一种高密度超高强度Co增强镍基高钨耐热合金及制备方法,属于耐热合金技术领域。该合金的化学组成成分重量％为：Co 5-20％，W 15-35％,其他可含有Ti 0-3％,Al 0-3％和Nb 0-8％，其余为Ni和其他不可避免的杂质元素及微量元素如稀土等。采用真空感应+真空自耗重熔或电渣重熔。本发明专利技术与现有技术相比综合性能优良，具有高密度和更高强度，密度达到9.0-11.0g/cm3、冲击韧性达到80J/cm2以上、抗拉强度达到1500MPa以上。
【技术实现步骤摘要】
高密度超高强度Co增强镍基高钨耐热合金及制备方法
本专利技术属于耐热合金
，特别涉及一种高密度超高强度Co增强镍基高钨耐热合金DT770及其制备方法，该合金具有高密度高韧性和超高强度，密度达到9.0-11.0g/cm3、冲击韧性达到80J/cm2以上、抗拉强度达到1500MPa以上。。
技术介绍
在此之前，高密度材料主要应用于防热部件、防护部件、屏蔽部件、穿甲部件等，国际上常用的钨合金即是此类材料，由于钨的熔点过高，此类材料通常采用粉末冶金的方法烧结成型，目前国际上广泛使用的钨合金有W90、W93、W95和W97等，此类材料的密度很高，可以达到15-18g/cm3，但强度较低韧性较差，正常烧结态的抗拉强度达到800-1000MPa，伸长率达到20-30％，为达到更高的强度，需要经过大塑性变形，其强度可达到1400MPa左右，但塑韧性降低厉害，只有10％左右；特别是粉末冶金工艺决定了钨合金的显微组织是钨颗粒+粘结相的两相结构。如图1所示，以广泛应用的93W为例，近似球形的钨颗粒分布于W-Ni-Fe的粘结相中，组织缺乏一致性和连续性，在高应变速率加载条件下力学性能不佳，限制了大量推广应用前景。以粉末冶金液相烧结法制备的钨合金，其强化方式只能为形变强化，而无法用到金属材料中广泛应用的第二相强化。这就决定了未经变形的钨合金的力学性能很难提高。而对于大尺寸钨合金零件，对变形设备的要求极高，同时变形也容易不均匀，影响组织的均匀性，这也决定了大尺寸钨合金的力学性能很难提高。几种钨合金的化学成分和力学性能见表1和表2。表1高密度钨合金轧制性能(70W-21Ni-9Fe)状态变形量抗拉强度MPa屈服强度MPa伸长率％1冷轧18％1233111612.52冷轧18％1216110411.93冷轧50％149413444.34冷轧50％141613107.25热轧1216834116热轧118986023表2高密度钨合金形变强化力学性能成分状态变形量％抗拉强度MPa延伸率％193W-7(Ni,Fe)旋锻18％12797.7291W-9(Ni,Fe)锻造48％13706390W-7Ni-3Fe旋锻17％110313493W-5Ni-2Fe旋锻18％11997.6593W-5Ni-2Fe包套挤压80％14963.3693W-7(Ni,Fe)旋锻70％143012790W-7Ni-3Fe旋锻+热处理18％123012893W-5Ni-2Fe旋锻+热处理18％13585为了在得到高密度的同时具有良好的强韧性配合，可以将W固溶于相对低熔点金属中(如Fe、Ni、Co等)。从而使得采用熔炼的方式制备高密度合金成为可能。由于熔炼不存在致密度的问题，且可以通过锻造的方法细化晶粒，可通过固溶-析出的方式以第二相强化，因此，力学性能可以大大提高。但W在Fe固溶度有限，在1190℃时仅能固溶13.7％，，为了保证其力学性能和锻造性能，需要其具有单相，这就限制了其密度的提升。Ni、Co自身密度较Fe大(Ni、Co密度为8.9g/cm3，Fe密度为7.9g/cm3)，且能固溶更多的W，便形成了Ni–W二元固溶体或Ni-Co-W三元固溶体。在Ni-Co-W三元体系中，加入一定量Ti和Al或Nb会在时效过程中析出γ’相，可有效提升力学性能。由此，便形成了Ni-Co-W-Ti-Al-Nb高密度合金体系。希望能够研制一种能够采用普通冶金工艺生产的高密度合金，具有高密度高韧性和超高强度，动态强度高等优异性能，密度达到9.0-11.0g/cm3、冲击韧性达到80J/cm2以上、抗拉强度达到1500MPa以上。因此，新概念的高钨耐热合金的开发提到科研日程上来。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高密度超高强度Co增强镍基高钨耐热合金DT770及其制备方法，该合金综合性能优良，具有具有高密度高韧性和超高强度，密度达到9.0-11.0g/cm3、冲击韧性达到80J/cm2以上、静态拉伸强度达到1500MPa以上的高密度超高强度耐热合金。基于上述目的，本专利技术的主要技术方案是在Ni-W二元合金的基础上，引入Co元素形成Ni-Co-W三元合金，同时添加Ti、Al、Nb元素形成γ’，利用Co元素促进时效强化获得更高强度的高密度(≥9g/cm3)超高强度耐热合金，严格控制W/(Ni+Co)配比以及(W+Nb)/(Ni+Co)、(W+Ti+Al)/(Ni+Co)合金成分配比，本专利技术钢可采用常规的冶金工艺进行生产，采用真空感应+真空自耗或者真空感应+电渣重熔工艺，采用普通锻造技术即可，与钨合金必须采用的粉末冶金方法相比，易于大批量、稳定性工业化大生产。本专利技术合金的化学组成成分(重量％)为：Co5-20％，W15-35％,其他可含有Ti0-3％,Al0-3％和Nb0-8％，其余为Ni和其他不可避免的杂质元素及微量元素如稀土等。上述化学成分的设计依据如下：Ni：基体元素，保证在得到高密度的同时具有良好的强韧性配合，Ni可以将W固溶于相对低熔点金属中，从而使得采用熔炼的方式制备高密度合金成为可能。由于熔炼不存在致密度的问题，且可以通过锻造的方法细化晶粒，可通过固溶-析出的方式以第二相强化，因此，力学性能可以大大提高，为尽可能提高W在Ni中的溶解度，Ni的含量超过了合金的50％，适合范围为50-80％。Co：Co的作用与Ni相似，可以将W固溶于相对低熔点金属中，从而使得采用熔炼的方式制备高密度合金成为可能。但在Ni-Co-W三元固溶体中，过多的Co会降低W的固溶度，从而对提高密度不利；Co具有较明显的促进γ’析出的能力，Co的提高对提高合金强度有利。综合考虑密度与强度的要求，本专利技术Co含量确定为5-20％。W：是提高密度的主要元素，固溶在Ni基体中，不仅提高密度，易可通过时效析出强化，理论上W含量越高越好，但W在Ni中固溶度有限，最高不超过40％，如果过低，密度达不到9.0g/cm3，因此在本专利范围，W含量限定为15-35％。Ti：加入一定量Ti会在时效过程中析出γ’相，可有效提升力学性能，但过多会严重降低塑韧性，因此本专利技术控制在3％以内。Al：加入一定量Al会在时效过程中析出γ’相，可有效提升力学性能，但过多会严重降低塑韧性，因此本专利技术控制在3％以内。Nb：加入一定量Nb会在时效过程中析出γ’相，可有效提升力学性能，但过多会严重降低塑韧性，因此本专利技术控制在8％以内。本专利技术的高密度超高强度耐热合金易于采用真空感应+真空自耗重熔或电渣重熔工艺，工艺中控制的技术参数如下：钢锭进行1200—1250℃均匀化处理，8小时≤扩散时间≤100小时，装炉温度≤600℃；加热温度：1180－1220℃，1180℃≤开锻温度≤1220℃，800℃≤终锻温度≤900℃；最终热处理：加热到480-600℃，热透后5小时≤保温时间≤20小时，空冷；或进行二次时效处理。根据上述化学成分及生产方法所制备的本专利技术合金，具有高密度、高韧性和超高强度的优点，具体的性能为：密度达到9.0-11.0g/cm3、冲击韧性达到80J/cm2以上、抗拉强度达到1500MPa以上与现有技术相比，本专利技术综合性能优良，具有更高的强度和冲击韧性，组织一致性和均匀性好，可采用常规工艺生产。附图说明图1为W93合金粉末冶金金相本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种高密度超高强度Co增强镍基高钨耐热合金，该合金的化学组成成分重量％为：Co 5‑20％，W 15‑35％,其他可含有Ti 0‑3％,Al 0‑3％和Nb 0‑8％，其余为Ni和其他不可避免的杂质元素及微量元素。
【技术特征摘要】
1.一种高密度超高强度Co增强镍基高钨耐热合金，其特征在于，该合金的化学组成成分重量％为：Co5-20％，W25-35％,其他还含有Ti1-3％,Al0-3％和Nb3-8％，其余为Ni和其他不可避免的杂质元素及微量元素；制备工艺采用真空感应+真空自耗重熔或电渣重熔；工艺中控制的技术参数如下：合金锭进行1200～1250℃均匀化处理，8小时≤扩散时间≤100小时，装炉温度≤600℃；加热温度：1180～1220℃，1180℃≤开锻温度≤1220℃，800℃≤终锻温度≤900℃；最终...
【专利技术属性】
技术研发人员：王春旭，厉勇，谭成文，刘少尊，于晓东，王富耻，黄顺喆，韩顺，刘宪民，李建新，庞学东，
申请(专利权)人：钢铁研究总院，
类型：发明
国别省市：北京;11
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