CN113684397A - 一种具有立方形γ′共格强化的低成本轻质Co基高温合金及制备方法 - Google Patents

一种具有立方形γ′共格强化的低成本轻质Co基高温合金及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种具有立方形γ′共格强化的低成本轻质Co基高温合金及制备方法，属于Co基高温合金领域，包括Co、Ni、Al、Mo、Ti、Nb、Ta、Cr元素，其合金成分的质量百分比(wt.％)为，Ni：23.2～27.8，Al：3.2～5.4，Mo：8.4～11.6，Ti：0.8～1.4，Nb：0～2.5，Ta：0～4.8，Cr：2.5～3.0，Co：余量。本发明通过合金成分设计实现了立方形的γ′纳米粒子在γ基体上共格析出，且γ′纳米粒子在900℃可以长期稳定存在，使得该类合金具有优异的高温力学性能、以及高温抗氧化性和抗热腐蚀能力；此外，该系列合金用Mo及少量的Ti、Nb、Ta替代W，有效的降低了合金的密度与成本，制备工艺简单，是一种在航空航天领域具有良好应用前景的低成本轻质Co基高温合金。

Description

一种具有立方形γ′共格强化的低成本轻质Co基高温合金及 制备方法
技术领域
本发明属于Co基高温合金领域，特别涉及一种具有立方形γ′共格强化的低成本轻质Co基高温合金，其微观组织表现为立方形态的γ′-(Co/Ni)3(Al,Mo,Ti,Nb,Ta)纳米粒子在面心立方FCC-γ基体上共格析出，且γ′纳米粒子在900℃长期时效后不发生明显的粗化，具有高的高温组织稳定性，从而使得该类合金具有优异的高温力学性能、以及高温抗氧化性和抗热腐蚀能力；同时，用Mo及少量的Ti、Nb、Ta替代W，有效的降低了该系列合金的密度与成本。
背景技术
高温合金由于其高温下具有优异的力学性能及抗蠕变能力，应用于航空航天发动机和工业燃气轮机领域，其中具有立方形有序γ′(L12-Ni3Al结构)纳米粒子在面心立方FCC-γ基体上共格析出的Ni基高温合金应用最为广泛。然而，近年来随着航空航天技术的不断发展，Ni基高温合金的服役温度已接近其熔点，很难继续满足实际需求。同Ni元素相比，Co元素的熔点更高，并且具有更好的抗热腐蚀能力，所以Co基高温合金成为近年来的研究热点。2006年，Sato等人在Co-Al-W三元合金体系中首次发现了具有L12结构的γ′-Co3(Al,W)析出相，并且成功制备出具有与Ni基高温合金相似共格组织，即立方形γ′-Co3(Al,W)纳米粒子在γ-Co基体上共格析出，该合金在870℃下表现出了优异的力学性能，使Co基高温合金有望成为新一代的高温材料。然而与高温稳定的γ′-Ni3Al不同的是，亚稳的γ′-Co3(Al,W)相在高温900℃及以上时效过程中容易分解为FCC-γ、β-CoAl、χ-Co3W和μ-Co7W6稳定相，由于析出相的晶体结构发生了变化，从而会破坏原有的γ/γ′共格关系；并且这些稳定析出相与基体之间存在较大的晶格畸变，在位错运动过程中很容易产生应力集中，从而诱发裂纹萌生，恶化了合金的力学性能。同时，由于目前开发的新型Co-Al-W基高温合金W含量5～10at.％，导致合金密度较大，一般高于9.0g/cm3，例如Co-8.8Al-9.8W-2Ta(at.％)高温合金的密度高达10.1g/cm3。目前，新型Co基高温合金由于密度较大这一问题，很大程度上限制了其在航空航天领域的应用。为降低Co基高温合金的密度，发展出了一种Co-Ni-Al-V基高温合金，但该类合金添加了大量的V元素，导致合金中γ/γ′共格组织在高于850℃时难以稳定存在，γ′-Co3(Al,V)发生分解形成hp-Co3V片层组织，使合金的力学性能严重下降，同时由于V的大量添加使合金成本显著增加。
因此，如何实现在FCC-γ基体上共格析出立方形γ′纳米粒子且保证该立方形γ′纳米粒子在高温服役环境中能够长期稳定存在的前提下，降低Co基高温合金的密度和成本是当前实现该类合金发展与应用的关键问题之一。鉴于此，本发明提供了一种具有立方形γ′共格强化的低成本轻质Co基高温合金。
发明内容
本发明设计开发了一种具有立方形γ′共格强化的低成本轻质Co基高温合金，该合金与现有的Co基高温合金相比，用Mo及少量的Ti、Nb、Ta替代W，有效的降低了该系列合金的密度与成本，得到立方形γ′粒子在γ基体上共格析出，且γ′纳米粒子在900℃长期时效后不发生明显的粗化，具有高的高温组织稳定性，从而使得该类合金具有优异的高温力学性能、以及高温抗氧化性和抗热腐蚀能力。本发明的目的是通过合金成分设计，设计出一种在航空航天领域具有良好应用前景的低成本轻质Co基高温合金。
本发明采用的技术方案是：
一种具有立方形γ′共格强化的低成本轻质Co基高温合金，所述的低成本轻质Co基高温合金合金由γ/γ′两共格相组成，其中基体为FCC-γ固溶体结构，析出相是FCC-γ固溶体的有序超结构，为γ′-(Co/Ni)3(Al,Mo,Ti,Nb,Ta)。所述具有立方形γ′共格强化的低成本轻质Co基高温合金包括Co、Ni、Al、Mo、Ti、Nb、Ta、Cr元素，其合金成分的质量百分比(wt.％)为，Ni：23.2～27.8，Al：3.2～5.4，Mo：8.4～11.6，Ti：0.8～1.4，Nb：0～2.5，Ta：0～4.8，Cr：2.5～3.0，Co：余量。
所述的一种具有立方形γ′共格强化的低成本轻质Co基高温合金具有特定的组织形貌：立方形γ′-(Co/Ni)3(Al,Mo,Ti,Nb,Ta)纳米粒子在FCC-γ基体上共格析出，γ′纳米粒子在900℃长期时效后不发生明显的粗化，具有高的高温组织稳定性，从而使得该类合金具有优异的高温力学性能、以及高温抗氧化性和抗热腐蚀能力；同时，用Mo及少量的Ti、Nb、Ta替代W，有效的降低了该系列合金的密度与成本。
一种具有立方形γ′共格强化的低成本轻质Co基高温合金的制备方法，包括以下内容：首先，将各合金成分按其质量百分比放入真空电弧熔炼至少熔炼四次，得到合金锭；其次，采用马弗炉对合金锭进行固溶处理，处理温度为1250～1300℃，时间为15～18h，水淬，目的是为获得成分均匀的过饱和固溶体，消除成分偏析且溶解合金中不均匀的析出相；随后在900℃条件下进行时效处理10～500h，水淬，为了让γ′纳米粒子在FCC-γ固溶体基体上弥散分布，并通过改变时效温度和时间控制γ′粒子的尺寸和体积百分数，使得γ/γ′共格组织达到最佳，进而提升高温合金的力学性能。
实现上述技术方案的构思是：
利用申请人的团簇式成分设计方法进行低成本轻质Co基高温合金的成分设计。在前期对Ni基高温合金的研究中，根据元素在合金中发挥的作用，可将其分为三类，分别为Al系元素
Figure BDA0003231345400000031
Cr系元素
Figure BDA0003231345400000032
Figure BDA0003231345400000033
以及基体Ni系元素
Figure BDA0003231345400000034
其中Al系元素与Ni系元素具有较强的交互作用，故Al系元素优先占据团簇中心原子位置，而与基体具有相对较弱作用的Cr系元素则占据连接原子位置，进而得到了Ni基高温合金的理想团簇成分式，为
Figure BDA0003231345400000035
然而，在Co基高温合金中，由于W和Mo元素多分布在析出相γ′中，而Cr元素固溶于基体中，这典型不同于Ni基高温合金，故在Co基高温合金中，只将合金化元素分为Al系
Figure BDA0003231345400000036
Figure BDA0003231345400000037
和Co系
Figure BDA0003231345400000038
元素两类，从而得到Co基高温合金的理想团簇成分式为
Figure BDA0003231345400000039
在Co基高温合金中，对于Al系元素
Figure BDA00032313454000000310
均为γ′相的形成元素，其中Al在高温下，能够在合金表面形成致密的Al2O3保护膜，对合金的抗氧化性起关键作用，同时Al的密度较低，有利于降低合金密度。Mo是重要的固溶强化元素，能够提高γ′相稳定性，但是Mo过多的加入会导致合金中形成针状的χ-Co3Mo。Ti、Nb、Ta的添加会使γ′相的溶解温度显著提高，并且使γ′相体积分数增大，但是Ti过多的加入，会导致β-CoAl相的形成，而Nb、Ta过多的加入，会使合金在晶界处析出富Nb、Ta的TCP相，严重恶化合金的力学性能，且过多的Ta会导致合金的密度较大，成本较高。对于Co系元素
Figure BDA0003231345400000041
Ni元素的添加在起到扩大γ/γ′相成分区间作用的同时，还可提高γ′相稳定性；在Co基高温合金体系中，添加Ni还可减小析出相γ′的点阵常数，从而降低基体γ和析出相γ′之间的点阵错配，更有利于γ′纳米粒子的共格析出。Cr是FCC-γ相形成元素，具有固溶强化效果，同时与Al类似，高温下能在合金表面形成Cr2O3保护膜，提高合金的抗氧化性及抗热腐蚀能力；但是Cr含量过高时，合金易析出σ相，降低合金的组织稳定性，且不利于立方形γ′纳米粒子的析出。最终我们确定了一种具有立方形γ′共格强化的低成本轻质Co基高温合金的成分，为Co-(23.2～27.8)Ni-(3.2～5.4)Al-(8.4～11.6)Mo-(0.8～1.4)Ti-(0～2.5)Nb-(0～4.8)Ta-(2.5～3.0)Cr(wt.％)。
本发明的制备方法如下述：采用高纯度金属料，按照质量百分比进行配料。采用真空非自耗电弧熔炼炉在氩气气氛保护下对配料进行至少反复四次的熔炼，以得到成分均匀的质量约为120g的合金锭，在熔炼过程中质量损失不超过0.1％。用马弗炉对合金锭进行固溶处理，固溶处理温度为1250～1300℃，时间为15～18h，目的是为获得成分均匀的过饱和固溶体，消除成分偏析且溶解合金中不均匀的析出相；之后对合金样品进行时效处理，时效处理温度为900℃，时效时间为10～500h，为了让γ′纳米粒子在FCC-γ固溶体基体上弥散分布，并通过改变时效温度和时间控制γ′粒子的尺寸和体积百分数，使得γ/γ′共格组织达到最佳，进而提升高温合金的力学性能，所有热处理之后均为水淬处理。利用金相显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和X射线衍射仪(XRD、Cu Kα辐射、λ＝0.15406nm)检测合金组织和结构；用HVS-1000维氏硬度计进行系列合金不同热处理状态下的硬度测试。由此确定出本发明为上述的一种具有立方形γ′共格强化的低成本轻质Co基高温合金。其合金成分的质量百分比(wt.％)为Ni：23.2～27.8，Al：3.2～5.4，Mo：8.4～11.6，Ti：0.8～1.4，Nb：0～2.5，Ta：0～4.8，Cr：2.5～3.0，Co：余量。该合金经过900℃时效(10～500h)之后，立方形γ′纳米粒子(140～460nm)在FCC-γ基体上共格析出，具有更高的高温组织稳定性；材料的性能指标为：合金的室温硬度为HV＝290～320kgf·mm-2，室温屈服强度σs≥820MPa、抗拉强度σb≥920MPa、断后伸长率δ≥26％；900℃屈服强度σs≥285MPa、抗拉强度σb≥310MPa、断后伸长率δ≥73％；合金的密度ρ≤8.57g/cm3。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明是根据我们自行发展的团簇成分式方法设计并开发出了一种具有立方形γ′共格强化的低成本轻质Co基高温合金。不同于传统的Co基高温合金碳化物弥散强化与固溶强化机制，本发明采用共格析出强化这一全新理念，通过在FCC-γ基体上共格析出立方形γ′有序纳米粒子，并且能够在900℃长期稳定存在，γ′相体积分数保持在50％以上，无其他有害相的析出，使得该类合金具有优异的高温力学性能；Cr和Al的加入使合金具有优异的高温抗氧化性、耐蚀性及抗热腐蚀能力；同时用Mo及少量的Ti、Nb、Ta替代W，有效的降低了该系列合金的密度与成本。
(2)Co基高温合金微观组织表现为立方形γ′-(Co/Ni)3(Al,Mo,Ti,Nb,Ta)纳米粒子在FCC-γ基体上共格析出，且γ′纳米粒子在900℃长期时效后不发生明显的粗化，具有高的高温组织稳定性，使得该系列高温合金具有优异的高温力学性能、以及高温抗氧化性、耐蚀性及抗热腐蚀能力；该系列高温合金与现有的新型Co-Al-W基高温合金相比，在保证合金高温共格组织稳定的前提下，用Mo及少量的Ti、Nb、Ta替代W，有效的降低了该系列合金的密度与成本。
附图说明
图1为实施例1制备的合金的SEM组织形貌图，为在900℃长期时效500h后的微观组织形貌，即立方形γ′纳米粒子在FCC-γ基体上共格析出，且γ′纳米粒子约为435nm。
具体实施方式
以下结合技术方案详细说明本发明的具体实施方式。
实施例1：Co-24.6Ni-5.4Al-10.1Mo-1.4Ti-4.8Ta-2.8Cr(wt.％)合金
步骤一：合金制备
采用高纯度金属料，按照质量百分比进行配料。采用真空非自耗电弧熔炼炉在氩气气氛保护下对配料进行至少反复四次的熔炼，以得到成分均匀的质量约为120g的合金锭，在熔炼过程中质量损失不超过0.1％。用马弗炉对合金锭进行1300℃/15h的固溶处理，水淬，固溶处理的目的是为了降低或者消除组织的成分偏析，并溶解不均匀的析出相；随后在900℃下进行500h的时效处理，水淬。
步骤二：合金组织结构和力学性能测试
利用OM、SEM和XRD检测时效处理后合金的微观组织和结构，结果显示本发明的合金组织为立方形γ′纳米粒子在γ基体上共格析出，并且该γ′纳米粒子在900℃高温下可以长期稳定存在，时效500h后γ′纳米粒子的尺寸约为435nm，其微观组织形貌图如附图1所示；利用维氏硬度计进行硬度测试HV＝295kgf·mm-2，利用UTM5504电子万能拉伸试验机测得室温下力学性能数据：屈服强度σs＝830MPa、抗拉强度σb＝920MPa、断后伸长率δ＝30％；在900℃下力学性能数据：屈服强度σs＝290MPa、抗拉强度σb＝310MPa、断后伸长率δ＝86％；合金的密度ρ＝8.57g/cm3。
实施例2：Co-23.2Ni-4.4Al-11.6Mo-1.3Ti-2.5Nb-2.8Cr(wt.％)合金
步骤一：合金制备
采用高纯度金属料，按照质量百分比进行配料。采用真空非自耗电弧熔炼炉在氩气气氛保护下对配料进行至少反复四次的熔炼，以得到成分均匀的质量约为120g的合金锭，在熔炼过程中质量损失不超过0.1％。用马弗炉对合金锭进行1300℃/15h的固溶处理，水淬，固溶处理的目的是为了降低或者消除组织的成分偏析，并溶解不均匀的析出相；随后在900℃下进行10h的时效处理，水淬。
步骤二：合金组织结构和力学性能测试
利用OM、SEM和XRD检测时效处理后合金的微观组织和结构，结果显示本发明的合金组织为立方形γ′纳米粒子在γ基体上共格析出，并且该γ′纳米粒子在900℃高温下可以长期稳定存在，与实施例1类似，时效500h后γ′纳米粒子的尺寸约为458nm；利用维氏硬度计进行硬度测试HV＝290kgf·mm-2，利用UTM5504电子万能拉伸试验机测得室温下力学性能数据：屈服强度σs＝820MPa、抗拉强度σb＝930MPa、断后伸长率δ＝31％；在900℃下力学性能数据：屈服强度σs＝285MPa、抗拉强度σb＝320MPa、断后伸长率δ＝80％；合金的密度ρ＝8.27g/cm3。
实施例3：Co-24.7Ni-4.3Al-10.3Mo-0.8Ti-1.7Nb-3.2Ta-3.0Cr(wt.％)合金
步骤一：合金制备
用高纯度金属料，按照质量百分比进行配料。采用真空非自耗电弧熔炼炉在氩气气氛保护下对配料进行至少反复四次的熔炼，以得到成分均匀的质量约为120g的合金锭，在熔炼过程中质量损失不超过0.1％。用马弗炉对合金锭进行1250℃/18h的固溶处理，水淬，固溶处理的目的是为了降低或者消除组织的成分偏析，并溶解不均匀的析出相；随后在900℃下进行100h的时效处理，水淬。
步骤二：合金组织结构和力学性能及耐腐蚀性能测试
利用OM、SEM和XRD检测时效处理后合金的微观组织和结构，结果显示本发明的合金组织为立方形γ′纳米粒子在γ基体上共格析出，并且该γ′纳米粒子在900℃高温下可以长期稳定存在，与实施例1类似；利用维氏硬度计进行硬度测试HV＝320kgf·mm-2，利用UTM5504电子万能拉伸试验机测得室温下力学性能数据：屈服强度σs＝890MPa、抗拉强度σb＝990MPa、断后伸长率δ＝26％；在900℃下力学性能数据：屈服强度σs＝306MPa、抗拉强度σb＝334MPa、断后伸长率δ＝73％；合金的密度ρ＝8.48g/cm3。
实施例4：Co-27.8Ni-3.2Al-8.4Mo-1.2Ti-2.1Nb-3.0Ta-2.5Cr(wt.％)合金
步骤一：合金制备
用高纯度金属料，按照质量百分比进行配料。采用真空非自耗电弧熔炼炉在氩气气氛保护下对配料进行至少反复四次的熔炼，以得到成分均匀的质量约为120g的合金锭，在熔炼过程中质量损失不超过0.1％。用马弗炉对合金锭进行1250℃/18h的固溶处理，水淬，固溶处理的目的是为了降低或者消除组织的成分偏析，并溶解不均匀的析出相；随后在900℃下进行200h的时效处理，水淬。
步骤二：合金组织结构和力学性能及耐腐蚀性能测试
利用OM、SEM和XRD检测时效处理后合金的微观组织和结构，结果显示本发明的合金组织为立方形γ′纳米粒子在γ基体上共格析出，并且该γ′纳米粒子在900℃高温下可以长期稳定存在，与实施例1类似；利用维氏硬度计进行硬度测试HV＝310kgf·mm-2，利用UTM5504电子万能拉伸试验机测得室温下力学性能数据：屈服强度σs＝875MPa、抗拉强度σb＝960MPa、断后伸长率δ＝28％；在900℃下力学性能数据：屈服强度σs＝300MPa、抗拉强度σb＝330MPa、断后伸长率δ＝76％；合金的密度ρ＝8.36g/cm3。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种具有立方形γ′共格强化的低成本轻质Co基高温合金，其特征在于，所述的合金由γ/γ′两共格相组成，其中基体为FCC-γ固溶体结构，析出相是FCC-γ固溶体的有序超结构，为γ′-(Co/Ni)3(Al,Mo,Ti,Nb,Ta)；所述的具有立方形γ′共格强化的低成本轻质Co基高温合金包括Co、Ni、Al、Mo、Ti、Nb、Ta、Cr元素，其合金成分的质量百分比wt.％为，Ni：23.2～27.8，Al：3.2～5.4，Mo：8.4～11.6，Ti：0.8～1.4，Nb：0～2.5，Ta：0～4.8，Cr：2.5～3.0，Co：余量。
2.根据权利要求1所述的一种具有立方形γ′共格强化的低成本轻质Co基高温合金，其特征在于，所述的低成本轻质Co基高温合金具有特定的组织形貌：立方形γ′-(Co/Ni)3(Al,Mo,Ti,Nb,Ta)纳米粒子在FCC-γ基体上共格析出，γ′纳米粒子在900℃长期时效后不发生明显的粗化，具有高的高温组织稳定性。
3.一种权利要求1或2所述的一种具有立方形γ′共格强化的低成本轻质Co基高温合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：首先，将各合金成分按其质量百分比放入真空电弧熔炼至少熔炼四次，得到成分均匀的合金锭；其次，采用马弗炉对合金锭进行固溶处理，处理温度为1250～1300℃，时间为15～18h，水淬；最后，在900℃条件下进行时效处理10～500h，水淬，得到具有立方形γ′共格强化的低成本轻质Co基高温合金。
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