[发明专利]一种机械化学反应法制备钴基ODS合金的方法

说明书

技术领域

本发明属于金属弥散强化技术领域，特别提供了一种机械化学反应法制备钴基ODS合金的方法。

技术背景

（Oxide Dispersion Strengthening, ODS）合金是一种重要的能源用高温结构材料。钴基ODS合金在高温下仍具有优异的抗硫腐蚀/氧化性能和热疲劳性能，可用作燃气涡轮发动机中的叶片、燃烧室等一些极端条件下使用的高温部件。为了提高燃气轮机的效率，涡轮前端进口温度已经由初期的600~700℃增至1500℃左右，这对高温组件材料，特别是导向叶片（vane）和涡轮叶片（blade）材料的性能提出了更高的要求，传统钴基合金已不能满足日益苛刻的要求。钴基ODS合金旨在克服传统Co基合金中的固溶强化机制和碳化物强化机制在高温下失去强化作用而导致高温强度不足的难题，通过引入高温下更有效的γ′相[Co₃(Al,W)]强化机制和氧化物弥散强化机制达到拓展钴基合金中温（700~900℃）强度和高温（≥1000℃）强度的目的。

钴基ODS合金的性能很大程度上取决于氧化物的粒径、数量、分布状态、界面结构和稳定性。氧化物越细小，分布越弥散，材料的性能越高。纳米复合氧化物是通过溶解/析出机制形成的，添加的Y₂O₃必须在高能球磨过程中分解（Y₂O₃→2[Y]+3[O]）并溶解于钴基体，才能在随后的烧结过程中以更加细小的复合氧化物形式析出。传统钴基ODS合金中的氧化物弥散相以Y₂O₃颗粒的形式引入，由于Y₂O₃颗粒非常稳定，所以需要很高的能量和较长的球磨时间才能使之分解，容易由于粉末团聚而残留未分解的粗大Y₂O₃颗粒。可见，仅仅依靠机械研磨很难使氧化物颗粒细化并达到完全均匀分散，存在氧化物粒径粗大、界面结构不可控的问题，这在很大程度上限制了氧化物强化强化效果的发挥和高温力学性能的提高。

技术内容

本发明的目的在于提供一种机械化学反应法制备钴基ODS合金的方法，实现纳米复合氧化物的原位合成，该方法能够提高氧化物的形核率、细化氧化物的粒径、有利于控制过量氧含量，形成的纳米氧化物团簇的强化效果更显著。

本发明的原理是：通过机械化学反应法（YH₂+Co₂O₃→Co+Y₂O₃+H₂）原位形成纳米复合氧化物，利用Hf₂H₂来细化氧化物和控制界面结构；添加Al、W元素形成γ′相来提高中温强度，添加Ni元素提高Al、W在钴基体中的固溶度，促进γ′相的形成，最终得到由纳米复合氧化物和γ′析出相共同强化的钴基ODS合金。

本发明首先按照合金成分配制合金粉末，混合粉末进行机械合金化，在高能球磨过程中原位生成了纳米复合氧化物，然后采用放电等离子体烧结进行致密化，最后通过热处理优化γ′相的析出，从而得到纳米复合氧化物和γ′析出相共同强化的钴基ODS合金，制备工艺流程如图1所示，具体工艺步骤有：

1、机械合金化：钴基ODS合金基础成分为：0.8~4.0wt%YH₂、0.4~1.5wt%Co₂O₃，2~5wt%Al、15~30wt%W和余量Co，其中YH₂和Co₂O₃为氧化物形成组元，Al和W是γ′相形成元素。此外，在钴基ODS合金基础成分上添加0.6~3wt%Hf₂H₂起到细化氧化物粒径的作用，反应生成的Y₂O₃和HfO₂结合形成Y₂Hf₂O₇纳米复合氧化物。再在钴基ODS合金基础成分中添加20~60wt%Ni旨在提高Al、W元素在钴基体中的固溶度，促进γ′相的形成。