[发明专利]一种高强度沉淀强化钴基单晶高温合金及其制备方法

说明书

技术领域

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

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(fcc)γ-Ni基体中均匀分布着立方的共格L1₂结构的γ′-Ni₃(Al,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。

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CoO、Cr₂O₃、SiO₂和Al₂O₃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-Al-W基合金，900℃与第一代镍基单晶相近的蠕变抗力。这些表明Co-Al-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

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。

本发明的技术方案是：

一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：

C0.05～0.9％，Cr3.0～9.0％，Al2.0～8.0％，Ti1.0～4.0％，Ta2.0～10.0％，W10.0～16.0％，Ni2.0～18.0％，Co为余量。

该钴基单晶高温合金中，4.0wt.％≤Al+Ti≤10.0wt.％。

该钴基单晶高温合金中，Cr含量优选为4.0～8.0％。

该钴基单晶高温合金中，Al与Ti的重量之比大于2.0:1。

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℃，模壳温度与浇注温度保持一致，单晶生长速率为3～8mm/min。

该钴基单晶高温合金的热处理制度如下：

(1)固溶均匀化处理：在1290～1315℃保温4～12小时，随后进行空冷至室温；

(2)高温时效处理：在900～1100℃保温20～40小时，随后进行空冷至室温；

(3)低温时效处理：在700～900℃保温10～30小时，随后进行空冷至室温。

本发明合金设计原理如下：

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，Co₃Al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Co₃(Al,W)在面心立方γ-Co基体上析出。该Co₃(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-9.2Al-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。

本发明通过加入较大量的铝和钛元素(3.0wt.％≤Al+Ti≤8.0wt.％)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。