[发明专利]一种高温性能优异的低密度钴基高温合金及其制备方法

说明书

本发明属于金属材料新型高温合金领域，公开了一种高温性能优异的低密度钴基高温合金及其制备方法。以该钴基高温合金的原子量计，该钴基高温合金各组分及原子百分比为20‑40％Ni、5‑15％Al、0‑6％W、2‑4％Ti、1‑3％Ta、0‑1％B、低于1.0％的杂质元素，其余为Co。本发明采用添加微合金化元素形成高温相钉扎晶界的方法，显著提高合金的高温持久性能。

技术领域

本发明属于金属材料新型高温合金领域，更具体地，涉及一种高温性能优异的低密度钴基高温合金及其制备方法。

背景技术

与镍基高温合金相比，钴基高温合金的抗热疲劳、抗热腐蚀和焊接等高温性能更加优异，在航空发动机、核工业用燃气轮机等领域具有广阔的应用前景。依靠固溶强化和碳化物强化的传统钴基高温合金，其高温强度和承温能力明显低于依靠γ'相(Ni₃Al)强化的镍基高温合金，这大大限制了钴基高温合金在高温和高载荷条件下的应用范围。

直到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，且通过加入合金元素的方法可将γ'相溶解温度提高至1100℃以上，形成的γ/γ'两相组织具有优异的高温稳定性，同时该合金通过沉淀强化和共格强化明显提高合金的高温强度和塑性。在最新报道的研究成果中发现Co-Al-W-Ta-Ti五元单晶合金的高温蠕变性能已接近第二代镍基单晶高温合金，表明该类合金具有巨大的研发潜力。

从上述研究结果来看，目前关于钴基高温合金的研究已取得了重要突破，然而这类合金的不足之处依旧非常明显，主要表现为以下三个方面：第一，其γ′相溶解温度与镍基高温合金相比较低，且高温组织稳定性较差；第二，合金密度高(＞9.0g/cm³)，缩小了合金的使用范围；第三，该类合金高温力学性能略差，有待进一步提高。因此，发展一种高温性能优异的低密度钴基高温合金对于扩大钴基高温合金应用范围有重要意义。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种高温性能优异的低密度钴基高温合金及其制备方法。本发明采用添加微合金化元素形成高温相钉扎晶界的方法，显著提高合金的高温持久性能。

为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种高温性能优异的低密度钴基高温合金，以该钴基高温合金的原子量计，该钴基高温合金各组分及原子百分比为20-40％Ni、5-15％Al、0-6％W、2-4％Ti、1-3％Ta、0-1％B、低于1.0％的杂质元素，其余为Co。

根据本发明，优选地，以该钴基高温合金的原子量计，该钴基高温合金各组分及原子百分比为20-35％Ni、5-10％Al、2-6％W、2-4％Ti、1-3％Ta、0.2-0.8％B、低于1.0％的杂质元素，其余为Co。

根据本发明，优选地，钴基高温合金密度≤8.93g/cm³，850-950℃/135-145MPa条件下，持久寿命≥128h。

本发明另一方面提供了所述的高温性能优异的低密度钴基高温合金的制备方法，包括如下步骤：

S1：母合金熔炼：将纯Ni、纯Al、纯W、纯Ti、纯Ta和B进行预热处理；将预热处理后的纯Ni、纯Al、纯W、纯Ti和纯Ta进行第一次混合高温熔炼，得到混合熔炼物；将所述混合熔炼物与预热处理后的B进行第二次混合高温熔炼，得到母合金铸锭；

S2：利用线切割从所述母合金铸锭上切取圆棒，去除圆棒表面氧化皮；在氩气保护下，熔化圆棒并进行定向凝固，获得定向凝固样；

S3：对所述定向凝固样进行固溶和时效处理，得到所述高温性能优异的低密度钴基高温合金。

根据本发明，优选地，所述纯Ni、纯Al、纯W、纯Ti和纯Ta的纯度各自独立地不低于99.9％。