专利名称：：耐高温钴基高温合金的制作方法
技术领域：
：本发明涉及到材料技术的领域。该材料技术涉及具有y々'结构的钴基高温合金(Kobaltbasis-S邵erlegierung)，该钴基高温合金在高达约100(TC的高〗OT^E下具有很好的机械性质和良好的抗氧化性。
背景技术：
：钴基或镍基高温合金从现有技术是已知的。特别地，镍基高温合金组件(其中通常利用T^'-析出增强机制来改善高温的机械性质)在高温斜牛下尤其具有很好的材料强度，而且也具有很好的耐腐蚀性和耐氧化性，以及良好的蠕变性。根据这些性质，例如在燃气轮机使用这样的材料时，可以提高燃气轮机的进气温度，由此燃气轮机装置的效率提高了。与此不同，许多的钴基高温合金由于高熔点元素的加合金(Zulegieren)，通过碳化物析出和/或混合晶体增强而得到增强，M过与*'-镍基高温合金相比更低的高温强度表现出来。通过在大约65(TC-927。C温度范围内的二次碳化物析出，大大恶化了延展性。然而，与镍基高温合金相比较，钴基高温合金常常有禾哋具有改进的抗热腐蚀性，以及更高的抗氧化性和抗磨损性。对于汽轮机的应用来说，不同的钴基铸造合金是商业可得的，例如MAR-M302，MA-M509和X40,这些合金具有比较高的铬含量，并部分地与镍制成合金。表l列出了这些合金的名义组成。CrCoWTaMnSiCBZrM303-21.558109.0一--0.850馬0.2M50910.023.55573.50.2--0.60-0,5X-4010.525.5545.5--0.750.750.50--表1:已知的商业钴基高温合金的名义组成但是这些钴基高温合金的机械性质，特别是抗蠕变度还有待改进。近来，还获知了具有占优势的Y/Y'-组织结构的钴基高温合金，与，的商业钴基高温合金相比较，该钴基高温合金具有5爐的高温强度。4这种已知的钴基高温合金由下列组成(按原子％计):27.6Ni,12,9Ti,8.7Cr,0.8Mo,2.6Al,0.2W禾口47.2Co(D.H.Ping等人MicrostructuralEvolutionofaNewlyDevelopedStrengthenedCo-baseS叩eralloy，VacuumNanoelectronicsConference,2006和the50thInternationalFieldEmissionSymposium.,IVNC/IFES2006,TechnicalDigest.19thInternationalVolume,Issue,2006年7月，第513-514贞)。在这种合金的场合下，铬和镍的含量也相当的高，此外还附加地含有钛。这种合金的结构主要由典型的y/y'-结构组成，这种结构具有六角形的带似平板形态的(Co,Ni)311-化合物，其中后者对高温性质具有负面影响，因此这种合金被限制应用于温度低于80(tc的条件。，此外，Co-A1-W-基y/y，-高温合金也是已知的(AkaneSuzuki,GarretC.DeNolf,和TresaM.Pollock:HighTemperatureStrengthofCo-based丫/丫，画S叩eralloys,Mater.Res.Soc.Symp.Proc.第980巻，2007,MaterialsResearchSociety)。这里研究的合金总具有9原子％的铝和9-11原子％鸨。此时，还选择性地附加了2原子％钽或2原子％铼。由此文件表明，将钽添加到三元Co-Al-W合金中使得7'-相稳定化，这里说明，三元体系(也就是不含钽)具有近似的棱长约150和200纳米的立方形f-析出，而在额外含有2原子％钽的合金中，此合金的结构具有棱长约400纳米的立方形y，-析出。本发明的目的在于避免现有技术的已知缺点。本发明基于开发钴基高温合金的任务，该钴基高温合金特别在高达约100(tc的高使用、，下具有改进的机械性质和好的抗氧化性。该合金也应该im地适合于制造单晶部件。根据本发明的任务由如下方式得到解决，钴基高温合金具有下列的化学组
发明内容成(数据以重量％计)25-28W,3-8Al,0.5-6Ta,0-3Mo,0.01-0.2C,0.01-0.1Hf,0.001-0.05B,0.01-0.1Si其余为钴和制造弓胞的杂质。该合金由立方面心，钴基质相和高的f-相C03(A1，W)的体积份额组成的，该合金通过钽稳定化。y'-析出是很稳定的，并导致了材料的增强，这特别在高温下对性质(蠕变性，氧化行为)产生了正面的影响。该钴高温合金即不含Cr也不含M，但为此有相当高份客页的W。这种高份额的鸨(25-28重量％)导致了y'-相进一步增强，因iltt需变性得到改进。W调节y-基质和y'-相之间的晶格位错，其中较低的晶格位错使得f的多形成内聚的结构。钽另外起着析出增强剂的作用。应该添加0.5-6重量％的钽，优选地应添加5.0-5.4重量％的钽。钽提高了高温强度。如果调节到大于6重量Y。的钽，那么就斷氐了不利的抗氧化性。该合金含有3-8重量％的铝，tt^地含有3.1-3.4重fiy。的铝。因此在材料表面形成了Al203保护膜，这种保护膜提高了高温耐氧化性。硼是在0.001到至多0.05重量％的低含量的情况下增强钴基高温合金的晶界的元素。更高的硼含量是极为不利的，因为这会导致不希望的硼的析出，不希望的硼的析出具有脆化效应。此外，硼降低钴合金熔点，因此，超过0.05重量%的硼含量是不合适的。在给定范围内硼与其它成分的相互作用，特别是与钽的相互作用导致得到良好的强度值。钼是钴基质中的混晶增强剂。钼影响了y-基质和y'-相之间的晶格位错，因此也影响了蠕变荷载下的y'的形态。在0.01-最高0.2重量％的给定的范围内，碳对碳化物的形成是有利的，碳化物的形成进而提高了合金的强度。此外碳还起着晶界增强剂的作用。如果碳含量高于0.2重量％，那么相反会有害地导致脆化。铪(在0.01-0.1重量％的给定范围内)主要的增强了Y-基质，因此有助于提高强度。此外，铪与0.01-0.1重量％的硅相结合对抗氧化性产生有利的作用。如果M:了上述的范围，而那么会有害的导致材料的脆化。如果碳，硼，铪和硅处在上述范围的下限，则能够有利地产生单晶合金(Einknstalllegierung)，特别考虑到在燃气轮机中的使用(涉及到温度、氧化、腐蚀的高负荷)，皿一步导致了钴合金性质的改进。总的看来，根据本发明的钴基高温合金基于它们的化学组成(在给定的范围内的给定元素的组合)在达约100(TC的高温下具有杰出的性质，特别是具有良好的持久强度，也就是说具有良好的蠕变性和极高的抗氧化性。这些图阐述了本发明的实施例。其中图1示出根据本发明的合金Co-l的结构图2示出Co-l合金和已知的比较合金在从室温至约100(TC的范围内的屈服极限^与温度的关系；图3示出在从室温至约100(TC的范围内，Co-l合金和已知的比较合金的抗拉强度cjuTs与温度的关系；图4示出在从室温至约1000。C的范围内，Co-l合金和已知的比较合金的断劍申长率s与7鹏的关系，禾口图5示出根据本发明的合金Co-l、Co-4、Co-5和已知比较合金Mar-M509的应力a与拉尔森米勒(LarsonMiller)参数的关系。具体实施例方式紧接着根据实施例和附图更详细地说明本发明。在高温时的机械性质方面，研究了由现有技术已知的商业钴基-高温合金Mar-M302，Mar-M509和X-40(组成见表l)，研究了由文献所已知的具有9原子。/。Al、10原子。/。W和2原子。/。Ta、剩余钻的Co-Al-W-Ta-W-高温合金，以及表2列出的根据本发明的合金。表中以重量％的形式给出了根据本发明的合金0)-1到Co-5的合金成分。7<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>表2所研究的根据本发明合金的组成比较合金Mar-M302、Mar-M509和X-40以铸造后的状态进行研究。根据本发明的合金经历下列的热处理；-在保护，空气7賴卩斜牛下1200°C/15小时的固溶退火，禾口-在保护气彬空气冷却条件下1000°C/72小时的退火(析出处理)。对于根据本发明的合金Col，图l画出了以该方式所得到的显微结构。能够很好地看到析出的y'相在？基质中的精细分布。这种y'-析出非常类似于对于镍基高温合金典型的y'-相。可以预料到，这禾中y'-析出在此种钴基高温合金中比在镍基高温合金中的析出更稳定。这是由于钨以C03(A1，W)的形式存在，其具有较低的扩散系数。图2表示了在从室温至约ioocrc的范围内，根据本发明的合金coi的屈服极限OQ2与温度的关系曲线。图2同样表示了表1所列出的商业的比较合金以及由文献知道的Co-Al-W-Ta-合金的结果。合金CO-I的屈服极限(70.2在整个的研究的温度范围内都高于三种商业的比较合金的屈服极限a。.2，尤其是在温度〉60(TC时，这种差别表现得特别明显。在约700-90(TC的范围内，钴基高温合金Co-l的屈服极限约为这里所研究的最好的已知商业合金M302的屈服极限的两倍。虽然由文献已知的Co-Al-W-Ta-合金在从约65(TC开始的高温范围下，就屈服极限c^2而言，优于商业的比较合金，但是利用根据本发明的合金可以达到显著更好的值。这首先规因于，在根据本发明合金的情况下，除了钴基高温合金的W-结构的已述的优点外，额外存在的元素C、B、Hf、^以及视需要的Mo提供了附加的增强机制(析出增强，晶界增强，混晶增强)。图3表示了合金Col和表1所述的已知比较合金的抗拉强度在从室温至约IOO(TC的范围内与温度的关系。在从室温至约60(TC的温度范围内，已知的高温大约600。C开始，根据本发明的钴基高温合金Co-l显著地更好。在900。C时，Col的抗拉强度大约是M302抗拉强度的两倍高，甚至为M509和X40的抗拉强度的大约2.5倍高。这一方面原因在于细分布的Y，-相，f-相增强了结构，另一方面在于fflil合金元素C、B、Hf、S!的附加增强。正如由图4所知道的那样，这当然以断裂伸长率为代价。图4表示了在从室纟显至约lOOCTC的范围内合金Co-l和已知的比较合金的断劍申长率与i^Jt的关系。在室温下合金Co-l的断劍申长率高于商业合金M509和X-40的断劍申长率值，而在较高的温度下，却比它们低很多。在整个的研究温度范围内，合金M302几乎具有最好的断裂伸长率。图5表示了根据本发明的合金Co-l、Co-4和Co-5以及已知的比较合金Mar-M509的应力cr与拉尔森-米勒(Larson-Miller)-参数PLM的关系，PLM描述了时效时间和温度对蠕变行为的影响。拉尔森-米勒参数PLM可按下列公式计算出来PLM=T(20+logt)l(T3式中T:以。K计温度t:以小时计的时间图5总是f顿断裂时间为时效时间。在可比较的拉尔森-米勒参数的情况下，根据本发明的合金Col、Co-4和Co-5承受的应力从头至尾都比比较合金更高，也就是说，它们具有ci爐的蠕变性能，这归因于Y'-相的析出和由此带来的增强，以及附加的Jl^的增强机制。由根据本发明的钴基高温合金可以制造燃气轮机的有利的高温部件，例如叶片(Schuaufel)，导向叶片(Leitschaufel)，或者热档板(Hitzeschilder)。这些不见由于材料的良好的蠕变性能特别适用于很高、鹏。当然本发明并不限于上述的实施例。特别是单晶部件也能由钴基高温合金有利地制造，也就是说，首先C-和B-含量(B和C是晶界增强剂)，还有Hf-和Si-含量与战实施例相比较都下降了，在这种情况下将选取重量份额，更确切地说重量份额将位于权利要求1对这些元素所述的范围的下限。这导致了性能的进一步改进。这样的钴基单晶高温合金的实例就是具有下列化学组成(按重量％计)的合金26W、3.4Al、5.1Ta、0.02C、0.02Hf、0.002B、0.01Si、剩余钴和制造引起的杂质。对于根据权利要求1的Co-W-Al-Ta-基单晶高温合金，对于附加的添加元素有利地选取下列范围(按重量％计)0.01-0.03，t^地0.02C0.01-0.02，ifc^地0.02Hf，0.001-0.003，iJti&t也0.002B，0.01-0.02，雌地0.01Si。权利要求1、钴基高温合金，特征在于下列化学组成(按重量％计)25-28W，3-8Al，0.5-6Ta，0-3Mo，0.01-0.2C，0.01-0.1Hf，0.001-0.05B，0.01-0.1Si，剩余的Co和制造引起的杂质。2、根据权利要求l的钴基高温合金，特征在于25.5-27.25，优选地25.5-26重fiy。w。3、根据权利要求1的钴基高温合金，特征在于3.1-3.4重1T。A1。4、根据权利要求1的钴基高温合金，特征在于54重量％,,地5.0-5.3重MToTa。5、根据权利要求1的钴基高温合金，特征在于2.8重量n/。Mo。6、根据权禾腰求1的钴基高温合金，特征在于o.2重iy。c。7、根据权利要求1的钴基高温合金，特征在于0.01-0.03重1%，tte地0.02重暨/oC。8、根据权利要求l的钻基高温合金，特征在于0.1重量e/。Hf。9、根据权利要求1的钴基高温合金，特征在于0.01-0.02重量％，优选地0.02重暨/oHf。10、根据权利要求1的钴基高温合金，特征在于0.05重ly。B。11、根据权利要求i的钴基高温合金，特征在于0.001-0.003重1%，im地0.002重aroB。12、根据权利要求1的钴基高温合金，特征在于0.1重量e/。SL13、根据权利要求1的钴基高温合金，特征在于0.05重fiy。Si。14、根据权利要求1的钴基高温合金，特征在于0.01-0.02重1%，tte地·0.01重！ToSi。15、根据权利要求1的钴基高温合金，特征在于下列的化学组成(按重量·26W，3.4Al,5.1Ta，0.2C,0.1Hf,·0.05B，0.1Si,乘除的钴和制造引起的杂质。16、根据权利要求1的单晶合金形式的钴基高温合金，特征在于下列的化学组成(按重量％计)·26W,3.4Al,5.1Ta,0,02C，0.02Hf,0避B,0.01Si,乘除的钴和制造弓胞的杂质。17、根据权利要求1-16之一的钴基高温合金用于制造燃气轮机组件、优选叶片或者热档板、的用途。全文摘要本发明涉及耐高温钴基高温合金。具体地，本发明涉及到具有下列化学组成的钴基高温合金(按重量％计)25-28W，3-8Al，0.5-6Ta，0-3Mo，0.01-0.2C，0.01-0.1Hf，0.001-0.05B，0.01-0.1Si，剩余的钴和制造引起的杂质。这种高温合金是通过γ’-析出和其它的析出机制而得到增强，与现有技术所知的钴基高温合金相比较，在高温下，该高温合金除了良好的抗氧化性之外，还尤其具有改进的强度值。文档编号F01D25/08GK101671785SQ200910173389公开日2010年3月17日申请日期2009年9月8日优先权日2008年9月8日发明者A·孔茨勒,M·斯托布利,M·纳茨迈申请人:阿尔斯托姆科技有限公司