γ′相溶解温度和组织稳定性的铸造钴基高温合金及其制备方法。

发明内容

本发明以降低γ′相强化钴基高温合金密度、提高合金γ′相溶解温度和组织稳定性为目的，通过合金元素选择优化以及合理的制备工艺制定，开发一种低钨含量γ′相强化钴基高温合金及其制备工艺。

本发明的技术方案为：

本发明的γ′相强化钴基高温合金，其化学成分按质量百分比计为：4.00％～6.00％Al，1.00％～5.99％W，25.00％～40.00％Ni，3.00％～6.00％Cr，6.01％～18.00％Ta，0.50％～8.00％Mo，0％～1.99％Ti，0％～4.00％Nb，0％～0.50％Hf，0％～0.50％C，0％～0.50％Y，余量Co。

为保证γ′相强化钴基高温合金的γ′相溶解温度大于1200℃和体积分数大于65％，本发明合金的强γ′相形成元素Al、W、Ta、Ti、Mo、Nb的原子百分比总和不低于18％。

为抑制γ′相强化钴基高温合金的γ′相粗化速率，提高组织稳定性，本发明合金的难熔元素Cr、W、Ta、Mo、Nb的原子百分比总和不低于10％。

本发明γ′相强化钴基高温合金的制备工艺包括中间合金熔炼和合金熔炼过程，主要步骤如下：

(1)考虑到W、Ta、Mo、Nb等高熔点元素，首先熔炼Co-Ni-Cr-W-Ta-Mo-Nb中间合金，防止熔炼过程中出现高熔点合金熔化不充分的现象。

(2)将微量元素C、Hf、Y以及易氧化元素Al、Ti放入料斗中，以便在熔炼过程中加入，提高微量元素和易氧化元素的收得率。

(3)采用真空感应炉进行熔炼，首先，进行小功率送电加热排除原料上的附着气体，然后进行大功率快速升温到1500℃-1600℃，然后降低温度至1350℃-1450℃，保温15-20分钟，加入料斗中的微量元素和易氧化元素，接着立刻快速升温到1500℃-1600℃，保温20-25分钟后浇注，制备成低钨含量γ′相强化钴基高温合金铸锭。

本发明的优点：

(1)本发明在成分设计时综合考虑了各个元素对钴基高温合金密度、γ′相熔点和体积分数、合金组织性能的综合影响，特别是对W、Ta、Mo和Hf、C、Y元素的精心选择与优化，对合金密度的降低和高温性能的提升起到了显著地作用。具体考虑因素如下：

铝：Al元素是γ′相形成元素，由于Al的密度较低，Al的加入可以显著降低合金密度，提高合金的抗氧化性能，因此Al元素的含量为4.00wt％～6.00wt％。

钨：W元素是γ′相形成元素和固溶强化元素，由于W(ρ＝19.3g/cm³)的密度较大，W元素的加入会极大增加合金密度，因此W元素的含量为1.00wt％～5.99wt％。

镍：Ni元素是γ′相形成元素，Ni元素的加入有利于扩大γ/γ′两相区，大幅度提高钴基高温合金的组织稳定性，因此Ni元素的含量为25.00wt％～40.00wt％。

铬：Cr元素是重要的抗氧化与抗腐蚀合金元素，Cr元素的加入可以使材料在服役条件下表面形成致密富铬氧化膜，阻止材料进一步氧化。过量的Cr元素会导致γ/γ′两相组织不稳定，并容易在晶界析出σ相，因此Cr元素的含量为3.00wt％～6.00wt％。

钽：Ta元素是重要的γ′相形成元素，可以有效的提高钴基高温合金的γ′相溶解温度和体积分数，进而提高钴基高温合金的高温力学性能。综合考虑密度、成本等因素，Ta元素的含量为6.01wt％～18.00wt％。

钼：Mo元素是重要的固溶强化元素和γ′相稳定元素，特别是低W钴基高温合金，Mo元素的作用至关重要。此外，过高的Mo元素会导致有害相的形成，因此Mo元素的含量为0.50wt％～8.00wt％。

钛：Ti元素是重要的γ′相形成元素，可以有效的提高钴基高温合金的力学性能。过高的Ti元素会造成合金偏析严重、固相线温度降低。因此Ti元素的含量为0wt％～1.99wt％。

铌：Nb元素是γ′相形成元素，Nb元素的加入可以降低密度，但过量的Nb元素会导致有害相的析出，因此Nb元素的含量为0wt％～4.00wt％。

铪：Hf元素是γ′相形成元素，Hf对净化晶界以及提高合金蠕变性能起到重要的作用，但Hf元素价格昂贵，因此Hf元素的含量为0wt％～0.50wt％。

碳：C元素可以提高合金的铸造性能，并且是重要的晶界强化元素，过量的C元素会导致晶界形成薄膜状的碳化物，恶化其力学性能，因此C元素的含量为0wt％～0.50wt％。

钇：Y元素可净化基体与晶界，显著提高合金力学与抗氧化性能，过高添加上述元素会形成有害相进而恶化性能，因此Y元素含量为0wt％～0.50wt％。

(2)本发明的熔炼工艺能够避免高熔点元素的熔化不充分以及微量元素和易氧化元素的烧损等问题，提高了铸锭化学成分的准确性和均匀性。

(3)本发明合金的密度较低在9.0g/cm³以下，γ′相溶解温度较高大于1200℃，γ′相体积分数较大大于65％，γ′相稳定性较好，无有害二次相析出，具有优异的综合性能。

附图说明

图1为所发明γ′相强化钴基高温合金(LAMP-Z2)在1150℃热处理50h后典型组织形貌。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

实施例1：低W高Ta型γ′相强化钴基高温合金

参考各元素对γ′相强化钴基高温合金组织性能的影响规律，本文开发了低W高Ta型γ′相强化钴基高温合金，具体成分和密度如表1所示。低W高Ta型γ′相强化钴基高温合金的制备工艺如下：

(1)考虑到W、Ta、Mo等高熔点元素，首先熔炼Co-Ni-Cr-W-Ta-Mo中间合金，防止熔炼过程中出现高熔点合金熔化不充分的现象。

(2)将微量元素Hf以及易氧化元素Al、Ti放入料斗中，以便在熔炼过程中加入，提高微量元素和易氧化元素的收得率。

(3)采用真空感应炉进行熔炼，首先，进行小功率送电加热排除原料上的附着气体，然后进行大功率快速升温到1600℃，然后降低温度至1450℃，保温20分钟，加入料斗中的微量元素和易氧化元素，接着立刻快速升温到1600℃，保温25分钟后浇注，制备成γ′相强化钴基高温合金铸锭。

该类合金经过1180℃保温10h+1260℃保温24h双级固溶处理，1150℃时效处理50h后的典型组织形貌如图1所示，组织稳定相良好。

表1低W高Ta型γ′相强化钴基高温合金成分(wt％)与密度

实施例2：低W高Mo型γ′相强化钴基高温合金

参考各元素对γ′相强化钴基高温合金组织性能的影响规律，本文开发了低W高Mo型γ′相强化钴基高温合金，具体成分和密度如表2所示。低W高Mo型γ′相强化钴基高温合金的制备工艺如下：

(1)考虑到W、Ta、Mo等高熔点元素，首先熔炼Co-Ni-Cr-W-Ta-Mo中间合金，防止熔炼过程中出现高熔点合金熔化不充分的现象。

(2)将微量元素Hf以及易氧化元素Al、Ti放入料斗中，以便在熔炼过程中加入，提高微量元素和易氧化元素的收得率。

(3)采用真空感应炉进行熔炼，首先，进行小功率送电加热排除原料上的附着气体，然后进行大功率快速升温到1500℃，然后降低温度至1400℃，保温15分钟，加入料斗中的微量元素和易氧化元素，接着立刻快速升温到1500℃，保温20分钟后浇注，制备成γ′相强化钴基高温合金铸锭。

表2低W高Mo型γ′相强化钴基高温合金成分(wt％)与密度

Claims (4)

1.一种低钨含量γ′相强化钴基高温合金，其特征在于合金化学成分按质量百分比计为：4.00％～6.00％Al，1.00％～5.99％W，25.00％～40.00％Ni，3.00％～6.00％Cr，6.01％～18.00％Ta，0.50％～8.00％Mo，0％～1.99％Ti，0％～4.00％Nb，0％～0.50％Hf，0％～0.50％C，0％～0.50％Y，余量Co。

2.如权利要求1所述低钨含量γ′相强化钴基高温合金，其特征在于合金强γ′相形成元素Al、W、Ta、Ti、Mo、Nb的原子百分比总和不低于18％。

3.如权利要求1所述低钨含量γ′相强化钴基高温合金，其特征在于难熔元素Cr、W、Ta、Mo、Nb的原子百分比总和不低于10％。

4.如权利要求1所述低钨含量γ′相强化钴基高温合金的制备工艺，其特征在于包括中间合金熔炼和合金熔炼过程，制备步骤如下：

(1)首先熔炼Co-Ni-Cr-W-Ta-Mo-Nb中间合金，防止熔炼过程中出现高熔点合金熔化不充分的现象；

(2)将微量元素C、Hf、Y以及易氧化元素Al、Ti放入料斗中，以便在熔炼过程中加入，提高微量元素和易氧化元素的收得率；

(3)采用真空感应炉进行熔炼，首先，进行小功率送电加热排除原料上的附着气体，然后进行大功率快速升温到1500℃-1600℃，然后降低温度至1350℃-1450℃，保温15-20分钟，加入料斗中的微量元素和易氧化元素，接着立刻快速升温到1500℃-1600℃，保温20-25分钟后浇注，制备成低钨含量γ′相强化钴基高温合金铸锭。