专利名称：一种组织稳定性好、易加工的镍钴基高温合金的制作方法
技术领域：
本发明属于镍基高温合金领域，具体为一种组织稳定性好(无Ni3Ti相析出)、易加工的镍钴基高温合金，该合金可以用铸造+锻造(C&W)工艺和粉末冶金工艺进行加工，主要适用于高温下(750°c )承受高应力的零部件，如航空发动机中的涡轮盘和叶片材料。
背景技术：
随着发动机性能的不断改进，涡轮部件的工作温度和应力也越来越高，对涡轮盘材料的承温要求也越来越高。从目前的研究进展看，采用成本低廉的制造技术来发展使用温度更高、裂纹扩展速率低、强度高、工艺性能好的涡轮盘合金将是未来数十年国际上的发展方向。一般来讲，典型的涡轮盘合金含有0-20wt. % Co和0-5wt. % Ti，其加工工艺主要有铸造+锻造(C&W)工艺和粉末冶金(P/M)工艺两种。最近下列文献中(文献 1 :C. Y. Cui, Y. Gu,H. Harada and A. Sato,Microstructure and yield strength of Udimet 720Li alloyed with Co-16. 9wt. % Ti, Metallurgical and Materials Transactions A,2005,36(1)p. 2921 ；文献 2 :Υ· Gu, H. Harada, C. Cui, D. Ping, Α. Sato and J. Fujioka, New Ni-Co base disk superalloys with higher strength and creep resistance, Scripta Materialia, 2006, 55 (9), p. 815 ；文献 3 :日本专利W02006/059805)，提出了一种新的涡轮盘合金设计观点在具有γ/γ'结构的镍基盘合金基础上(例如U720LI，RR1000，ME3，IN718)加入适量具有υ/υ ‘结构Co-Ti合金， 发展成为一种新合金TMW。TMW合金中的钴含量为22-31wt. %，钛含量为5. 1-7. 4wt. %，它们的含量均高于现在使用的涡轮盘合金。新发展的TMW合金可以通过传统的铸造+锻造工艺进行加工。由于TMW合金中含有大量易形成η相的钛元素，TMW合金中往往会发现η相。η 相主要是以片层状或块状的形式存在于TMW合金中，形成的η相会降低合金的热加工性能。因此，如何消除TMW合金中的η相是充分发挥这种合金性能潜力的关键因素之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种组织稳定性好(无Ni3Ti相析出)、易加工的含Ru镍钴基高温合金，在保证合金高承温能力的情况下，使本发明合金的组织稳定性(无Ni3Ti相析出)和可加工性有明显提高。本发明的技术方案是一种组织稳定性好、易加工的镍钴基高温合金，可以为如下之一(1)按重量百分比计，其化学成分为Ru 0.1 10%，Co 22 !35%，Cr 10 20%,Ta 0. 10 5%，W 0. 10 5%，Mo 0. 10 5%，Ti 3 10%，A10. 2 5%，Zr 0. 01 0. 10%, V0. 10 1%，NbO. 10 ~ 5%, Hf 0. 1 2%，C 0. 005 0. 15%, Fe 0 ~ 2%, Mg 0. 01 0. 1 %, MnO. 05 0. 50%, B 0. 005 0. 1%，余量为 Ni。(2)按重量百分比计，其化学成分为Ru 0. 1 5%，Co 22 30%，Cr 12 18%，TaO. 10 5%，W 0. 10 5%，Mo 0. 10 5%，Ti 3 10%，A10. 2 5%，Zr 0. 01 0. 10%, V0. 10 1%，NbO. 10 ~ 3%, Hf 0. 1 1%，C 0. 005 0. 15%, Fe 0 ~ 2%, Mg 0. 01 0. 1 %, MnO. 05 0. 50%, B 0. 005 0. 1%，余量为 Ni。(3)按重量百分比计，其化学成分为Ru 0. 1 5%，Co 22 ^%，Cr 12 17%， TaO. 10 3%，W 0. 10 4%，Mo 0. 10 4%，Ti 3 ~ 7%, Al 0. 2 5%，Zr 0. 01 0. 10%, V0. 10 l%，NbO. 10 2%，Hf 0. 1 0. 5%, C 0. 005 0. 15%, Fe 0. 1 2%， Mg 0. 01 0. 1%, Mn 0. 05 0. 50%, B 0. 005 0. 1%，余量为 Ni。(4)按重量百分比计，其化学成分为Ru 0.5 2.5%，Co 22 23. 1 %，Crl6. 4
16.8%, W 1.2 1·3%，Μο 3 3.2%，Ti 5. 4 6. 0 %，All. 8 1. 9 %，Zr 0. 02 0. 03%, CO. 02 0. 03%, Mg 0. 01 0. 1%, B 0. 01 0. 02%，余量为 Ni。(5)按重量百分比计，其化学成分为Ru 0. 5 4%，Co 25 洸.5%，Cr 14 15%，W1. 0 1. 2%，Mo 2.8 3.2%，Ti 5. 7 6. 1 % ,All. 8 2. 0%，Zr 0.02 0.03%， C 0. 02 0. 03%, Mg 0. 01 0. 1%, B 0. 01 0. 02%，余量为 Ni。(6)按重量百分比计，其化学成分为Ru 4%, Co 27 四％，Cr 12. 3 12. 8%, W1.0 1.2%，Mo 2. 3 2.5%，Ti 7 7. 4%，All. 8 2. 0 %，Zr 0.02 0.03%，C 0. 02 0. 03%, MgO. 01 0. 1%, B 0. 01 0. 02%，余量为 Ni。(7)按重量百分比计，其化学成分为Ru 0. 1 10%，Co 23. 1 55%，Cr 2 25%, Ta 0. 10 10%，W 0. 10 10%，Mo 0. 10 10%，Ti 3 15%，A10. 2 7%，Zr 0. 01 0. 5%, V0. 10 2%，Nb 0. 10 5%，HfO. 1 2%，C 0. 005 0. 15%, Fe 0. 1 2%, Mg 0. 01 0. 1 %, MnO. 1 0. 50%, B 0. 005 0. 1%，余量为 Ni。本发明合金的晶粒尺寸为ASTM2到ASTM12，可以制备航空发动机用涡轮盘。(8)按重量百分比计，其化学成分为Ru 0. 5 4. 0%，Co 22 沘％，Cr 12. 0
17.0%, W 1. 0 1. 3%，Mo 2. 3 3. 2%，Ti 5. 4 7. 4%, Al 1. 8 2. 0%, Zr 0. 02 0. 03%, C 0. 02 0. 03%, B 0. 01 0. 02%，余量为 Ni。本发明合金可以采用真空感应炉熔炼，通过铸造+锻造(C&W)的工艺制备产品，或者通过粉末冶金(P/M)的工艺制备产品。本发明中的合金元素作用及其成分范围的选择陈述如下Ru是一种有效地固溶强化元素，可以抑制TCP相析出，明显改善高温蠕变强度。当 Ru加入量小于4%，可以满足抑制η相析出以及提高合金可加工性的要求。然而，如果Ru 含量高，会极大地提高合金成本。因此，Ru的加入量不能过高，控制在0 10%左右，最好控制在0. 1 4%之间。为了保证合金具有良好的蠕变阻力、较低的疲劳裂纹扩展速率、良好抗氧化及耐腐蚀，合金中至少含有10% Cr。但过量加入Cr，会使合金中析出有害相TCP (O相)，从而降低合金的塑性、蠕变性能以及强度。因此，Cr的加入量不能过高，控制在10 20%左右， 最好控制在11 17%之间。Al和Ti是Y ’相形成元素，对合金具有时效沉淀强化作用，保证合金具有高的高温强度和持久性能。合金中Ti含量以及Ti/Al比例高，易形成有害相η相，影响合金的热加工性能。此外，加入Ti提高了合金中γ'相溶解温度，减小了合金的热加工窗口，从而恶化了合金的热加工性能。因此，Al的加入量控制在0. 2 5%左右，最好控制在1. 8 2. 5%之间。Ti的加入量控制在3 10%左右，最好控制在5 8%之间。Co是本发明合金中非常重要的元素。Co能降低合金的层错能、提高合金的组织稳定性以及蠕变性能；加入Co还能降低沉淀强化相Y'的溶解温度，从而扩大合金的热加工窗口温度，提高合金的可加工性能。因此，Co的加入量控制在22 35%左右，最好控制在 22 28%之间。W元素进入Y基体和Y ‘沉淀相中，能同时提高两相的强度。此外，W还能提高合金的蠕变性能。然而，W元素具有比重较重、容易引起缺口敏感性以及易形成TCP相等缺点。因此，W的加入量控制在0. 1 5%左右，最好控制在1. 0 1. 3%之间。Mo是强固溶强化元素，主要偏聚在Y ‘相中。Mo能提高合金的拉伸强度和蠕变性能，同时Mo还能降低合金的缺口敏感性。但过量加入Mo会导致有害相TCP的析出。因此控制Mo的含量在在0. 1 5 %，最好控制在2. 3 3. 2 %。C，B, Zr都偏聚于晶界，能提高合金的热塑性和高温蠕变强度。上述各合金元素的合理配比是本发明合金获得良好综合性能的保证。本发明的有益效果是1、本发明在单晶高温合金中添加Ru元素可以提高含Re合金的组织稳定性，抑制有害相TCP的析出。Ru因此被添加进高温合金，极大地高温合金的承温能力。加入Ru还可以对基体产生固溶强化，随着温度升高，组织稳定能力升高，强化能力减弱。此外，在多晶高温合金(U720Li)中添加Ru元素，由于Ru的扩散速率较低，可以抑制γ'相的粗化速率。2、本发明在TMW合金的基础上加入Ru，抑制η相的析出，在保持合金高的承温能力条件下，提高合金的可加工性能。3、本发明合金具有优异的可加工性能，适用于制备航空发动机多晶部件，例如高压涡轮盘以及叶片材料。4、本发明合金在800°C以下TCP相无明显析出。
图1 (a)-(b)为本发明合金实施例7和对比合金3的显微组织。其中，(a)图为对比合金3;(b)图为实施例7。图2为本发明合金实施例7和对比合金3的XRD衍射图，热处理条件是1135°C， 120小时。图3为本发明合金实施例7和对比合金3经1135°C /120h时效后的组织形貌。其中，(a)图为对比合金3; (b)图为实施例7。图4为η相形成的TTT曲线。其中，(a)图为本发明合金实施例6和对比合金2 ； (b)图为本发明合金实施例7和对比合金3。图5在ΙΙΟΟ /Ο.ΟΙ Γ1条件下，样品经热加工变形后的形貌。其中，(a)图为实施例7 ;(b)图为比较合金3。
具体实施例方式本发明采用真空感应炉熔炼，浇铸成化学成分如表1所示合金。表1本发明合金和对比合金的化学成分(wt. % )
权利要求
1.一种组织稳定性好、易加工的镍钴基高温合金，其特征在于，按重量百分比计，其化学成分为Ru 0. 1 10%，Co 22 ；35%，Cr 10 20%，Ta 0. 10 5%，W0. 10 5%， Mo 0. 10 5%，Ti 3 10%，A1 0. 2 5%，Zr 0. 01 0. 10%,V 0. 10 l%，NbO. 10 5%, HfO. 1 2%，C 0. 005 0. 15%, Fe 0 2%，Mg 0. 01 0. 1%,Μη 0. 05 0. 50%, B0. 005 0. 1%，余量为 Ni。
2.—种组织稳定性好、易加工的镍钴基高温合金，其特征在于，按重量百分比计，其化学成分为Ru 0. 1 5%，Co 22 30%，Cr 12 18%，Ta 0. 10 5%，W 0. 10 5%， Mo 0. 10 5%，Ti 3 10%，A10. 2 5%，Zr 0. 01 0. 10%,V 0. 10 l%，Nb 0. 10 3%, HfO. 1 1%，C 0. 005 0. 15%, Fe 0 2%，Mg 0. 01 0. 1%，Μη 0. 05 0. 50%, B 0. 005 0. 1%，余量为 Ni。
3.—种组织稳定性好、易加工的镍钴基高温合金，其特征在于，按重量百分比计，其化学成分为Ru 0. 1 5%，Co 22 ^%，Cr 12 17%，Ta 0. 10 3%，W 0. 10 4%，Mo 0. 10 4%，Ti 3 7%,Al 0.2 5%,Zr 0. 01 0. 10%，V 0. 10 l%，Nb 0. 10 2%， HfO. 1 0. 5%，C 0. 005 0. 15%,Fe 0. 1 2% ,Mg 0. 01 0. 1%，Mn 0. 05 0. 50%, B0. 005 0. 1%，余量为 Ni。
4.一种组织稳定性好、易加工的镍钴基高温合金，其特征在于，按重量百分比计，其化学成分为Ru 0. 5 2. 5%，Co 22 23. 1%，Crl6. 4 16. 8%，W 1. 2 1. 3%，Mo3 3. 2%,Ti 5.4 6·0%，Α1 1.8 1.9%，Zr 0.02 0.03%，C 0· 02 0· 03%，Mg 0· 01 0. 1%, BO. 01 ~ 0. 02%，余量为 Ni。
5.一种组织稳定性好、易加工的镍钴基高温合金，其特征在于，按重量百分比计，其化学成分为Ru 0. 5 4%，Co 25 洸.5%，Cr 14 15%，W 1. 0 1. 2%,Mo2. 8 3. 2%， Ti 5. 7 6. 1%，A11. 8 2. 0%，Zr 0. 02 0. 03%，C 0. 02 0. 03%，Mg 0. 01 0. 1%， B 0. 01 0. 02%，余量为 Ni。
6.一种组织稳定性好、易加工的镍钴基高温合金，其特征在于，按重量百分比计，其化学成分为Ru 4%, Co 27 29%，Cr 12. 3 12.8%，W 1. 0 1. 2%，Mo2. 3 2. 5%， Ti 7 7. 4%，All. 8 2. 0%，Zr 0. 02 0. 03%, C 0. 02 0. 03%, Mg 0. 01 0. 1%， BO. 01 0. 02%，余量为 Ni。
7.—种组织稳定性好、易加工的镍钴基高温合金，其特征在于，按重量百分比计，其化学成分为Ru 0. 1 10%，Co 23. 1 55%，Cr 2 25%，Ta 0. 10 10%，W0. 10 10%， Mo 0. 10 10%，Ti 3 15%，A10. 2 7%，Zr 0.01 0.5%，V 0. 10 2%，NbO. 10 5%,HfO. 1 2%，C 0. 005 0. 15%，Fe 0. 1 2%，Mg 0. 01 0. 1%，Μη 0. 1 0. 50%， B0. 005 0. 1%，余量为 Ni。
8.—种组织稳定性好、易加工的镍钴基高温合金，其特征在于，按重量百分比计，其化学成分为:Ru 0. 5 4. 0%，Co 22 28%, Cr 12. 0 17. 0%，W 1. 0 1. 3%，Μο2· 3 3. 2%, Ti 5. 4 7. 4%，All. 8 2. 0%，Zr 0.02 0.03%，C 0.02 0.03%，B 0. 01 0. 02%，余量为Ni。
9.一种组织稳定性好、易加工的镍钴基高温合金，其特征在于，合金的晶粒尺寸为 ASTM2到ASTM12，用于制备航空发动机用涡轮盘或叶片材料。
全文摘要
本发明属于镍基高温合金领域，具体为一种组织稳定性好(无Ni3Ti相析出)、易加工的镍钴基高温合金，该合金可以用铸造+锻造(C&W)工艺和粉末冶金工艺进行加工，主要适用于高温下(750℃)承受高应力的零部件，如航空发动机中的涡轮盘和叶片材料。按重量百分比计，其化学成分为Ru 0.1～10％，Co 22～35％，Cr 10～20％，Ta 0.10～5％，W 0.10～5％，Mo 0.10～5％，Ti 3～10％，Al0.2～5％，Zr0.01～0.10％，V 0.10～1％，Nb 0.10～5％，Hf 0.1～2％，C 0.005～0.15％，Fe 0～2％，Mg0.01～0.1％，Mn 0.05～0.50％，B 0.005～0.1％，余量为Ni。本发明合金是在含高Co和Ti的TMW合金基础上加入Ru元素，在保证合金高承温能力的情况下，使合金的组织稳定性(无Ni3Ti相析出)和可加工性有明显提高。
文档编号C22C19/05GK102443721SQ20101050522
公开日2012年5月9日 申请日期2010年10月13日 优先权日2010年10月13日
发明者孙晓峰, 崔传勇, 金涛 申请人:中国科学院金属研究所