CN113699414B - 一种优异高温拉伸性能的γ′相强化钴基高温合金 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种优异高温拉伸性能的γ’相强化钴基高温合金，所属钴基高温合金领域。其成分质量百分含量为：C 0.02‑0.1，Cr 5‑9，Ni 24‑28，Mo 2‑6，Ti 1‑3，Al 2.5‑5，B 0.005‑0.01，Ta 4‑8，W 2‑6，Zr 0.05‑0.2，Co为余量。本发明的一种优异高温拉伸性能的γ’相强化钴基高温合金的密度在传统Co‑Al‑W三元体系合金中有着明显的优势。本发明合金在800℃‑900℃温度区间内有着高于先进多晶镍基高温合金Mar‑M247的高温强度及一定的高温塑性，且在室温至800℃温度区间内本发明合金无明显屈服异常及中温脆性，保证了合金在使用过程中的安全性及稳定性。此外，本发明的合金在900℃以下200小时以内的抗高温氧化能力属于完全抗氧化级。最后，本发明的合金适用于航空发动机和工业燃气轮机燃气轮机涡轮叶片合金材料。

Description

一种优异高温拉伸性能的γ′相强化钴基高温合金
技术领域
本发明属于钴基高温合金领域，特别涉及一种优异高温拉伸性能的γ′相强化钴基高温合金。
背景技术
钴基高温合金以其出色的抗热疲劳性，抗热腐蚀性，抗氧化性和高组织稳定性而备受关注。然而，传统钴基高温合金依靠碳化物强化，缺乏有效的强化相致其高温强度较低，常被用于涡轮发动机和燃气轮机导向叶片的合金材料。
γ′-Co3(Al,W)相的发现弥补了这一缺失，并且该相在900℃有着长期的组织稳定性，使得钴基高温合金的高温性能显著提升。这意味着钴基高温合金可以替代镍基高温合金，成为涡轮发动机和燃气轮机涡轮叶片的合金材料。
经过学者们十多年的研究，γ′相强化钴基高温合金已经从最初的Co-Al-W三元合金演变至多元合金，通过添加合金元素以获得更优异的合金性能，例如Ti、Ta、Nb、V、Fe、B、Si、Ni、Cr、Mo等。随着越来越多的合金元素添加到合金中，对合金的熔点及γ′相回溶温度都有着一定的影响。合金元素不同的组合对合金的高温性能影响也不同。目前，γ′相强化钴基高温合金所面临的主要问题在于高温强度及高温塑性不足。
发明内容
本发明旨在获得一种在800℃-900℃温度区间内集优异的高温强度、抗氧化性能及一定的高温塑性于一身的钴基高温合金。该合金利用亚微米级γ′-Co3(Al,W)相为主要强化相，碳化物强化及固溶强化以获得良好的高温强度，添加Cr元素以获得优良的抗氧化性，以满足涡轮发动机和燃气轮机涡轮叶片的恶劣服役条件。该合金不仅具有优于传统钴基高温合金的高温强度，而且在800℃-1000℃温度区间内，该合金与先进的镍基高温合金的高温屈服强度相比也有着明显的优势。此外，本发明合金的密度在传统Co-Al-W三元体系合金中有着明显的优势，合金在900℃有着优异的组织稳定性。
本发明所述一种优异高温拉伸性能的γ′相强化钴基高温合金的化学成分(wt％)为：C 0.02-0.1，Cr 5-9，Ni 24-28，Mo 2-6，Ti 1-3，Al 2.5-5，B 0.005-0.01，Ta 4-8，W 2-6，Zr 0.05-0.2，Co为余量。
合金可在铸态下直接使用，热处理制度为1200-1280℃固溶4-12h+900-950℃时效16-100h+750℃时效16-50h。
所述合金的密度8.58g/cm3。
所述合金的γ’回溶温度1030℃。
所述合金在800-1000℃拉伸断后延伸率为9-12％，室温拉伸断后延伸率为15.6％
本发明所述的一种优异高温拉伸性能的γ′相强化钴基高温合金所选合金元素有着不同的目的：
镍：通过添加Ni元素促进γ/γ′相的稳定性，提高γ′相的回溶温度，降低γ/γ′两相的晶格错配度。
钨：通过添加W元素提高γ′相的稳定性，提高γ′相的回溶温度，增加γ-Co的固溶强度。
铝：通过添加Al元素作为γ′相的组成元素，提高合金的抗氧化能力，阻碍O元素继续向合金内部扩散。
钛：通过添加Ti元素提高γ′相的体积分数及γ′相的稳定性，促进γ′相的析出。
钼：通过添加Mo元素替代W元素，增加γ-Co的固溶强度，提高稀土元素在γ-Co中的含量，延缓γ′相的粗化。
铬：通过添加Cr元素提高合金的高温抗氧化性能，降低合金凝固时的开裂敏感性。
钽：通过添加Ta元素提高γ′相的稳定性及γ′相的体积分数，增加层错能。
锆：通过添加Zr元素降低晶界缺陷，填补晶界上的空位，提高晶界结合力，强化晶界。
碳：通过添加C元素形成碳化物，阻碍位错运动，提高拉伸、疲劳和蠕变性能。
硼：通过添加B元素提高晶界的结合力，提高合金的塑性，强化晶界。
本发明所述的一种优异高温拉伸性能的γ′相强化钴基高温合金的微观组织主要为枝晶，相组成包括：γ-Co、γ′-Co3(Al,Me)、MC、共晶(γ+γ′)构成，其中Me为W、Ta、Ti、Mo。
本发明以亚微米级γ′相为主要强化相，碳化物强化及固溶强化共同作用来获得优异的高温性能；添加Cr增强合金的抗氧化性；添加B、Zr来强加晶界的结合力，使该合金集优异的高温强度和一定的高温塑性于一身。
附图说明
图1是本发明实施例中合金3的铸态枝晶组织。
图2是本发明实施例中合金3的密度对比图。
图3是本发明实施例中合金3的XRD物相分析。
图4是本发明实施例中合金3的晶界形貌。
图5是本发明实施例中合金3的共晶形貌。
图6是本发明实施例中合金3的碳化物形貌。
图7是本发明实施例中合金3的γ′相形貌。
图8是本发明实施例中合金3的1200℃/12h固溶+900℃时效处理后的γ′相形貌。
图9是本发明实施例中合金3的不同温度应力应变曲线。
图10是本发明实施例中合金3的高温拉伸屈服强度对比图。
图11是本发明实施例中合金3的不同温度断后延伸率。
图12是本发明实施例中合金3的高温拉伸断口。
图13是本发明实施例中合金3的900℃和1000℃200小时的氧化动力学曲线。
图14是本发明实施例中合金3的氧化层截面形貌。
具体实施方案
下面结合具体实施案例对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于以下三种实施例，并不对本发明的范围有任何限制。
本实施例将与传统钴基高温合金、先进多晶镍基高温合金进行对比，突显本实施例在800℃-900℃温度区间内优异的高温强度、完美级抗氧化性及一定的高温塑性。
本实施例热处理制度为1200℃固溶12h+900℃时效72h+750℃时效24h。制备了三种γ′相强化钴基高温合金铸锭，其化学成分如表1所示。
表1为实施例和比较例的化学成分(按重量百分数计)
Figure BDA0003173360100000041
本实施例合金1、合金2、合金3中均含有0.012％Y和0.004％Mg；DZ40M中含0.95Fe％，0.6％Si和0.44％Mn；Mar-M247中含1.50％Hf。
本实施例采用真空感应熔炼炉制备三种γ′相强化钴基高温合金的母合金，并二次熔炼浇铸成合金试棒。本实施例以合金3为例，其微观组织、合金密度、XRD物相分析、固溶时效处理后的γ′相请参照说明书附图，实验过程不再详述。
本实施例对合金3与比较例的高温拉伸性能及高温抗氧化能力进行对比分析，包括如下步骤：
(1)高温拉伸实验
高温拉伸性能检测实验依照国家标准GB/T 228.2-2015《金属材料拉伸实验第2部分：高温实验方法》。检测设备为日本株式会社岛津制造所的AG-Xplus100KN型号电子万能实验机，拉伸应变速率为0.001/s。
拉伸试样详细尺寸如图3所示，800℃-1000℃高温拉伸采用电子万能试验机附件加热系统对试样进行加热，温度控制精度为±2℃。实验过程中，样品随炉加热，加热速率为20℃/min，加热至目标温度后保温15分钟，以确保试样内部亦达到目标温度。加热过程中，热电偶与试样紧密贴合，以确保热电偶所示温度为试样表面温度。每个温度变形条件下均选取三个平行试样，计算平均值为最终结果，以保证实验数据的准确性。
(2)高温循环氧化实验
高温循环氧化实验依照国家标准GB/T 38231-2019《金属和合金的腐蚀金属材料在高温腐蚀条件下的热循环暴露氧化试验方法》。所选用的加热设备为沈阳科晶1400K型号热处理炉，用于合金800℃-900℃的循环氧化加热实验，该炉以硅碳棒为加热体。
高温循环氧化样品通过电火花线切割制备，样品尺寸为10*10*3mm。经过SiC砂纸240#、800#、1500#依次打磨平整。使用精度为0.01mm的螺旋测微器对样品的长宽高进行准确测量。利用分析纯无水乙醇在JP-040ST型超声波清洗机中清洗样品表面。每个温度条件选取五个平行试样，计算平均值为最终结果，以保证实验数据的准确性。
经上述试验结果，得出的结论有以下几点：
(1)本发明合金为多晶铸造合金，生产工艺简单，制备工序少，生产成本低；
(2)本发明合金的强化相主要有γ′相及MC型碳化物，铸态合金微观组织由γ-Co(基体)、γ′-Co3(Al,Me)、MC及共晶(γ+γ′)组成(共晶可在固溶处理完全回溶)。无其它有害析出相。
(3)本发明合金在900℃以下200小时以内有着优异的组织稳定性。
(4)本发明合金有着较高的γ′相初熔温度及析出温度，较低的密度。
(5)本发明合金在800℃-900℃温度区间内有着优异的高温强度。
(6)本发明合金在800℃-900℃温度区间无明显的屈服异常和塑性异常。
(7)本发明合金在900℃以下有着优异的高温抗氧化性能。
综合上述特点，本发明合金在800℃-900℃温度区间内有着非常优异的高温强度和抗氧化性能。可以预见，该合金有着美好的未来应用前景，实现合金自主国产化，打破对国外合金进口的依赖。

Claims (6)

1.一种优异高温拉伸性能的γ’相强化钴基高温合金，其特征在于，各化学成分质量百分数为：C 0.02-0.1，Cr 6.82-9，Ni 24-28，Mo 2-6，Ti 1-3，Al 2.5-5，B0.005-0.01，Ta 4-8，W 2-6，Zr 0.05-0.2，Co为余量；
所述合金属于铸造多晶合金，其显微组织呈枝晶结构，相组成为γ-Co基体、γ’-Co3(Al,Me)、MC型碳化物、共晶(γ+γ’)，其中Me为W、Ta、Ti、Mo，无其他有害相；
所述合金在800-1000℃拉伸断后延伸率为7-12％，室温拉伸断后延伸率为15.6％。
2.根据权利要求1所述的优异高温拉伸性能的γ’相强化钴基高温合金，其特征在于，合金可在铸态下直接使用，热处理制度为1200-1280℃固溶4-12h+900-950℃时效16-100h+750℃时效16-50h。
3.根据权利要求1所述的优异高温拉伸性能的γ’相强化钴基高温合金，其特征在于，热处理制度为1200℃固溶12h+900℃时效72h+750℃时效24h。
4.根据权利要求1所述的一种优异高温拉伸性能的γ’相强化钴基高温合金，其特征在于，所述合金的密度为8.58g/cm3。
5.根据权利要求1所述的一种优异高温拉伸性能的γ’相强化钴基高温合金，其特征在于，所述合金的γ’回溶温度为1030℃。
6.根据权利要求1所述的一种优异高温拉伸性能的γ’相强化钴基高温合金，其特征在于，所述合金应用于航空发动机和燃气轮机的高温部件。
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