一种高强度沉淀强化钴基单晶高温合金及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及钴基单晶高温合金及其制备技术领域，具体涉及一种高强度沉淀强化 钴基单晶高温合金及其制备方法，所制备的钴基单晶高温合金用于涡轮工作叶片和导向叶 片材料。
【背景技术】
[0002] 为了提高航空运输经济效益，减少温室气体排放，需要大幅提高航空发动机燃油 效率和涡轮前进口温度，这促使涡轮叶片合金高温性能不断提高。镍基高温合金在燃气涡 轮发动机已成功应用了几十年，主要由于在面心立方（fee)γ-Ni基体中均匀分布着立方 的共格Ll2结构的γ^-Ni3(A1，Ti)沉淀强化相，因而镍基合金拥有最高的蠕变抗力和损 伤容限。但目前先进航空发动机的涡轮前进口温度已近2000K，超过了最先进的镍基单晶合 金熔点，因而镍基高温合金的发展出现了瓶颈，研发新体系的高温合金迫在眉睫。
[0003] 钴基合金的液相线和初熔温度比镍基合金高出约50~150K，并且具有优良的抗 热腐蚀性能、耐磨损性能、热疲劳性能和可焊性等优点。在高温条件下可以形成连续、致密 的氧化物防护膜如Co0、Cr203、Si<VFPA1 203等。相对于镍基合金表面形成的氧化物，钴基合 金氧化物热力学上更趋稳定、生长速率更慢、表面粘附力更强。但固溶强化和碳化物强化的 钴基合金力学性能低于镍基合金，限制了在关键涡轮叶片上的应用。2006年Sato等人发现 了具有γ-γ<相组织的Co-Ai-w基合金，900°c与第一代镍基单晶相近的蠕变抗力。这些 表明C0-A1-W基合金有望发展成为新的高温合金体系，因而引起高温合金研究人员广泛关 注。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种高强度沉淀强化钴基单晶高温合金及其制备方法，通 过在现有Co-Al-W合金中添加特定的合金元素，以及优化的合金制备工艺，使得本发明合 金具有高的持久强度极限和蠕变极限，同时具备优异的合金拉伸性能和持久塑性。
[0005] 本发明的技术方案是：
[0006] -种高强度沉淀强化钴基单晶高温合金，按重量百分比计，该合金化学成分如 下：
[0007] C0· 05 ~0· 9%，Cr3. 0 ~9. 0%，A1 2. 0 ~8. 0%，Ti1. 0 ~4. 0%，Ta2. 0 ~ 10. 0%，W10.0 ~16.0%，Ni2.0 ~18.0%，Co为余量。
[0008] 该钴基单晶高温合金中，4.Owt. Al+Ti< 10.Owt. %。
[0009] 该钴基单晶高温合金中，Cr含量优选为4· 0~8· 0%。
[0010] 该钴基单晶高温合金中，Α1与Ti的重量之比大于2. 0:1。
[0011] 上述高强度沉淀强化钴基单晶高温合金的制备方法为：首先在真空感应炉熔炼所 需成分的母合金，然后采用定向凝固技术制备钴基单晶高温合金叶片或试棒；所述定向凝 固技术中，单晶生长炉温度梯度范围为40~80K/cm，浇注温度为1480~1580°C，模壳温度 与饶注温度保持一致，单晶生长速率为3~8mm/min。
[0012] 该钴基单晶高温合金的热处理制度如下：
[0013] (1)固溶均匀化处理：在1290~1315°C保温4~12小时，随后进行空冷至室温；
[0014] (2)高温时效处理：在900~1100°C保温20~40小时，随后进行空冷至室温；
[0015] (3)低温时效处理：在700~900°C保温10~30小时，随后进行空冷至室温。
[0016] 本发明合金设计原理如下：
[0017] Co-Al-W基合金相图的确定是发展新合金的前提和理论依据，与Ni3Al不同，C〇3Al 相在Co-Al二元相图中不存在，但添加W后在合适的热处理条件下促使有序三元化合物 C〇3(Al，W)在面心立方γ-Co基体上析出。该C〇3(Al，W)相的强化作用和镍基高温合金的 类似，立方状的γ'与基体γ呈共格关系。成分为Co-9. 2A1-9W的合金，经过1173K的退 火热处理，室温下的X射线分析发现其晶格错配度为0. 53%，略大于一般镍基合金中γ/ γ^错配度的合理范围。DSC分析表明Co-Al-W合金中γ^相的溶解温度也和镍基合金中 的γ'相近。
[0018] 本发明通过加入较大量的错和钛元素（3.Owt.Al+Ti< 8.Owt. % )形成高体 积分数的γ^相来提高其强度；同时，保持较高的铬含量并使Al/Ti之比大于2. 0,使合金 高温条件下更好地达到完全抗氧化级。
[0019] 本发明通过加入钽可进一步增加γ'相数量，提高了γ-γ'的晶格错配度，增 强了γ'相的强化作用；加入一定量的碳，一方面来强化晶界，另一方面与钽、铬等形成较 多的碳化物来强化合金；钨、钴等合金元素主要起固溶强化合金的重要作用，W和Ta含量的 限定是增加蠕变寿命的重要参数，随着它们含量的增加蠕变寿命随之而增加。Co对合金的 热强性影响不大，但能显著提高合金的塑性，而且Co能提高高应力下的蠕变寿命。
[0020] 另外，热处理对单晶合金的持久强度有明显的影响，因此必须仔细研究单晶合金 的热处理制度，以充分发挥合金的潜力。正确的热处理制度要使立方γ'相能获得理想的 蠕变强度，原因是要促进一个均匀的变形结构，以保证低的蠕变速率。
[0021] 本发明合金试样采用定向凝固技术制备，消除了横向和纵向晶界，只加入少量的 碳强化亚晶界，从而提高了该合金的初熔温度。
[0022] 本发明具有如下优点和有益效果：
[0023] 1、本发明合金具有高的持久强度极限和蠕变极限，在1000°C使用100小时的持久 强度彡150MPa。
[0024] 2、本发明合金拉伸和持久塑性好。
[0025]3、本发明合金热处理窗口宽，固溶处理易于控制。
[0026] 4、本发明合金具有良好的工艺性能，采用该合金制备单晶，生产效率高。
【附图说明】
[0027] 图1为实施例合金经1310°C/10h固溶后在不同温度时效后组织；其中：（a)900°C 时效 12h;(b)950°C时效 12h;(c) 1000°C时效 12h;(d)900°C时效200h;(e)950°C时效200h; (f) 1000°C时效 200h;(g)900°C时效 600h;(i)950°C时效 600h;(j) 1000°C时效 600h;。
[0028] 图2为实施例合金（8Ta)与其他合金的Larson-Miller曲线。
【具体实施方式】
[0029] 以下通过附图及实施例详述本发明。
[0030] 实施例1
[0031 ] 本实施例的合金成分见表1。
[0032] 表1实施例1合金成分（wt. % )
[0033]
[0034] 实验用母合金经真空感应炉熔炼，按所述合金成分进行常规的配料和真空感应熔 炼后，浇铸成尺寸为Φ80X500mm的母合金锭，然后打磨去除氧化皮，切成合适的块料用于 制备单晶试样。
[0035] 单晶试样用常规的螺旋选晶法在定向凝固炉上进行制备。单晶生长炉（定向凝固 炉）温度梯度50K/cm左右，浇注温度1550°C，模壳温度与浇注温度保持一致；保温10分钟 后，用预定单晶生长速率为3mm/min进行抽拉，制备出定向试样。
[0036] 热处理制度如下：
[0037] (1)固溶均匀化处理：在1310°C保温4小时，随后进行空冷至室温；
[0038] (2)高温时效处理：在1100°C保温4小时，随后进行空冷至室温；
[0039] ⑶低温时效处理：在850°C保温20小时，随后进行空冷至室温。
[0040] 表2为本实施例沉淀强化钴基单晶合金初熔温度和固液相线温度等，该合金的固 液相线温度都在1420°C以上，且合金初熔温度达到1350°C，甚至比第二代镍基单晶高温合 金初熔温度提高30°C以上。这为该合