CN115522148A

CN115522148A - 钴基复合材料的精细组织调控方法

Info

Publication number: CN115522148A
Application number: CN202110712833.0A
Authority: CN
Inventors: 孙元; 张洪宇; 周亦胄
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS
Priority date: 2021-06-25
Filing date: 2021-06-25
Publication date: 2022-12-27
Anticipated expiration: 2041-06-25
Also published as: CN115522148B

Abstract

本申请提供一种钴基复合材料的精细组织调控方法，包括如下步骤：步骤(一)：固溶处理：在初级钴基复合材料进行固溶处理，获得二级钴基复合材料；步骤(二)：组织精细化处理：将二级钴基复合材料放置于真空热处理炉内，进行预抽真空后开始升温，升温至850℃～980℃后，保温5～15h，再进行冷却后出炉，获得组织精细化处理后的最终钴基复合材料。根据本申请的钴基复合材料的精细组织调控方法，能够有效提高钴基复合材料性能，以适应航空发动机及其它高温环境。

Description

钴基复合材料的精细组织调控方法

技术领域

本申请属于材料性能增强技术领域，具体涉及一种钴基复合材料的精细组织调控方法。

背景技术

随着我国先进航空、航天发动机，燃气轮机的发展，发动机中的耐磨部件迫切地需要具有高耐磨性、高热稳定性、以及高耐腐蚀性的新材料。因此，钴基高温合金以其优异的热强性能、耐蚀性能以及耐磨性能，越来越广泛地应用在一些工况恶劣的环境中，如航空航天工业、石油天然气工业、核工业等高温、腐蚀、磨损的条件下。传统的钴基合金中含有镍、铬、钨和少量的钼、铌、钽、钛、镧、铁等合金元素，是由γ-Co基体和分布于基体中的少量碳化物组成。碳化物主要有MC﹑M₂₃C₆和M₆C型碳化物等。基于钴基合金中的强化机理，继而发展出在合金中加入更多的碳化物增强材料来提高合金的耐磨性能的钴基复合材料。

但是，随着先进航空技术对耐磨材料的要求越来越高，现有钴基合金性能已经不能满足其的使用要求。

因此，如何提供一种能够有效提高钴基复合材料性能，以适应航空发动机及其它高温环境的钴基复合材料的精细组织调控方法成为本领域技术人员急需解决的问题。

发明内容

因此，本申请要解决的技术问题在于提供一种钴基复合材料的精细组织调控方法，能够有效提高钴基复合材料性能，以适应航空发动机及其它高温环境。

为了解决上述问题，本申请提供一种钴基复合材料的精细组织调控方法，包括如下步骤：

步骤(一)：固溶处理：在初级钴基复合材料进行固溶处理，获得二级钴基复合材料；

步骤(二)：组织精细化处理：将二级钴基复合材料放置于真空热处理炉内，进行预抽真空后开始升温，升温至850℃～980℃后，保温5～15h，再进行冷却后出炉，获得组织精细化处理后的最终钴基复合材料。

优选地，预抽真空后，真空热处理炉内的真空度不高于0.01Pa；

和/或，对二级钴基复合材料进行精细化处理后，钴基复合材料中重新析出的M₆C型碳化物；优选地，析出的M₆C碳化物分布在相界处；

和/或，最终钴基复合材料用于传动轴。

优选地，冷却方法包括向真空热处理炉中通入氩气进行冷却。

优选地，氩气包括0.1～0.5MPa的氩气；和/或，冷却后真空热处理炉内的温度在90℃以下。

优选地，初级钴基复合材料包括如下重量百分比的原料：80-97％预钴基复合材料和3-20％碳化物。

优选地，预钴基复合材料包括如下重量百分比的原料：Cr18～34％；W 9～28％；V0～6％；Ni 0～10％；Fe 0～10％；C 0.2～2％以及余量的Co。

优选地，固溶处理包括如下步骤：将初级钴基复合材料放置于真空热处理炉内，预抽真空后开始升温，升温至1100℃～1250℃后，保温4～12h，再进行冷却后出炉。

优选地，固溶处理步骤中，预抽真空后，真空热处理炉内的真空度不高于0.01Pa。

优选地，固溶处理步骤中，冷却方法包括向真空热处理炉中通入氩气进行冷却。

优选地，固溶处理步骤中，氩气包括0.1～0.5MPa的氩气；和/或，冷却后真空热处理炉内的温度在90℃以下。

本申请提供的钴基复合材料的精细组织调控方法，本申请在不改变整体化学成分基础上，通过调整合金中内生碳化物和外加增强材料的形貌和尺寸，以及不同相的含量配比，提高合金耐高温、耐腐蚀、耐磨损的性能，实现合金高强度、高硬度的特点，能够有效提高钴基复合材料性能，以适应航空发动机及其它高温环境，且本申请方法可有效提高合金性能，同时具有流程短、能耗低、操作简单，便于控制的优点。

附图说明

图1钴基复合材料组织调控前的微观组织；

图2高温固溶调控后钴基复合材料微观组织；

图3精细组织调控后钴基复合材料微观组织；

图4实施例1中钴基复合材料经过精细组织调控后的微观组织；

图5实施例2中钴基复合材料精细组织调控后微观组织；

图6实施例3中钴基复合材料精细组织调控后微观组织；

图7实施例4中钴基复合材料精细组织调控后微观组织。

具体实施方式

结合参见图1所示，本申请公开了一种钴基复合材料的精细组织调控方法，包括如下步骤：

步骤(二)：组织精细化处理：将二级钴基复合材料放置于真空热处理炉内，进行预抽真空后开始升温，升温至850℃～980℃后，保温5～15h，再进行冷却后出炉，获得组织精细化处理后的最终钴基复合材料。在升温之前，进行预抽真空，使得炉内达到一定真空度，可以有效避免材料氧化，在组织精细化处理的整个过程需要一直抽真空。

本申请通过步骤(一)中的固溶处理得到组织更致密，成分更均匀的钴基复合材料即二级钴基复合材料；经过步骤(二)中的精细化处理得到具有弥散析出的细小增强材料的钴基复合材料即最终钴基复合材料。本申请钴基复合材料的精细组织调控方法可调整合金中内生碳化物和外加增强材料的形貌和尺寸，以及不同相的含量配比，提高合金耐高温、耐腐蚀、耐磨损的性能，实现合金高强度、高硬度的特点，同时具有流程短、能耗低、易操作的优点。本申请方法获得的最终钴基复合材料主要适用于航空发动机及其它高温环境中的钴基复合材料耐磨部件。本申请获得的最终钴基复合材料，可以用于耐磨传动轴用，其具有高耐磨性，主要适用于航空发动机及其它高温环境中的钴基复合材料耐磨部件的精细组织调控，满足钴基复合材料提高使用性能的要求。采用本申请方法获得的最终钴基复合材料为耐磨钴基复合材料；本申请方法，在不改变工件形状和整体化学成分基础上，通过调控工件内部的显微组织结构，实现材料性能提高。

和/或，最终钴基复合材料用于传动轴。

优选地，初级钴基复合材料包括如下重量百分比的原料：80-97％预钴基复合材料和3-20％碳化物。初级钴基复合材料由预钴基复合材料和碳化物烧结而成。

优选地，预钴基复合材料括如下重量百分比的原料：Cr18～34％；W 9～28％；V 0～6％；Ni 0～10％；Fe 0～10％；C 0.2～2％以及余量的Co。本申请针对的合金中含有较高的含量的Co、Cr和W，合金由固溶强化的奥氏体Co基体和基体中分布的碳化物组成，采用粉末冶金方法制备。它不需要熔化金属，合金的成型是在固态扩散的作用下完成的，因此小的粉末粒度决定了合金的晶粒及碳化物尺寸不会大，外加增强材料尺寸也不会发生较大改变，合金整体性能受到限制。通过对一种钴基复合材料的组织进行精细调控，在不改变合金成分合制备方法的情况下，调整合金中内生碳化物和外加增强材料的尺寸形貌及配比，改善材料内部微观组织，显著提高了合金的使用性能。可有效提高一种钴基复合材料的使用性能，使得材料的硬度与耐磨性能显著提高，可以满足航空发动机长寿命的要求；同时本方法也可推广应用至其它传统钴基合金，在不改变原有成分和制备工艺条件下，给出了使用过程中提升性能的可行性方向，让旧合金在新领域发挥作用。因此本申请的方法具有巨大的经济效益和广阔的应用前景。

优选地，固溶处理包括如下步骤：将碳化物粉末和初级钴基复合材料放置于真空热处理炉内，预抽真空后开始升温，升温至1100℃～1250℃后，保温4～12h，再进行冷却后出炉。初级钴基复合材料指的是合金粉末，在升温之前，进行预抽真空，使得炉内达到一定真空度，可以有效避免材料氧化，在固溶处理的整个过程需要一直抽真空。本申请中的升温至1100℃～1250℃能够达到更好的效果，如果温度过低，均匀化效果不好。温度过高，材料形成初熔。

在本申请的一些实施例中，如果固溶处理和精细化处理两工艺连续操作，且设备满足，在固溶处理后可以不出炉，直接进行精细化处理步骤的预抽真空。

结合图1-3可知，图1-图3为本发明所述的钴基复合材料在经过高温固溶和精细化处理前后的组织变化图片。如图所示，高温固溶后，合金复合材料中部分碳化物发生溶解，其形貌由相互连贯树枝状逐渐变为细小的不规则小块状，初级钴基复合材料与外加增强材料的界面反应层厚度也随着固溶温度的升高而变厚，复合材料中原始颗粒边界及孔洞数变少。上述现象说明，钴基复合材料经过固溶调控后，成分更加均匀，内部质量变得更致密，因此力学性能得到提高。再经过精细组织调控，钴基复合材料中重新析出的新的M₆C型碳化物，析出的碳化物主要分布在相界处。而且随着工艺调控时间的变化，析出的碳化物尺寸也会随之变化。由于碳化物对材料中位错的钉扎作用，材料性能会进一步提升。

实施例1：

预钴基复合材料：化学成分按重量百分数为：Cr 26％；W 24％；V 4％；Ni 4％，Fe4％，C 0.6％，余量的Co；

碳化物粉末。

将上述预钴基复合材料合金粉末与碳化物粉末混合后，烧结出来形成初级钴基复合材料，在该初级钴基复合材料中，碳化物粉末的重量份含量为5％。

步骤(1)：将初级钴基复合材料放置于真空热处理炉内，进行预抽真空；

步骤(2)：待真空热处理炉内的真空度达到0.01Pa时，开始升温；升温至1100℃，保温4h；

步骤(3)：步骤(2)中保温结束后，通入0.1MPa进行氩气冷却，冷却至90℃出炉，获得二级钴基复合材料。

步骤(4)：将步骤(3)获得的二级钴基复合材料再放置于真空热处理炉内，预抽真空；

步骤(5)：步骤(4)的真空度达到0.01Pa时，开始升温；升温至880℃后，保温5h；

步骤(6)：步骤(5)中保温结束后，通入0.1MPa进行氩气冷却，冷却至90℃出炉；获得最终钴基复合材料。

实施例2：

初级钴基复合材料的合金：将化学成分按重量百分数计算为：Cr 29％；W 22％；V4％；Ni4％，Fe 4％，C 0.7％，余量的Co；

碳化物粉末。

步骤(1)：将待处理的初级钴基复合材料放置于真空热处理炉内，进行预抽真空；

步骤(2)：待真空热处理炉内的真空度达到0.007Pa时，开始升温；升温至1150℃，保温8h；

步骤(3)：步骤(2)保温结束后，通入0.2MPa进行氩气冷却，冷却至90℃出炉，获得二级钴基复合材料。

步骤(4)：将步骤(3)获得的二级钴基复合材料再放置于真空热处理炉内，进行预抽真空；

步骤(5)：步骤(4)的真空度达到0.01Pa时，开始升温；升温至900℃后，保温5h；

步骤(6)：步骤(5)保温结束后，通入0.1MPa进行氩气冷却，冷却至80℃出炉；获得最终钴基复合材料。

实施例3：

初级钴基复合材料的合金：将化学成分按重量百分数计算为：Cr 31％；W19％；V3％；Ni5％，Fe 4％，C 0.5％，余量的Co；

碳化物粉末。

将上述预钴基复合材料合金粉末与碳化物粉末混合后，烧结出来形成初级钴基复合材料，在该初级钴基复合材料中，碳化物粉末的重量份含量为10％。

步骤(2)：待真空热处理炉内的真空度0.008Pa时，开始升温；升温至1200℃，保温6h；

步骤(3)：步骤(2)保温结束后，通入0.2MPa进行氩气冷却，冷却至70℃出炉，获得二级钴基复合材料。

步骤(5)：步骤(4)的真空度达到0.008Pa时，开始升温；升温至950℃后，保温10h；

步骤(6)：步骤(5)保温结束后，通入0.2MPa进行氩气冷却，冷却至70℃出炉；获得最终钴基复合材料。

实施例4

预钴基复合材料：将化学成分按重量百分数计算为：Cr 31％；W21％；V3％；Ni3％，Fe 4％，C 0.7％，余量的Co；

碳化物粉末。

步骤(2)：待真空热处理炉内的真空度0.008Pa时，开始升温；升温至1250℃，保温8h，

步骤(3)：步骤(2)保温结束后，通入0.3MPa进行氩气冷却，冷却至80℃出炉，获得二级钴基复合材料；

步骤(5)：步骤(4)的真空度达到0.008Pa时，开始升温；升温至950℃后，保温15h；

步骤(6)：步骤(5)保温结束后，通入0.3MPa进行氩气冷却，冷却至80℃出炉；获得最终钴基复合材料。

实施例5

初级钴基复合材料的合金：将化学成分按重量百分数计算为：Cr 18％；W 28％；Ni10％，C 0.2％，余量的Co；

碳化物粉末。

将上述预钴基复合材料合金粉末与碳化物粉末混合后，烧结出来形成初级钴基复合材料，在该初级钴基复合材料中，碳化物粉末的重量份含量为3％。

步骤(2)：待真空热处理炉内的真空度0.006Pa时，开始升温；升温至1200℃，保温12h，

步骤(3)：步骤(2)保温结束后，通入0.5MPa进行氩气冷却，冷却至60℃出炉，获得二级钴基复合材料；

步骤(5)：步骤(4)的真空度达到0.008Pa时，开始升温；升温至850℃后，保温12h；

步骤(6)：步骤(5)保温结束后，通入0.5MPa进行氩气冷却，冷却至60℃出炉；获得最终钴基复合材料。

实施例6

初级钴基复合材料的合金：将化学成分按重量百分数计算为：Cr 34％；W 9％；V6％；Fe 10％，C 0.2％，余量的Co；

碳化物粉末。

将上述预钴基复合材料合金粉末与碳化物粉末混合后，烧结出来形成初级钴基复合材料，在该初级钴基复合材料中，碳化物粉末的重量份含量为20％。

步骤(2)：待真空热处理炉内的真空度0.008Pa时，开始升温；升温至1100℃，保温6h，

步骤(3)：步骤(2)保温结束后，通入0.3MPa进行氩气冷却，冷却至70℃出炉，获得二级钴基复合材料；

步骤(5)：步骤(4)的真空度达到0.008Pa时，开始升温；升温至980℃后，保温7h；

步骤(6)：步骤(5)保温结束后，通入0.2MPa进行氩气冷却，冷却至80℃出炉；获得最终钴基复合材料。

对比例1

碳化物粉末。

步骤(2)：待真空热处理炉内的真空度0.008Pa时，开始升温；升温至1300℃，保温6h；

步骤(5)：步骤(4)的真空度达到0.008Pa时，开始升温；升温至800℃后，保温7h；

对比例2

碳化物粉末。

步骤(2)：待真空热处理炉内的真空度0.008Pa时，开始升温；升温至1100℃，保温6h；

步骤(5)：步骤(4)的真空度达到0.008Pa时，开始升温；升温至1000℃后，保温3h；

本申请实施例1-6以及对比例1-2中钴基复合材料的精细组织调控方法获得的最终钴基复合材料的硬度和强度如下表1所示：

表1本申请实施例1-6以及对比例1-2中钴基复合材料的精细组织调控方法

结合上述表1可知：通过本申请的调控方法，大大提高了最终钴基复合材料的压缩强度和室温硬度；其可以适用于航空发动机及其它高温环境。本申请中采用国标：GB/T7314-2017金属材料室温压缩试验方法，测试压缩强度；采用国标：GB/T 230.1-2018金属材料洛氏硬度试验，测试室温硬度。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。

以上仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。以上仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本申请的保护范围。

Claims

1.一种钴基复合材料的精细组织调控方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(一)：固溶处理：对初级钴基复合材料进行固溶处理，获得二级钴基复合材料；

步骤(二)：组织精细化处理：将所述二级钴基复合材料放置于真空热处理炉内，进行预抽真空后开始升温，升温至850℃～980℃后，保温5～15h，再进行冷却后出炉，获得组织精细化处理后的最终钴基复合材料。

2.根据权利要求1中所述的钴基复合材料的精细组织调控方法，其特征在于，所述预抽真空后，所述真空热处理炉内的真空度不高于0.01Pa；

和/或，所述对所述二级钴基复合材料进行精细化处理后，所述钴基复合材料中重新析出M₆C型碳化物；优选地，析出的M₆C碳化物分布在相界处；

和/或，所述最终钴基复合材料用于传动轴。

3.根据权利要求1中所述的钴基复合材料的精细组织调控方法，其特征在于，所述冷却方法包括向所述真空热处理炉中通入氩气进行冷却。

4.根据权利要求3中所述的钴基复合材料的精细组织调控方法，其特征在于，所述氩气包括0.1～0.5MPa的氩气；和/或，冷却后所述真空热处理炉内的温度在90℃以下。

5.根据权利要求1中所述的钴基复合材料的精细组织调控方法，其特征在于，所述初级钴基复合材料包括如下重量百分比的原料：80-97％预钴基复合材料和3-20％碳化物。

6.根据权利要求5中所述的钴基复合材料的精细组织调控方法，其特征在于，所述预钴基复合材料包括如下重量百分比的原料：Cr18～34％；W 9～28％；V 0～6％；Ni 0～10％；Fe 0～10％；C 0.2～2％以及余量的Co。

7.根据权利要求1中所述的钴基复合材料的精细组织调控方法，其特征在于，所述固溶处理包括如下步骤：将所述初级钴基复合材料放置于真空热处理炉内，进行预抽真空后开始升温，升温至1100℃～1250℃后，保温4～12h，进行冷却后出炉。

8.根据权利要求7中所述的钴基复合材料的精细组织调控方法，其特征在于，所述固溶处理步骤中，所述预抽真空后，所述真空热处理炉内的真空度不高于0.01Pa。

9.根据权利要求7中所述的钴基复合材料的精细组织调控方法，其特征在于，所述固溶处理步骤中，冷却方法包括向所述真空热处理炉中通入氩气进行冷却。

10.根据权利要求9中所述的钴基复合材料的精细组织调控方法，其特征在于，所述固溶处理步骤中，所述氩气包括0.1～0.5MPa的氩气；和/或，所述冷却后所述真空热处理炉内的温度在90℃以下。