[发明专利]一种高强度、抗氧化的钴基高温合金

说明书

技术领域

本发明属于高温合金技术领域，特别是涉及一种利用γ'相强化的高强度、抗氧化钴基高温合金。

背景技术

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γ′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γ′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

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γ'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γ'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。

本发明的化学成分(质量％)：C0.02-0.10，Al2.5-6，W12-18，Cr5-10，Ni25-45，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℃固溶处理，并在800-950℃时效处理。

本发明的钴基高温合金，是利用稳定析出的L1₂结构的Co₃(Al、W)型γ′相来获得优异的高温强度。相比传统Ni基合金，γ′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γ′强化相体积分数，产生更高的强化效果；(2)γ′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。

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：

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γ+γ'两相区，稳定γ'相，因此Ni含量在25％以上。

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L1₂结构的γ'强化相，获得稳定、细小的强化相而产生良好的强化效果。

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(Al,W)型γ'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γ'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一。

钛：Ti元素在本发明中能够起到稳定γ'强化相，同时获得更多数量γ'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。

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。

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。

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。

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。

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。