專利名稱：一種組織穩(wěn)定性好、易加工的鎳鈷基高溫合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鎳基高溫合金領(lǐng)域，具體為一種組織穩(wěn)定性好(無Ni3Ti相析出)、易加工的鎳鈷基高溫合金，該合金可以用鑄造+鍛造(C&W)工藝和粉末冶金工藝進(jìn)行加工，主要適用于高溫下(750°c )承受高應(yīng)力的零部件，如航空發(fā)動機中的渦輪盤和葉片材料。
背景技術(shù)：
隨著發(fā)動機性能的不斷改進(jìn)，渦輪部件的工作溫度和應(yīng)力也越來越高，對渦輪盤材料的承溫要求也越來越高。從目前的研究進(jìn)展看，采用成本低廉的制造技術(shù)來發(fā)展使用溫度更高、裂紋擴展速率低、強度高、工藝性能好的渦輪盤合金將是未來數(shù)十年國際上的發(fā)展方向。一般來講，典型的渦輪盤合金含有0-20wt. % Co和0-5wt. % Ti，其加工工藝主要有鑄造+鍛造(C&W)工藝和粉末冶金(P/M)工藝兩種。最近下列文獻(xiàn)中(文獻(xiàn) 1 :C. Y. Cui, Y. Gu,H. Harada and A. Sato,Microstructure and yield strength of Udimet 720Li alloyed with Co-16. 9wt. % Ti, Metallurgical and Materials Transactions A,2005,36(1)p. 2921 ；文獻(xiàn) 2 :Υ· Gu, H. Harada, C. Cui, D. Ping, Α. Sato and J. Fujioka, New Ni-Co base disk superalloys with higher strength and creep resistance, Scripta Materialia, 2006, 55 (9), p. 815 ；文獻(xiàn) 3 :日本專利W02006/059805)，提出了一種新的渦輪盤合金設(shè)計觀點在具有γ/γ'結(jié)構(gòu)的鎳基盤合金基礎(chǔ)上(例如U720LI，RR1000，ME3，IN718)加入適量具有υ/υ ‘結(jié)構(gòu)Co-Ti合金， 發(fā)展成為一種新合金TMW。TMW合金中的鈷含量為22-31wt. %，鈦含量為5. 1-7. 4wt. %，它們的含量均高于現(xiàn)在使用的渦輪盤合金。新發(fā)展的TMW合金可以通過傳統(tǒng)的鑄造+鍛造工藝進(jìn)行加工。由于TMW合金中含有大量易形成η相的鈦元素，TMW合金中往往會發(fā)現(xiàn)η相。η 相主要是以片層狀或塊狀的形式存在于TMW合金中，形成的η相會降低合金的熱加工性能。因此，如何消除TMW合金中的η相是充分發(fā)揮這種合金性能潛力的關(guān)鍵因素之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種組織穩(wěn)定性好(無Ni3Ti相析出)、易加工的含Ru鎳鈷基高溫合金，在保證合金高承溫能力的情況下，使本發(fā)明合金的組織穩(wěn)定性(無Ni3Ti相析出)和可加工性有明顯提高。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種組織穩(wěn)定性好、易加工的鎳鈷基高溫合金，可以為如下之一(1)按重量百分比計，其化學(xué)成分為Ru 0.1 10%，Co 22 !35%，Cr 10 20%,Ta 0. 10 5%，W 0. 10 5%，Mo 0. 10 5%，Ti 3 10%，A10. 2 5%，Zr 0. 01 0. 10%, V0. 10 1%，NbO. 10 ~ 5%, Hf 0. 1 2%，C 0. 005 0. 15%, Fe 0 ~ 2%, Mg 0. 01 0. 1 %, MnO. 05 0. 50%, B 0. 005 0. 1%，余量為 Ni。(2)按重量百分比計，其化學(xué)成分為Ru 0. 1 5%，Co 22 30%，Cr 12 18%，TaO. 10 5%，W 0. 10 5%，Mo 0. 10 5%，Ti 3 10%，A10. 2 5%，Zr 0. 01 0. 10%, V0. 10 1%，NbO. 10 ~ 3%, Hf 0. 1 1%，C 0. 005 0. 15%, Fe 0 ~ 2%, Mg 0. 01 0. 1 %, MnO. 05 0. 50%, B 0. 005 0. 1%，余量為 Ni。(3)按重量百分比計，其化學(xué)成分為Ru 0. 1 5%，Co 22 ^%，Cr 12 17%， TaO. 10 3%，W 0. 10 4%，Mo 0. 10 4%，Ti 3 ~ 7%, Al 0. 2 5%，Zr 0. 01 0. 10%, V0. 10 l%，NbO. 10 2%，Hf 0. 1 0. 5%, C 0. 005 0. 15%, Fe 0. 1 2%， Mg 0. 01 0. 1%, Mn 0. 05 0. 50%, B 0. 005 0. 1%，余量為 Ni。(4)按重量百分比計，其化學(xué)成分為Ru 0.5 2.5%，Co 22 23. 1 %，Crl6. 4
16.8%, W 1.2 1·3%，Μο 3 3.2%，Ti 5. 4 6. 0 %，All. 8 1. 9 %，Zr 0. 02 0. 03%, CO. 02 0. 03%, Mg 0. 01 0. 1%, B 0. 01 0. 02%，余量為 Ni。(5)按重量百分比計，其化學(xué)成分為Ru 0. 5 4%，Co 25 洸.5%，Cr 14 15%，W1. 0 1. 2%，Mo 2.8 3.2%，Ti 5. 7 6. 1 % ,All. 8 2. 0%，Zr 0.02 0.03%， C 0. 02 0. 03%, Mg 0. 01 0. 1%, B 0. 01 0. 02%，余量為 Ni。(6)按重量百分比計，其化學(xué)成分為Ru 4%, Co 27 四％，Cr 12. 3 12. 8%, W1.0 1.2%，Mo 2. 3 2.5%，Ti 7 7. 4%，All. 8 2. 0 %，Zr 0.02 0.03%，C 0. 02 0. 03%, MgO. 01 0. 1%, B 0. 01 0. 02%，余量為 Ni。(7)按重量百分比計，其化學(xué)成分為Ru 0. 1 10%，Co 23. 1 55%，Cr 2 25%, Ta 0. 10 10%，W 0. 10 10%，Mo 0. 10 10%，Ti 3 15%，A10. 2 7%，Zr 0. 01 0. 5%, V0. 10 2%，Nb 0. 10 5%，HfO. 1 2%，C 0. 005 0. 15%, Fe 0. 1 2%, Mg 0. 01 0. 1 %, MnO. 1 0. 50%, B 0. 005 0. 1%，余量為 Ni。本發(fā)明合金的晶粒尺寸為ASTM2到ASTM12，可以制備航空發(fā)動機用渦輪盤。(8)按重量百分比計，其化學(xué)成分為Ru 0. 5 4. 0%，Co 22 沘％，Cr 12. 0
17.0%, W 1. 0 1. 3%，Mo 2. 3 3. 2%，Ti 5. 4 7. 4%, Al 1. 8 2. 0%, Zr 0. 02 0. 03%, C 0. 02 0. 03%, B 0. 01 0. 02%，余量為 Ni。本發(fā)明合金可以采用真空感應(yīng)爐熔煉，通過鑄造+鍛造(C&W)的工藝制備產(chǎn)品，或者通過粉末冶金(P/M)的工藝制備產(chǎn)品。本發(fā)明中的合金元素作用及其成分范圍的選擇陳述如下Ru是一種有效地固溶強化元素，可以抑制TCP相析出，明顯改善高溫蠕變強度。當(dāng) Ru加入量小于4%，可以滿足抑制η相析出以及提高合金可加工性的要求。然而，如果Ru 含量高，會極大地提高合金成本。因此，Ru的加入量不能過高，控制在0 10%左右，最好控制在0. 1 4%之間。為了保證合金具有良好的蠕變阻力、較低的疲勞裂紋擴展速率、良好抗氧化及耐腐蝕，合金中至少含有10% Cr。但過量加入Cr，會使合金中析出有害相TCP (O相)，從而降低合金的塑性、蠕變性能以及強度。因此，Cr的加入量不能過高，控制在10 20%左右， 最好控制在11 17%之間。Al和Ti是Y ’相形成元素，對合金具有時效沉淀強化作用，保證合金具有高的高溫強度和持久性能。合金中Ti含量以及Ti/Al比例高，易形成有害相η相，影響合金的熱加工性能。此外，加入Ti提高了合金中γ'相溶解溫度，減小了合金的熱加工窗口，從而惡化了合金的熱加工性能。因此，Al的加入量控制在0. 2 5%左右，最好控制在1. 8 2. 5%之間。Ti的加入量控制在3 10%左右，最好控制在5 8%之間。Co是本發(fā)明合金中非常重要的元素。Co能降低合金的層錯能、提高合金的組織穩(wěn)定性以及蠕變性能；加入Co還能降低沉淀強化相Y'的溶解溫度，從而擴大合金的熱加工窗口溫度，提高合金的可加工性能。因此，Co的加入量控制在22 35%左右，最好控制在 22 28%之間。W元素進(jìn)入Y基體和Y ‘沉淀相中，能同時提高兩相的強度。此外，W還能提高合金的蠕變性能。然而，W元素具有比重較重、容易引起缺口敏感性以及易形成TCP相等缺點。因此，W的加入量控制在0. 1 5%左右，最好控制在1. 0 1. 3%之間。Mo是強固溶強化元素，主要偏聚在Y ‘相中。Mo能提高合金的拉伸強度和蠕變性能，同時Mo還能降低合金的缺口敏感性。但過量加入Mo會導(dǎo)致有害相TCP的析出。因此控制Mo的含量在在0. 1 5 %，最好控制在2. 3 3. 2 %。C，B, Zr都偏聚于晶界，能提高合金的熱塑性和高溫蠕變強度。上述各合金元素的合理配比是本發(fā)明合金獲得良好綜合性能的保證。本發(fā)明的有益效果是1、本發(fā)明在單晶高溫合金中添加Ru元素可以提高含Re合金的組織穩(wěn)定性，抑制有害相TCP的析出。Ru因此被添加進(jìn)高溫合金，極大地高溫合金的承溫能力。加入Ru還可以對基體產(chǎn)生固溶強化，隨著溫度升高，組織穩(wěn)定能力升高，強化能力減弱。此外，在多晶高溫合金(U720Li)中添加Ru元素，由于Ru的擴散速率較低，可以抑制γ'相的粗化速率。2、本發(fā)明在TMW合金的基礎(chǔ)上加入Ru，抑制η相的析出，在保持合金高的承溫能力條件下，提高合金的可加工性能。3、本發(fā)明合金具有優(yōu)異的可加工性能，適用于制備航空發(fā)動機多晶部件，例如高壓渦輪盤以及葉片材料。4、本發(fā)明合金在800°C以下TCP相無明顯析出。


圖1 (a)-(b)為本發(fā)明合金實施例7和對比合金3的顯微組織。其中，(a)圖為對比合金3;(b)圖為實施例7。圖2為本發(fā)明合金實施例7和對比合金3的XRD衍射圖，熱處理條件是1135°C， 120小時。圖3為本發(fā)明合金實施例7和對比合金3經(jīng)1135°C /120h時效后的組織形貌。其中，(a)圖為對比合金3; (b)圖為實施例7。圖4為η相形成的TTT曲線。其中，(a)圖為本發(fā)明合金實施例6和對比合金2 ； (b)圖為本發(fā)明合金實施例7和對比合金3。圖5在ΙΙΟΟ /Ο.ΟΙ Γ1條件下，樣品經(jīng)熱加工變形后的形貌。其中，(a)圖為實施例7 ;(b)圖為比較合金3。
具體實施例方式本發(fā)明采用真空感應(yīng)爐熔煉，澆鑄成化學(xué)成分如表1所示合金。表1本發(fā)明合金和對比合金的化學(xué)成分(wt. % )
權(quán)利要求
1.一種組織穩(wěn)定性好、易加工的鎳鈷基高溫合金，其特征在于，按重量百分比計，其化學(xué)成分為Ru 0. 1 10%，Co 22 ；35%，Cr 10 20%，Ta 0. 10 5%，W0. 10 5%， Mo 0. 10 5%，Ti 3 10%，A1 0. 2 5%，Zr 0. 01 0. 10%,V 0. 10 l%，NbO. 10 5%, HfO. 1 2%，C 0. 005 0. 15%, Fe 0 2%，Mg 0. 01 0. 1%,Μη 0. 05 0. 50%, B0. 005 0. 1%，余量為 Ni。
2.—種組織穩(wěn)定性好、易加工的鎳鈷基高溫合金，其特征在于，按重量百分比計，其化學(xué)成分為Ru 0. 1 5%，Co 22 30%，Cr 12 18%，Ta 0. 10 5%，W 0. 10 5%， Mo 0. 10 5%，Ti 3 10%，A10. 2 5%，Zr 0. 01 0. 10%,V 0. 10 l%，Nb 0. 10 3%, HfO. 1 1%，C 0. 005 0. 15%, Fe 0 2%，Mg 0. 01 0. 1%，Μη 0. 05 0. 50%, B 0. 005 0. 1%，余量為 Ni。
3.—種組織穩(wěn)定性好、易加工的鎳鈷基高溫合金，其特征在于，按重量百分比計，其化學(xué)成分為Ru 0. 1 5%，Co 22 ^%，Cr 12 17%，Ta 0. 10 3%，W 0. 10 4%，Mo 0. 10 4%，Ti 3 7%,Al 0.2 5%,Zr 0. 01 0. 10%，V 0. 10 l%，Nb 0. 10 2%， HfO. 1 0. 5%，C 0. 005 0. 15%,Fe 0. 1 2% ,Mg 0. 01 0. 1%，Mn 0. 05 0. 50%, B0. 005 0. 1%，余量為 Ni。
4.一種組織穩(wěn)定性好、易加工的鎳鈷基高溫合金，其特征在于，按重量百分比計，其化學(xué)成分為Ru 0. 5 2. 5%，Co 22 23. 1%，Crl6. 4 16. 8%，W 1. 2 1. 3%，Mo3 3. 2%,Ti 5.4 6·0%，Α1 1.8 1.9%，Zr 0.02 0.03%，C 0· 02 0· 03%，Mg 0· 01 0. 1%, BO. 01 ~ 0. 02%，余量為 Ni。
5.一種組織穩(wěn)定性好、易加工的鎳鈷基高溫合金，其特征在于，按重量百分比計，其化學(xué)成分為Ru 0. 5 4%，Co 25 洸.5%，Cr 14 15%，W 1. 0 1. 2%,Mo2. 8 3. 2%， Ti 5. 7 6. 1%，A11. 8 2. 0%，Zr 0. 02 0. 03%，C 0. 02 0. 03%，Mg 0. 01 0. 1%， B 0. 01 0. 02%，余量為 Ni。
6.一種組織穩(wěn)定性好、易加工的鎳鈷基高溫合金，其特征在于，按重量百分比計，其化學(xué)成分為Ru 4%, Co 27 29%，Cr 12. 3 12.8%，W 1. 0 1. 2%，Mo2. 3 2. 5%， Ti 7 7. 4%，All. 8 2. 0%，Zr 0. 02 0. 03%, C 0. 02 0. 03%, Mg 0. 01 0. 1%， BO. 01 0. 02%，余量為 Ni。
7.—種組織穩(wěn)定性好、易加工的鎳鈷基高溫合金，其特征在于，按重量百分比計，其化學(xué)成分為Ru 0. 1 10%，Co 23. 1 55%，Cr 2 25%，Ta 0. 10 10%，W0. 10 10%， Mo 0. 10 10%，Ti 3 15%，A10. 2 7%，Zr 0.01 0.5%，V 0. 10 2%，NbO. 10 5%,HfO. 1 2%，C 0. 005 0. 15%，F(xiàn)e 0. 1 2%，Mg 0. 01 0. 1%，Μη 0. 1 0. 50%， B0. 005 0. 1%，余量為 Ni。
8.—種組織穩(wěn)定性好、易加工的鎳鈷基高溫合金，其特征在于，按重量百分比計，其化學(xué)成分為:Ru 0. 5 4. 0%，Co 22 28%, Cr 12. 0 17. 0%，W 1. 0 1. 3%，Μο2· 3 3. 2%, Ti 5. 4 7. 4%，All. 8 2. 0%，Zr 0.02 0.03%，C 0.02 0.03%，B 0. 01 0. 02%，余量為Ni。
9.一種組織穩(wěn)定性好、易加工的鎳鈷基高溫合金，其特征在于，合金的晶粒尺寸為 ASTM2到ASTM12，用于制備航空發(fā)動機用渦輪盤或葉片材料。
全文摘要
本發(fā)明屬于鎳基高溫合金領(lǐng)域，具體為一種組織穩(wěn)定性好(無Ni3Ti相析出)、易加工的鎳鈷基高溫合金，該合金可以用鑄造+鍛造(C&W)工藝和粉末冶金工藝進(jìn)行加工，主要適用于高溫下(750℃)承受高應(yīng)力的零部件，如航空發(fā)動機中的渦輪盤和葉片材料。按重量百分比計，其化學(xué)成分為Ru 0.1～10％，Co 22～35％，Cr 10～20％，Ta 0.10～5％，W 0.10～5％，Mo 0.10～5％，Ti 3～10％，Al0.2～5％，Zr0.01～0.10％，V 0.10～1％，Nb 0.10～5％，Hf 0.1～2％，C 0.005～0.15％，F(xiàn)e 0～2％，Mg0.01～0.1％，Mn 0.05～0.50％，B 0.005～0.1％，余量為Ni。本發(fā)明合金是在含高Co和Ti的TMW合金基礎(chǔ)上加入Ru元素，在保證合金高承溫能力的情況下，使合金的組織穩(wěn)定性(無Ni3Ti相析出)和可加工性有明顯提高。
文檔編號C22C19/05GK102443721SQ20101050522
公開日2012年5月9日 申請日期2010年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月13日
發(fā)明者孫曉峰, 崔傳勇, 金濤 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所