[发明专利]一种低钨含量γ′相强化钴基高温合金及其制备工艺

说明书

本发明公开了一种低钨含量γ′相强化钴基高温合金及其制备工艺，属于新材料设计与开发技术领域。其化学成分按质量百分比计为：4.00％～6.00％Al，1.00％～5.99％W，25.00％～40.00％Ni，3.00％～6.00％Cr，6.01％～18.00％Ta，0.50％～8.00％Mo，0％～1.99％Ti，0％～4.00％Nb，0％～0.50％Hf，0％～0.50％C，0％～0.50％Y，余量Co；所设计合金中强γ′相形成元素Al、W、Ta、Ti、Mo、Nb的原子百分比总和不低于18％、难熔元素Cr、W、Ta、Mo、Nb的原子百分比总和不低于10％，以保证合金的γ′相溶解温度、粗化速率和体积分数要求；所开发制备工艺可避免高熔点元素的熔化不均匀以及低熔点元素的烧损现象，提高了铸锭化学成分的准确性和均匀性；所开发合金与同类γ′相强化钴基高温合金相比，具有更为优异的综合性能，有望在航空发动机和地面燃气轮机中获得推广应用。

技术领域

本发明属于新材料设计与开发技术领域，特别是提供了一种低钨含量γ′相强化钴基高温合金的成分及其制备工艺。

背景技术

钴基高温合金与镍基高温合金相比具有更为优异的抗热腐蚀、抗热疲劳和焊接等性能，是航空航天、能源动力、核工业等先进推进系统热端部件的关键材料之一。传统钴基高温合金的强化方式主要为固溶强化和碳化物强化，其高温强度和承温能力显著低于依靠γ'相(Ni₃Al)强化的镍基高温合金，从而限制了钴基高温合金在高温和高承载条件下的广泛应用。

2006年，Sato等人在Co-Al-W系合金中发现了与基体共格的γ′-Co₃(Al,W)相，且后续研究通过合金化的方法将γ'相溶解温度提高到1100℃以上，在高温下获得了长时稳定的γ/γ'两相组织，并可通过共格强化和沉淀强化来提高合金的高温力学性能。该类γ'相强化钴基高温合金的高温强度相对于传统钴基高温合金显著提高，甚至在某些温度(≥1000℃)优于镍基高温合金。此外，最新研究报道，Co-Al-W-Ta-Ti五元单晶合金的蠕变性能已接近第二代镍基单晶高温合金，表明该类合金具有广阔的应用前景。

然而，目前γ′相强化钴基高温合金与镍基高温合金相比的主要差距存在于：①γ′相溶解温度偏低，目前报道组织稳定性优异的γ′相强化钴基高温合金的γ′相溶解温度多在1200℃以下，而主流的铸造镍基高温合金的γ′相溶解温度已经超过了1300℃；②合金密度较高，γ′相强化钴基高温合金中W元素的加入使得合金组织稳定性提高的同时，合金密度大幅度提高，目前大部分含钨钴基高温合金的密度在9.0g·cm^-3以上，而先进铸造镍基高温合金的密度仅为7.9～9.0g·cm^-3。

为此，有必要开发一种低钨元素含量、高γ′相溶解温度和组织稳定性的铸造钴基高温合金及其制备方法。

发明内容

本发明以降低γ′相强化钴基高温合金密度、提高合金γ′相溶解温度和组织稳定性为目的，通过合金元素选择优化以及合理的制备工艺制定，开发一种低钨含量γ′相强化钴基高温合金及其制备工艺。

本发明的技术方案为：

本发明的γ′相强化钴基高温合金，其化学成分按质量百分比计为：4.00％～6.00％Al，1.00％～5.99％W，25.00％～40.00％Ni，3.00％～6.00％Cr，6.01％～18.00％Ta，0.50％～8.00％Mo，0％～1.99％Ti，0％～4.00％Nb，0％～0.50％Hf，0％～0.50％C，0％～0.50％Y，余量Co。

为保证γ′相强化钴基高温合金的γ′相溶解温度大于1200℃和体积分数大于65％，本发明合金的强γ′相形成元素Al、W、Ta、Ti、Mo、Nb的原子百分比总和不低于18％。

为抑制γ′相强化钴基高温合金的γ′相粗化速率，提高组织稳定性，本发明合金的难熔元素Cr、W、Ta、Mo、Nb的原子百分比总和不低于10％。