一种燃机动叶片用钴镍基高温合金及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种燃机动叶片用钴镍基高温合金及其制备方法，属于高温合金领域。其化学成分按质量百分比计，Al：3～5％，W：4～8％，Ti：0.5～3％，Ta：6～12％，Ni：25～35％，Cr：8～12％，Nb：0～5％，Mo：0～1.5％，Re：0～3％，C：0～0.1％，B：0～0.1％，Si：0～0.5％，余量Co，并且按质量百分比满足Al+Cr≥12.5％，12％≤Al+Ti+Ta+Nb≤18％，13％≤W+Ta≤16％。本发明专利技术采用真空感应炉进行熔炼，在1200～1250℃进行固溶，随后在900～1050℃进行一级时效热处理，在750～850℃进行二级时效热处理。本发明专利技术合金的标准态γ

【技术实现步骤摘要】
一种燃机动叶片用钴镍基高温合金及其制备方法


[0001]本专利技术属于高温合金
，涉及一种具有优异的组织稳定性、良好的抗氧化性能及高温强度的γ
′
相强化钴镍基高温合金及其制备方法。

技术介绍

[0002]高温合金以其优异的高温强度、良好的抗氧化和抗热腐蚀性能以及优异的疲劳性能、断裂韧性和塑性等综合性能，成为航空航天工业中发动机和工业用燃机热端部件不可替代的关键材料。在二十世纪三十年代到五十年代，仅依靠固溶强化及碳化物强化的传统钴基高温合金得到开发，并率先在航空发动机热端部件上得到应用。但是，由于缺乏更为有效的沉淀强化机制，钴基高温合金逐渐被拥有γ
′
相沉淀强化机制的镍基高温合金取代。然而，与镍基高温合金相比，钴基高温合金具有更高的熔点、更好的抗热腐蚀、抗热疲劳以及焊接性能，这使得在钴基高温合金中引入γ
′
相沉淀强化的探索从未停止。
[0003]直到2006年，Sato等人在Co
‑
Al
‑
W三元合金系中重新发现了γ
′‑
Co3(Al,W)相的存在，其稳定存在温度高达990℃，且Co
‑
9.2Al
‑
9W三元合金的屈服强度与商用镍基高温合金Waspaloy相当[Sato J,Omori T,Oikawa K,et al.Cobalt
‑
base high
‑
temperature alloys[J].Science,2006,312(5770):90
‑
91.]。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Ren
é
N4相当。γ
′‑
Co3(Al,W)相的发现，意味着这种新型γ
′
相强化钴基高温合金可以同时具有优异的力学性能和良好的环境抗力，从而更适合应用在航空发动机和燃机的热端部件上，有望成为新一代的高温结构材料。但是，现有的Co
‑
Al
‑
W基合金在高温易析出有害二次相，粗化速率普遍高于镍基高温合金，组织稳定性差。其合金密度大部分高于9.3g cm
‑3，高于先进镍基高温合金(7.9～9.2g cm
‑3)，并缺乏足够的抗氧化元素铬和铝，这些都限制了钴基高温合金在燃机中的工程应用。
[0004]研究表明，添加一定含量的Ni能够有效扩大γ+γ
′
两相区[Shinagawa K,Omori T,Sato J,et al.Phase equilibria and microstructure onγ'phase in Co
‑
Ni
‑
Al
‑
W system[J].Materials Transactions,2008,49(6):1474
‑
1479.]。因此，一般γ
′
相强化钴基高温合金中都会加入25％至35％的Ni来扩大γ+γ
′
两相区，以进一步提高其合金化的能力[Titus M S,Suzuki A,Pollock T M.High temperature creep of new L12containing cobalt
‑
base superalloys[C].Superalloys 2012.Champion,PA,2012:823
‑
832.]。Cr是有效提高γ
′
相强化钴基高温合金抗氧化和抗腐蚀性能的合金化元素，但是，Cr的添加也会严重降低合金的γ
′
相稳定性，并促进有害二次相析出[Ooshima M,Tanaka K,Okamoto N L,et al.Effects of quaternary alloying elements on theγ'solvus temperature of Co
‑
Al
‑
W based alloys with FCC/L1
2 two
‑
phase microstructures[J].Journal of Alloys and Compounds,2010,508(1):71
‑
78.]。当前的钴镍基合金，大部分是针对航机叶片设计，追求更高的γ
′
相体积分数及溶解温度，但是合金的粗化速率高，不适合用于需要长时稳定服役的燃机合金材料。
[0005]较高的Cr含量是本专利技术合金一个重要特点。截止目前，已有的高Cr含量钴镍基高温合金专利，多为针对燃机涡轮盘用的钴基变形高温合金，目标服役温度较低。英国D.Dye课题组的钴基变形高温合金的成分特点是高的Ni、Al、Cr含量；其中，Ni含量与Co含量相当，Al+Cr总量超过17.7％，但合金中不添加Ti元素，其γ
′
相强化相形成元素如Al+Ta的总含量较低，为7.8％[Knop M,Mulvey P,Ismail F,et al.A new polycrystalline Co
‑
Ni superalloy[J].JOM,2014,66(12):2495
‑
2501.]。中国付华栋课题组的钴基变形合金与本专利技术相比Ta，W的含量较低且不含Re元素，合金成分特点是含有更多的Mo元素，强调了Mo元素的作用，用Mo替换部分W元素，用于降低合金密度。但是，Mo对合金的高温抗氧化性能不利[付华栋，谢建新，张毅，一种低密度、高组织稳定性的钴基高温合金及其制备方法CN 108385010 A]。本课题组之前专利技术的高Cr含量钴基变形合金成分特点Ta含量较低，为1.5～6％，且不含Mo、Re元素，这主要是为了降低合金密度[李龙飞，冯强，庄晓黎,一种钴基高温合金及其制备方法CN109321786A]。目前，还未见专门针对燃机动叶片用钴镍基成分的公开报道。
[0006]综上所述，目前针对高铬含量钴镍基合金的研究重点是：在保持合金高组织稳定性的前提下，将其目标服役温度提高至900～1000℃，并同时提高合金抗氧化性能、高温强度。为了实现钴镍基合金在燃机动叶片上的工程化应用，仍需对合金成分和制备工艺进行设计，来解决以下目前存在的问题：
[0007](1)低组元Co
‑
Al
‑
W基合金密度偏高，组织稳定性及抗氧化性能较低；
[0008](2)高铬燃机用钴镍基高温合金的γ
′
强化相溶解温度及体积分数偏低。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的是提供一种组织稳定性高、抗氧化性能优异、高温强度高以及密度较低，综合性能良好的燃机动叶片用γ
′
相强化钴镍基高温合金及其制备方法。经过熔炼、固溶本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃机动叶片用钴镍基高温合金，其特征在于，其化学成分按质量百分比计，包含Al：3～5％，W：4～8％，Ti：0.5～3％，Ta：6～12％，Ni：25～35％，Cr：8～12％，Nb：0～5％，Mo：0～1.5％，Re：0～3％，C：0～0.1％，B：0～0.1％，Si：0～0.5％，余量Co，并且按质量百分比应满足Al+Cr≥12.5％，12％≤Al+Ti+Ta+Nb≤18％，13％≤W+Ta≤16％，通过固溶和时效热处理后，使所得到的钴镍基高温合金在900～1000℃形成稳定的γ/γ
′
两相组织。2.如权利要求1所述的燃机动叶片用钴镍基高温合金，其特征在于，所述合金为γ/γ
′
两相组织，分别为A1晶体结构的γ基体相和L12晶体结构的γ
′
析出相，其中γ
′
强化相形貌呈圆角立方状且标准态体积分数大于55％。3.权利要求1或2所述燃机动叶片用钴镍基高温合金的制备方法，其特征在于，具体制备及标准热处理工艺包含以下步骤：(1)配料：按上述成分配比秤取高纯度的Co、Al、W、Ti、Ta、Ni、Cr、Nb、Mo、Re、C、B、Si单质材料，成分配比为Al：3～5％，W：4～8％，Ti：0.5～3％，Ta：6～12％，Ni：25～35％，Cr：8～12％，Nb：0～5％，Mo：0～1.5％，Re：0～...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯强，张晓瑞，李龙飞，邹敏，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：