CN116676510B - 一种镍钴基铸造多晶高温合金材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种镍钴基铸造多晶高温合金材料及其制备方法，属于铸造多晶高温合金技术领域。该合金材料化学成分为：Cr 10‑12％，Co 18‑22％，Al 2‑3％，Ti 5‑6％，Mo 1.5‑2.5％，W 2‑3％，Ta 1.5‑2.5％，C≤0.10％，B≤0.10％，Zr 0.02‑0.2％，其余为Ni。采用真空感应熔炼，熔炼温度1500±10℃，保温时间30±5min，熔炼后合金锭重新熔化后倒入模具中浇注；浇注后进行高温均质化处理，获得所述镍钴基铸造多晶高温合金材料。所得合金材料在900℃/195MPa拥有长持久断裂寿命并且在800℃条件下仍具有较高强度。
Description
技术领域
本发明涉及铸造多晶高温合金技术领域，具体涉及一种镍钴基铸造多晶高温合金材料及其制备方法。
背景技术
镍基铸造多晶高温合金是高温应用条件下常用的结构材料，具有优良的高温强度、耐蠕变、耐疲劳、耐热腐蚀、耐氧化等性能，被广泛应用于制造先进飞机发动机的涡轮盘材料。钴(Co)在Ni基体中可以形成连续置换固溶体，促使γ'相转变成(Ni，Co)3(Al，Ti)，提高合金的高温性能。镍基高温合金中的Co含量增加可使合金材料拥有高的强度和抗蠕变性能。目前，镍钴基铸造多晶高温合金在800℃以上的持久断裂性能仍表现较差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种镍钴基铸造多晶高温合金材料及其制备方法，通过调节合金中的W、Ta成分含量，同时优化合金制备工艺，使所得合金材料在900℃/195MPa拥有长持久断裂寿命并且在800℃条件下仍具有较高强度。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种镍钴基铸造多晶高温合金材料，按重量百分含量计，该合金材料化学成分为：Cr 10-12％，Co 18-22％，Al 2-3％，Ti 5-6％，Mo 1.5-2.5％，W 2-3％，Ta1.5-2.5％，C≤0.10％，B≤0.10％，Zr 0.02-0.2％，其余为Ni。
按重量百分含量计，该合金材料化学成分优选为：Cr 10.5-11.5％，Co19-20.5％，Al 2.3-2.6％，Ti 5.2-5.8％，Mo 1.8-2.2％，W 2.3-2.7％，Ta 1.8-2.2％，C 0.05-0.10％，B 0.01-0.05％，Zr 0.05-0.1％，其余为Ni。
该合金材料的金相组织中，晶内的γ′强化相呈圆形均匀分布在基体相上。
该合金材料在800℃的屈服强度大于760MPa，在900℃/195MPa的持久断裂寿命大于410h，在975℃/195MPa的持久断裂寿命大于4h。
所述镍钴基铸造多晶高温合金材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)原料准备：C、B元素原料为中间合金，其他各元素原料为纯度为99.99％的高纯金属原料；
(2)各元素原料经酸洗后加入真空感应熔炼炉熔炼，熔炼温度1500℃，保温时间30min，熔炼后得合金锭；
(3)将步骤(2)所得合金锭重新熔化后倒入模具中浇注；
(4)浇注所得样品进行高温均质化处理，以消除铸态组织减小偏析，最终获得所述镍钴基铸造多晶高温合金材料。
上述步骤(1)中，C元素原料为NiC合金，NiC合金中C为5±0.01wt.％、Ni为95±0.01wt.％；B元素原料为AlTiB合金，其中Ti为5±0.01wt.％，B为1±0.01wt.％，Al为94±0.01wt.％。
上述步骤(2)所述熔炼过程具体为：熔炼炉内先反复充放氩气两次以降低氧含量，然后再充入氩气至微正压0.01±0.005MPa MPa；加入各元素原料，加料顺序为先放入熔点较高的金属原料，高熔点金属原料开始熔化后加入低熔点金属原料，升温至1500℃待原料全部熔化后再保温30mins后取出。
上述步骤(4)中，所述高温均质化处理的温度为1205-1215℃，处理时间3-6h，空冷。
本发明设计机理如下：
通过Thermo-Calc及TTNi8商用镍基高温合金数据库计算镍基高温合金的合金元素含量变化对相含量及组成的变化。将基体元素Ni作为平衡元素，通过计算发现Al含量的上升会导致两相区收窄，热加工窗口减小，保持Al较高含量时，合金在1000℃长期时效中可能会导致Al与其他元素结合促进拓扑密排相(TCP相)的形成。Co元素含量差异对高温区域的相组成影响较小，Co含量增加会增强固溶强化作用，会降低基体层错能，但在800℃以下会产生TCP相及HCP结构。W元素过高会导致两相区显著减小，增加合金密度及TCP相的析出倾向性。Ta含量较高时也会形成产生组成复杂的TCP相，劣化合金性能。
通过CALPHAD方法计算得到合金的液相线温度为1350℃，熔炼最后升温至1500℃并保温30min可充分保证合金材料充分熔化，成分均匀；γ′强化相的固溶温度为1180℃，在1210℃固溶4h后进行空冷，可充分消除铸态不均匀的γ′强化相，并重新均匀分布在γ基体相的γ′强化相，强化合金的强度及持久性能。
本发明的优点和有益效果如下：
1、本发明镍钴基铸造多晶铸造合金材料在保持高强度的基础上具有优异的持久断裂寿命。
2、本发明镍钴基铸造多晶铸造合金材料的制备方法，可以简单快速制成高强度、高持久寿命的镍钴基铸造多晶高温合金材料。
附图说明
图1为实施例及对比例热处理后的合金金相组织；其中：(a)实施例1；(b)对比例1；(c)对比例2。
图2为实施例及对比例热处理后的合金在800℃屈服强度。
图3为实施例及对比例热处理后的合金在900℃/195MPa的持久断裂寿命。
图4为实施例及对比例热处理后的合金在975℃/195MPa的持久断裂寿命。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，以下结合实例对本发明进行描述，但实例仅为对本发明的特点和优点做进一步阐述，而不是对本发明权利要求的限制。
以下实施例和对比例中合金材料的制备过程如下：
1、将各元素原料经酸洗(酸洗液组成按体积比计为HCl:HNO3:H2O＝1:1:3)后加入真空感应熔炼炉，其中C、B元素通过中间合金加入，其他元素原料为纯度为99.99％的高纯金属。C元素原料为NiC合金，NiC合金中C为5±0.01wt.％、Ni为95±0.01wt.％；B元素原料为AlTiB合金，其中Ti为5±0.01wt.％，B为1±0.01wt.％，Al为94±0.01wt.％。
2、熔炼过程中真空感应熔炼炉中需充入氩气，反复充放氩气两次降低氧含量，最后充氩气至微正压0.01MPa，加料顺序为先放入熔点较高的金属原料，高熔点金属原料开始熔化后加入低熔点金属原料，升温至1500℃待原料全部熔化后再保温30min后取出。最后将各合金通过真空感应熔炼炉重新熔化后倒入模具中浇注为试棒。
3、试棒进行1210℃、4h的高温均质化处理消除铸态组织减小偏析，进行高温拉伸及持久实验。
实施例1：
本实施例合金成分(wt.％)：Cr 11％，Co 20％，Al 2.5％，Ti 5.5％，Mo 2％，W2.5％，Ta 2％，C 0.08％，B 0.022％，Zr 0.08％，其余为Ni。
浇注的试棒经1210℃固溶4h空冷后所得合金的金相组织如图1所示，晶内的γ′强化相呈圆形均匀分布在基体相上。
本实施例合金的性能如图2-4，具体如下：
在800℃的条件屈服强度为775MPa，900℃/195MPa的持久断裂寿命为419.76h，975℃/195MPa的持久断裂寿命为4.02h。
对比例1：
本例合金成分(wt.％)：Cr 11％，Co 20％，Al 2.5％，Ti 5.5％，Mo 2％，W 6％，C0.08％，B 0.022％，Zr 0.08％，其余的为Ni；浇注的试棒经1210℃固溶4h空冷后所得合金的金相组织如图1所示，晶内的γ′强化相呈圆形均匀分布在基体相上，与实施例合金相比γ′强化相尺寸大且γ′相含量低不利于合金的持久性能。
本例合金的性能如图2-4，具体如下：
在800℃的条件屈服强度为756MPa，900℃/195MPa的持久断裂寿命为165.55h，975℃/195MPa的持久断裂寿命为1.87h。
对比例2：
本对比例合金成分(wt.％)：Cr 11％，Co 20％，Al 2.5％，Ti 5.5％，Mo 2％，W6％，Ta 2％，C 0.08％，B 0.022％，Zr 0.08％，其余的为Ni；浇注的试棒经1210℃固溶4h空冷后所得合金的金相组织如图1所示，晶内的γ′强化相呈圆形均匀分布在基体相上，与实施例合金相比γ′强化相尺寸大不利于提高合金的持久性能。本例合金的性能如图2-4，具体如下：
在800℃的条件屈服强度为779MPa，900℃/195MPa的持久断裂寿命为271.16h，975℃/195MPa的持久断裂寿命为3.73h。
Claims (4)
1.一种镍钴基铸造多晶高温合金材料，其特征在于：按重量百分含量计，合金材料化学成分如下：Cr 10.5-11.5％，Co 19-20.5％，Al 2.3-2.6％，Ti 5.2-5.8％，Mo 1.8-2.2％，W2.3-2.7％，Ta 1.8-2.2％，C 0.05-0.10％，B 0.01-0.05％，Zr 0.05-0.1％，其余为Ni；
所述合金材料的制备方法包括如下步骤：
(1)原料准备：C、B元素原料为中间合金，其他各元素原料为纯度为99.99％的高纯金属原料；
(2)各元素原料经酸洗后加入真空感应熔炼炉熔炼，熔炼温度1500±10℃，保温时间30±5min，熔炼后得合金锭；
(3)将步骤(2)所得合金锭重新熔化后倒入模具中浇注；
(4)浇注所得样品进行高温均质化处理，以消除铸态组织减小偏析，最终获得所述镍钴基铸造多晶高温合金材料；
步骤(4)中，所述高温均质化处理的温度为1205-1215℃，处理时间3-6h，空冷；
所述合金材料在800℃的屈服强度大于760MPa，在900℃/195MPa的持久断裂寿命大于410h，在975℃/195MPa的持久断裂寿命大于4h。
2.根据权利要求1所述的镍钴基铸造多晶高温合金材料，其特征在于：所述合金材料的金相组织中，晶内的γ′强化相呈圆形均匀分布在基体相上。
3.根据权利要求1所述的镍钴基铸造多晶高温合金材料，其特征在于：步骤(1)中，C元素原料为NiC合金，NiC合金中C为5±0.01wt.％、Ni为95±0.01wt.％；B元素原料为AlTiB合金，其中Ti为5±0.01wt.％，B为1±0.01wt.％，Al为94±0.01wt.％。
4.根据权利要求1所述的镍钴基铸造多晶高温合金材料，其特征在于：步骤(2)所述熔炼过程具体为：熔炼炉内先反复充放氩气两次以降低氧含量，然后再充入氩气至微正压0.01±0.005MPa；加入各元素原料，加料顺序为先放入熔点较高的金属原料，高熔点金属原料开始熔化后加入低熔点金属原料，升温至1500℃待原料全部熔化后再保温30mins后取出。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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