CN115198372B - 一种具有分层微观结构的钴基单晶高温合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种具有分层微观结构的钴基单晶高温合金，由Co、Al、W、Cr和B组成，按照原子百分比的各组分含量为：Al：4～12％，W：4～12％，Cr：0～5％，B：0～1％，余量Co；分层微观结构由γ基体、Co3(Al，W)‑γ`沉淀相和纳米γ颗粒组成，Co3(Al，W)‑γ'沉淀相分布于γ基体中，纳米γ颗粒生长于Co3(Al，W)‑γ`沉淀相中。相较于现有的γ/γ'两相组织微观结构，本发明的γ基体、Co3(Al，W)‑γ'沉淀相和纳米γ颗粒组成的微观结构可在1000℃以上的更高温度范围内形成，用于高温环境中，其承温能力强，稳定性好，属于钴基高温合金领域。
Description
技术领域
本发明涉及钴基高温合金领域，具体涉及一种具有分层微观结构的钴基单晶高温合金及其制备方法。
背景技术
高温合金是以元素周期表中第八主族元素(铁、钴、镍)为基，并含有适量的合金元素，可以在高温下(650℃以上)承受较高应力，并具有较高的抗氧化性能和良好的组织稳定性的合金。
钴基高温合金的基体构成元素为Co，其组织为面心立方γ相。在传统钴基高温合金中，固溶强化所添加的元素主要有Ni、W和Mn，但这些元素不能完全固溶，强化效果有限，因此碳化物强化成为传统钴基高温合金的主要强化方式。Cr、Ni、Ti等金属元素和一定量的C，可在固溶处理中形成大量MC型碳化物，而Zr可以在一定程度上阻止碳化物在高温下分解，显著提高了合金的持久强度，这种碳化物强化钴基高温合金还具有优异的抗氧化和抗热疲劳性能。传统钴基高温合金主要应用于航空喷气发动机、涡轮增压器和燃烧室导管。
2006年，Sato等人在Co-Al-W基合金中发现了高温稳定存在的L12型γ'强化相，其溶解温度约为1000℃。随后，其他学者研究表明：Co-Al-W基多晶和单晶合金在850℃和900℃的蠕变性能分别与镍基多晶合金IN100和第一代镍基单晶高温合金RenéN4相当。因此，这种新型钴基合金表现出巨大的发展潜力，并有可能成为新一代的高温结构材料，从而迅速成为国际高温合金界的研究热点。但是，现有Co-Al-W基合金的主要问题为γ'相溶解温度多在1000～1100℃范围内，导致具有典型强化效果的γ/γ'两相组织(γ'相体积分数大于60％，且均匀分布在γ相中)形成温度范围只有900～1000℃，不易在1000℃以上的更高温度范围内形成类似的γ/γ'两相组织，从而不能进一步提高其高温强度，表明此类钴基合金的承温能力依然有限。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种具有分层微观结构的钴基单晶高温合金及其制备方法，其微观结构在900℃以上仍能够稳定存在，承温能力强，高温工作条件下机械性能较稳定。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种具有分层微观结构的钴基单晶高温合金，由Co、Al、W、Cr和B组成，按照原子百分比的各组分含量为：Al：4～12％，W：4～12％，Cr：0～5％，B：0～1％，余量Co；分层微观结构由γ基体、Co3(Al，W)-γ'沉淀相和纳米γ颗粒组成，Co3(Al，W)-γ'沉淀相分布于γ基体中，纳米γ颗粒生长于Co3(Al，W)-γ'沉淀相中。
相较于现有的γ/γ'两相组织微观结构，上述γ基体、Co3(Al，W)-γ'沉淀相和纳米γ颗粒组成的微观结构可在1000℃以上的更高温度范围内形成，用于高温环境中，其承温能力强，稳定性好。
一种具有分层微观结构的钴基单晶高温合金的制备方法，包括如下步骤：
S1，制备母合金锭；
S2，制备单晶试棒；
S3，对单晶试棒先进行均匀化热处理，再进行时效热处理。
作为一种优选，步骤S1中，通过真空感应熔炼制备母合金锭。
作为一种优选，步骤S1中，按照各组分含量配料，然后在1540℃～1580℃精炼5min，精炼结束后降温至1500℃～1540℃浇筑为母合金锭。
作为一种优选，步骤S2中，采用籽晶法和螺旋选晶法，通过定向凝固炉制备单晶试棒。
作为一种优选，步骤S3中，均匀化热处理参数为：在1250℃～1300℃的温度范围内保温24小时，空冷，时效热处理参数为：在800℃～1000℃的温度范围内保温150～250小时，淬火冷却。
作为一种优选，步骤S3中，将单晶试棒置于管式炉内，对管式炉抽真空后通入氩气，重复抽真空和通氩气过程3～4次，确保氩气持续充满管式炉的炉腔，然后持续通入氩气，使炉腔与大气连通的一端持续有氩气排出，直至热处理结束。
总的说来，本发明具有如下优点：本发明的高温合金具有γ/γ'/γ分层微观结构，相对现有的钴基高温合金，进一步提高了其耐高温能力和机械性能稳定性。
附图说明
图1为实施例一中的一种具有分层微观结构的钴基单晶高温合金在900℃时效处理200小时后的典型组织形貌的扫描电镜照片。
图2为实施例一中的一种具有分层微观结构的钴基单晶高温合金在热处理前、均匀化热处理后和时效热处理后的硬度。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。
实施例一
一种具有分层微观结构的钴基单晶高温合金，按照原子百分比，其成分如下表1所示。
表1
| 元素 | Co | Al | W | Cr | B |
| 含量％ | 77.96 | 9 | 9 | 4 | 0.04 |
如图1所示，分层微观结构由γ基体、Co3(Al，W)-γ'沉淀相和纳米γ颗粒组成，Co3(Al，W)-γ'沉淀相分布于γ基体中，纳米γ颗粒生长于Co3(Al，W)-γ'沉淀相中。
上述一种具有分层微观结构的钴基单晶高温合金的制备方法如下。
第一步，制备母合金锭：按表1中的合金成配料，通过真空感应熔炼制备母合金，具体地，合金在1540℃～1580℃精炼5min，精炼结束后降温至1500℃～1540℃浇筑为母合金锭。
第二步，制备单晶试棒：采用籽晶法和螺旋选晶法，通过定向凝固炉制备单晶试棒。
第三步，热处理：对得到的单晶试棒进行热处理，热处理包括均匀化热处理和时效热处理。
热处理时，将单晶试棒置于管式炉内，对管式炉抽真空后通入氩气，重复上述抽真空和通氩气过程3～4次，确保氩气持续充满管式炉的炉腔，然后持续通入氩气，使炉腔与大气联通一端持续有氩气排出，并保持该状态直至热处理结束。
均匀化热处理：在1300℃的温度范围内保温24小时，空冷。
时效热处理：在900℃的温度范围内保温200小时，淬火冷却，即得到具有分层微观结构的钴基单晶高温合金。
上述实施例为发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种具有分层微观结构的钴基单晶高温合金的制备方法，其特征在于：具有分层微观结构的钴基单晶由Co、Al、W、Cr和B组成，按照原子百分比的各组分含量为：Al：4～12％，W：4～12％，Cr：0～5％，B：0～1％，余量Co；
分层微观结构由γ基体、Co3(Al，W)-γ'沉淀相和纳米γ颗粒组成，Co3(Al，W)-γ'沉淀相分布于γ基体中，纳米γ颗粒生长于Co3(Al，W)-γ'沉淀相中；
该制备方法包括如下步骤：
S1，制备母合金锭；
S2，制备单晶试棒；
S3，对单晶试棒先进行均匀化热处理，再进行时效热处理。
2.按照权利要求1所述的一种具有分层微观结构的钴基单晶高温合金的制备方法，其特征在于：步骤S1中，通过真空感应熔炼制备母合金锭。
3.按照权利要求2所述的一种具有分层微观结构的钴基单晶高温合金的制备方法，其特征在于：步骤S1中，按照各组分含量配料，然后在1540℃～1580℃精炼5min，精炼结束后降温至1500℃～1540℃浇筑为母合金锭。
4.按照权利要求1所述的一种具有分层微观结构的钴基单晶高温合金的制备方法，其特征在于：步骤S2中，采用籽晶法和螺旋选晶法，通过定向凝固炉制备单晶试棒。
5.按照权利要求1所述的一种具有分层微观结构的钴基单晶高温合金的制备方法，其特征在于：步骤S3中，均匀化热处理参数为：在1250℃～1300℃的温度范围内保温24小时，空冷，时效热处理参数为：在800℃～1000℃的温度范围内保温150～250小时，淬火冷却。
6.按照权利要求1所述的一种具有分层微观结构的钴基单晶高温合金的制备方法，其特征在于：步骤S3中，将单晶试棒置于管式炉内，对管式炉抽真空后通入氩气，重复抽真空和通氩气过程3～4次，确保氩气持续充满管式炉的炉腔，然后持续通入氩气，使炉腔与大气连通的一端持续有氩气排出，直至热处理结束。
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