本发明属于新材料
技术领域：
，涉及一种高强度的新型γ′相强化型钴基高温合金。
背景技术：
：提高燃气轮机的功率和效率，提升燃气入口温度(turbineinlettemperature,tit)是促进现代工业发展的重要前提。而燃气轮机tit的提高须靠综合性能优异的高温合金来保证。目前，国内外广泛使用镍基高温合金(如in738lc、rene5sc、mga1400，gtd-111ds等)作为燃气轮机热端部件材料。与镍基高温合金相比，钴基高温合金虽然具有抗蠕变性能和抗热腐蚀性能好、低热膨胀系数以及高导热性等优点，但是传统钴基高温合金缺乏γ′相沉淀强化效应，其高温强度无法得到保证，仅在燃气轮机中导向叶片等低应力需求的场合中有所应用。自2006年sato.等在co-al-w合金中发现了具有l12结构γ′-co3(al,w)，其强化方式与传统的镍基高温合金相似，有望大幅度提高钴基合金的高温强度。不仅如此，钴基高温合金的初溶温度高于镍基高温合金，可打破熔点给高温合金使用温度的提升带来的制约。资料显示，燃气轮机tit每提升10℃，其功率和效率可提高1％，因此新型γ′相强化钴基高温合金的研发具有很大的应用前景。新型钴基高温合金的研发初期，有研究学者指出，900和1000℃时sato.等所发现的γ′相相区非常小，并处于一种亚稳的状态，900℃时γ′相容易向γ、d019和b2相转化。因此ta、ti、nb、mo和v等元素需要添加到钴基合金中以稳定γ′相。然而ta、mo添加可促进μ相析出，ti可促进形成co2alti，而v、nb等能够显著降低合金的抗氧化性能。添加合金元素的同时，需要综合考虑各元素对合金相平衡、力学行为和抗高温氧化及热腐蚀行为的影响。因此，优化合金成分设计成为了新型钴基高温合金研发的关键。技术实现要素：本发明目的旨在提供一种具有较高的高温强度、良好的持久性能、优异的抗高温氧化和抗热腐蚀性能的新材料。其γ′相可在950℃以下稳定存在并为立方形貌，且该相体积百分数可达60％以上。本发明合金的成分特点考虑了如下因素：ni：稳定γ基体，并扩大γ′相相区，增加合金γ′相的初溶温度。w：γ′相的组成元素，且w含量越高，γ′相的初溶温度越高。不仅如此，w固溶于基体中起到固溶强化作用，使合金具有更高的高温强度。al：γ′相的组成元素，且在高温氧化和热腐蚀过程中，合金表面形成氧化铝层，可保护基体被进一步氧化或腐蚀，然而al含量较高合金将析出β相。ti：ti在γ′相中倾向于占co/w位，ti稳定γ′相(增加其析出温度和体积分数)，ti和ta结合可显著提升抗氧化性和蠕变性能，然而ti含量较高合金将析出β相。ta：ta在γ′相中倾向于占w位，ta稳定γ′相(增加其析出温度和体积分数)，然而ta含量较高合金将球化γ′相。cr：cr在γ′相中倾向于占co/w位，降低γ′相的析出温度和体积分数，cr添加量高于8％时，γ′相将球化；cr的添加可增加合金的氧化性能，但在950℃以上的氧化中其作用显著降低。mo：mo在γ′相中倾向于中占w位，mo稳定γ′相(降低其析出温度和增加体积分数)，然而w、ta和mo总添加量不宜过高，易析出χ相和μ相。zr：减少晶界缺陷，提高晶界结合力，强化晶界。b：增加晶界结合力，提高合金的抗氧化性、蠕变性能和持久性能。c：晶界强化元素，提高合金高温持久寿命。y：增加合金抗氧化性能。本发明的技术方案是：一种高强度的γ′相强化型钴基高温合金，该合金成分按重量计：20.0-24.5％ni，14.5-19.5％w，3.4-6.0％al，3.0-6.8％cr，4.0-5.8％ta，1.5-2.0％ti，0.3-1.0％mo，0-0.14％zr，0.01-0.015％b，0-0.1％c，0-0.007％y，co为余量。进一步地，上述钴基高温合金中相应成分按重量计：14.5-15.5％w，3.6-4.3％al，5.8-6.8％cr，5.4-5.8％ta，1.5-1.8％ti，0.3-0.5％mo，0-0.02％c。该合金的特征铬含量较高，主要组成相为钴基固溶体γ+金属间化合物γ′，合金抗氧化性能优异。进一步地，上述钴基高温合金中相应成分按重量计：15.0-19.5％w，3.6-4.3％al，5.8-6.8％cr，5.4-5.8％ta，1.5-1.8％ti，0.3-0.5％mo，0.02-0.1％c。该合金的特征铬、碳含量较高，主要组成相为钴基固溶体γ+金属间化合物γ′+mc型碳化物+晶界弥散析出金属间化合物μ，该合金抗氧化性能优异，晶界存在碳化物等，提高了合金的高温持久、蠕变等性能。进一步地，上述钴基高温合金中相应成分按重量计：14.0-16.0％w，3.8-4.3％al，3.0-4.0％cr，5.0-5.8％ta，1.5-1.8％ti，0-0.02％c。该合金的特征铬含量较低，钨含量增加，主要组成相为钴基固溶体γ+金属间化合物γ′，该合金固溶强化元素含量较高，可具有更高高温强度。进一步地，上述钴基高温合金中相应成分按重量计：15.0-19.5％w，3.8-4.2％al，3.0-5.0％cr，5-5.8％ta，1.5-1.8％ti，0.02-0.1％c。该合金的特征碳含量较高，铬含量较低，钨含量增加，主要组成相为钴基固溶体γ+金属间化合物γ′+mc型碳化物+晶界弥散析出金属间化合物μ，该合金固溶强化元素含量较高，可具有更高高温强度，且晶界存在碳化物等，提高了合金的高温持久、蠕变等性能。上述高强度的γ′相强化型钴基高温合金的应用，将高强度的γ′相强化型钴基高温合金用于制造燃气轮机热端部件，应用环境温度为800-950℃。本发明的有益效果为，发明合金的高温强度较高，高温屈服强度约为传统钴基定向凝固高温合金dz40m的2.5-3倍；发明合金的高温抗氧化性能优异，900℃条件下，平均氧化速率相比于传统钴基定向凝固高温合金dz40m减少了约65％-75％；发明合金的高温抗腐蚀性能优异，900℃条件下，平均腐蚀速率相比于传统钴基定向凝固高温合金dz40m减少了约55％-75％。一种新型γ′相强化型钴基高温合金材料。新材料通过γ′相强化，合金的高温强度较高，且持久性能、抗高温氧化性能和热腐蚀性能优异。附图说明图1为本发明(合金2)1220℃固溶8h，950℃时效100h后的γ+γ′组织形貌图2为实施例合金和比较例合金高温条件下的屈服强度(dz40m数据来源于《中国高温合金手册》)具体实施方案下面对本发明的较佳实施例进行做详细描述。本发明提供了多组实施例，其化学成分如表1所示。合金具有优良的γ+γ′两相组织。图1为合金3经1220℃固溶8h，950℃时效100h后的组织形貌，显示γ′相为立方形貌，γ′相体积百分数约为70％。说明本发明合金在高温条件下应具有较高的高温强度，具有优异的承温性能。表1为实施例和比较例的化学成分(按重量百分数计)dz40m中含0.95％fe，0.6％si和0.44％mn。实施例1表1中，合金1的屈服强度较高，由图2可知，合金1的屈服强度约为传统钴基定向凝固高温合金dz40m的2.5倍。不仅如此，合金1具有良好的抗高温氧化性能和抗热腐蚀性能。表2为900℃条件下合金1-3和dz40m的平均氧化速率并根据标准名称《钢及高温合金的抗氧化性测定试验方法》(标准号hb5258-2000，实施日期2001年1月1日)对合金抗氧化性能评定；表3为800、900℃条件下合金1-3的平均热腐蚀增重。由表2和表3可知，实施例合金1与dz40m相比，平均氧化增重和平均热腐蚀增重均显著小于比较例合金，表现出优异的抗氧化性能和抗热腐蚀性能。表2900℃条件下合金1-3和dz40m的平均氧化速率及合金抗氧化性能评定合金平均氧化增重g/(m2·h)抗氧化性能评定合金10.03151完全抗氧化级合金20.02222完全抗氧化级合金30.02529完全抗氧化级dz40m0.08844完全抗氧化级表3800、900℃条件下合金1-3的平均热腐蚀增重(dz40m数据来源于《中国高温合金手册》)实施例2表1中，合金2的屈服强度较高，由图2可知，合金2的高温屈服强度约为传统钴基定向凝固高温合金dz40m的2.5-3倍。不仅如此，由表2和表3可知，实施例合金2与dz40m相比，平均氧化增重和平均热腐蚀增重均显著小于比较例合金，表现出优异的抗氧化性能和抗热腐蚀性能。实施例3表1中，合金3的屈服强度较高，由图2可知，合金3的高温屈服强度约为传统钴基定向凝固高温合金dz40m的2.5-3倍。不仅如此，由表2和表3可知，实施例合金3与dz40m相比，平均氧化增重和平均热腐蚀增重均显著小于比较例合金，表现出优异的抗氧化性能和抗热腐蚀性能。此外，实施例合金3具有良好的持久性能。温度为900℃，试验应力为160mpa条件下实施例合金3的持久寿命高达184.117h，而dz40m为85h。本发明合金表现出优异的高温持久性能。(dz40m数据来源于《中国高温合金手册》)当前第1页12