一种高强度、抗氧化的钴基高温合金的制作方法

文档序号:9368143阅读:487来源:国知局
一种高强度、抗氧化的钴基高温合金的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于高温合金技术领域,特别是涉及一种利用y'相强化的高强度、抗氧 化钴基高温合金。
【背景技术】
[0002] 高温合金部件是燃气涡轮航空发动机中的核心热端部件,其所能承受的温度和高 温强度水平直接决定了发动机的性能水平。目前航空发动机中所采用的热端材料主要以由 Ni3Al型y'相强化的Ni基高温合金和利用固溶强化的Co基高温合金为主。随着发动机 性能要求不断提升,高温材料需要更高的承温能力和更强的高温力学性能。为此,人们不断 提高镍基合金的Al、Ti、Nb等元素含量,以提高Y'强化相的数量。但是,合金化程度的提 高必将会带来偏析严重、热加工窗口变窄而导致镍基变形高温合金"难变形"问题,即生产 成材率较低、且尚难生产较大尺寸的涡轮盘。"高强度"镍基高温合金"难变形"的问题迫切 需要解决。同时,钴基高温合金由于仅仅利用固溶强化和碳化物强化,因此其强度一直都迫 切需要进一步提升。

【发明内容】

[0003] 本发明的目的在于提供一种高强度、抗氧化的钴基高温合金,用纳米析出相Y' 相强化的高强抗氧化钴基高温合金,满足了发动机热端部件的实际服役条件,即同时获得 具有优良的高温强度和优良的抗氧化性。新型Y'相强化的钴基高温合金不仅具有比传统 钴基高温合金高温强度更高的优点,同时具有较宽的热加工窗口和较窄的凝固区间,因此 这种新型钴基高温合金还具有良好的凝固特性和热加工性能。
[0004]本发明的化学成分(质量% ):C0.02-0. 10,Al2.5-6,W12-18,Cr5-10,Ni 25-45,Ti0.5-4,B0.001-0. 008,S<0.03,P<0.03,余量为Co。其热处理工艺是在 1250-1300°C固溶处理,并在800-950°C时效处理。
[0005] 本发明的钴基高温合金,是利用稳定析出的Ll2结构的Co3(A1、W)型Y'相来获 得优异的高温强度。相比传统Ni基合金,Y'相强化的新型Co基合金具有如下特点:(1) 在使用温度区间可具有更高的T'强化相体积分数,产生更高的强化效果;(2)Y'强化 相回溶温度相对低、初熔温度更高,使合金的热加工温度窗口较大;(3)初熔/全熔温度区 间较窄,凝固偏析倾向较小。
[0006] 本发明高强抗氧化钴基高温合金的成分特点考虑了如下因素:
[0007] 镍:Ni是保证形成奥氏体的重要元素与Cr元素配合以保持高的抗氧化腐蚀性能; Ni元素的添加可以扩大y+丫'两相区,稳定丫'相,因此Ni含量在25%以上。
[0008] 铝:Al在本发明中是一个重要的强化相形成元素,它主要与Co和W形成Ll2结构 的强化相,获得稳定、细小的强化相而产生良好的强化效果。
[0009] 钨:W在本发明中也是一个重要的强化相形成元素,它与Co和Al形成均匀分布的 Co3(A1,W)型y'强化相,同时它也能起到一定固溶强化的效果,最终获得高强度的钴基高 温合金。利用Co3 (Al,W)型y'强化相获得材料的高温强度是本发明合金设计中的特点之 O
[0010] 钛:Ti元素在本发明中能够起到稳定丫'强化相,同时获得更多数量丫'相的作 用,进一步提高材料的高温强度,这也是本发明组织设计中的特点之一。
[0011] 铬:Cr是提高抗氧化腐蚀性能的主要元素,在蒸汽氧化的条件下可以形成富Cr的 致密氧化层,保护材料不被进一步氧化,因此应保证Cr含量在5%以上;同时Cr能与C元 素形成碳化物,可以在晶内析出,起到第二相强化的效果,亦可在晶界析出,起到钉扎晶界 的作用,使材料获得良好的强度。在这种新型钴基高温合金中添加Cr元素以提高材料的抗 氧化性能,这也是本发明成分设计的特点之一。
[0012] 硫:S是高温合金中一种有害杂质元素,特别是对热塑性不利,因为S偏聚晶界,降 低晶界结合力,致使高温持久强度降低。本发明要求S控制在0. 03%以下尽可能低的含量。
[0013] 磷:P是高温合金中一种有害杂质元素,会产生一定的脆性。P也是偏聚晶界的不 利杂质元素。本发明要求P控制在0. 03%以下尽可能低的含量。
[0014] 硼:B是一种强化晶界有效的微量有利元素。硼偏聚晶界一方面能控制晶界M23C6 碳化物的形貌,另一方面硼有强化晶界的作用而增加合金的持久强度。但是过量的B会产 生过多的硼化物共晶反而削弱晶界结合力。因此,B的加入要适量,本发明中B的含量要控 制在0. 001-0. 008 %范围内。
[0015] 碳:C的添加一方面可以稳定奥氏体组织,另一方面会形成碳化物析出强化,本发 明要求C控制在0.02-0. 10%范围内。
[0016] 本发明是合理配比A1、W元素含量以获得稳定析出的丫'强化相,在此基础上添加 适量的Ti兀素进一步提尚y'强化相的数量,同时添加Cr兀素提尚材料的抗氧化性能,最 终获得同时具备优良的高温强度和良好的抗氧化性能的新型钴基高温合金。
【附图说明】
[0017] 图1为纳米析出相Ll2Sy'相的扫描电镜照片。
【具体实施方式】
[0018] 现将本发明用实施例来作详细描述。实施例是对本发明实施方式及过程的一种描 述,并不对本发明的范围有任何限制。
[0019] 根据本发明的成分范围,对本发明新型钴基高温合金做了多组实施例。实施例中 将利用y'相强化的钴基高温合金和传统钴基高温合金HayneslSS进行对比,显现出新合 金良好的高温强度。
[0020] 表1为实施例和比较例(Haynesl88)的成分(质量% )
[0021]
[0022] Haynesl88 中Fe含量为I. 46%,La含量为 0? 082%。
[0023] 表2为本发明新合金高强抗氧化钴基高温合金与Haynesl88钴基高温合金拉伸性 能对比
[0024]
[0025] 表2中本发明新合金的拉伸性能试验数据表明该新钢种具有优异的高温强度,这 是本发明的一大优点。
[0026] 本发明的合金还具有下述优点,其热加工窗口约为350°C,随着成分的变化,其热 加工窗口略有变化。与传统镍基合金相比(热加工窗口在l〇〇°C左右),这种新型钴基高温 合金的热加工窗口明显宽于镍基高温合金,因此该新合金具有良好的热加工性能,这是本 发明的一大优点。
【主权项】
1.一种高强度、抗氧化的钴基高温合金,其特征在于,化学成分质量%为:c 0.02-0. 10, Al 2. 5-6, W 12-18, Cr 5-10, Ni 25-45, Ti 0.5-4, B 0.001-0. 008, S <0.03, P < 0. 03,余量为Co ;其热处理工艺是在1250-1300°C固溶处理,并在800-950°C时效处理。
【专利摘要】一种高强度、抗氧化的钴基高温合金,属于高温合金技术领域。合金的化学成分质量%为:C?0.02-0.10,Al?2.5-6,W?12-18,Cr?5-10,Ni?25-45,Ti?0.5-4,B?0.001-0.008,S<0.03,P<0.03,余量为Co。其热处理工艺是在1250-1300℃固溶处理,并在800-950℃时效处理。新型γˊ相强化的钴基高温合金不仅具有比传统钴基高温合金高温强度更高的优点,同时具有较宽的热加工窗口和较窄的凝固区间,因此这种新型钴基高温合金还具有良好的凝固特性和热加工性能。
【IPC分类】C22C19/07
【公开号】CN105088018
【申请号】CN201510574406
【发明人】于鸿垚, 毕中南, 唐超, 杜金辉, 吕旭东
【申请人】钢铁研究总院, 北京钢研高纳科技股份有限公司
【公开日】2015年11月25日
【申请日】2015年9月10日
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