[發明專利]一種鈷基高溫合金及其制備方法

有效

• 申請號: 201610948771.2
• 申請日: 2016-11-03
• 公開（公告）號: CN106435282B
• 公開（公告）日: 2018-02-13
• 發明（設計）人: 龍堅戰;易茂中;冉麗萍;陳飛;邱智海
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: C22C19/07
• 分類號: C22C19/07;C22C30/00;C22C1/05;C22F1/10;C22F1/16
• 代理公司: 長沙科明知識產權代理事務所(普通合伙)43203
• 代理人: 彭乃恩,吳蘭秀

技術領域

本發明涉及一種鈷基高溫合金材料及其制備方法，特別是一種通過粉末冶金技術制備的同時析出γ′-相和碳化物相強化基體的Co-Ni-Al-W-C高溫合金及其制備方法。

背景技術

鈷基高溫合金具有優異的抗熱腐蝕、抗氧化和抗熱疲勞等性能，廣泛用于航空航天發動機、地面燃氣輪機及其他在惡劣環境服役的關鍵設備中。傳統的Co基高溫合金主要是通過W、Cr元素的固溶強化和/或析出碳化物來共同強化基體來增強合金，這與通過γ′相析出強化的鎳基高溫合金相比，高溫強度不足。因此，其高溫強度和承溫能力顯著低于依靠γ′相(Ni₃Al)強化的鎳基高溫合金, 從而阻礙了其在高溫條件下的應用。

日本學者J.Sato等人于2006年在期刊Science《科學》第312卷第90-91頁上發表的文章“Cobalt-Base High-Temperature Alloys（鈷基高溫合金）”中提到了Co-W-Al高溫合金通過沉淀析出具有L1₂結構的三元化合物γ′(Co₃(Al,W))相進行強化后，合金具有優異的高溫性能，其高溫流變應力顯著高于傳統鈷基高溫合金, 并在1000 ℃接近或超出傳統鎳基高溫合金，可成為燃氣渦輪發動機熱端部件的候選材料。這主要是由于具有L1₂結構的γ′相呈現隨著溫度上升強度也升高的逆溫度效應，故適合于耐熱材料的高強度化。又如中國專利“耐高溫鈷基高溫合金”(申請公告號CN101671785A)提供了一種γ′相析出強化的耐高溫鈷基高溫合金。其與現有技術相比，除具有良好的抗氧化性外，還具有更好的強度。但是，γ′(Co₃(Al,W))相的存在相區間很窄。給Co-W-Al基高溫合金的工業應用帶來很大的困難。

相比傳統鎳基高溫合金，具有γ+γ′結構的鈷基高溫合金在高溫條件下具有更高的使用溫度，更加優異的抗熱腐蝕性以及更高的抗氧化性和抗磨損性能。對高溫磨損性能要求更高的使用條件下，單一的依靠γ′相強化基體大幅度提高合金的耐磨性是很有限的。因此，采用多種強化方法互補是有效提高高溫耐磨性的一條有效途徑。

一般的鈷基或鎳基高溫合金采用的都是熔煉鑄造方法制備。該制備方法容易造成合金的組織結構粗大，γ′析出相分布不勻等缺陷，造成該種合金的潛在性能沒有全部發揮出來。特別是添加了較高的Cr含量后，熔煉鑄造方法很容易造成成分偏析，嚴重影響合金組織的均勻性和性能。如日本學者Kazuya Shinagawa等人于2009年在期刊Scripta Materialia《材料快報》第61卷第612-615頁上發表的文章“Ductility enhancement by boron addition in Co-Al-W high-temperature alloys（B添加對Co-Al-W高溫合金的塑性改善的影響）”中也提到了上述Co基高溫合金的制備主要是采用在惰性氣體下感應熔煉、熱軋、淬火和時效等工藝過程得到的。這種制備方法在中國授權專利“高耐熱性、高強度Co基合金及其制造方法”（授權公告號CN101248198B）中也得到了公示。

而采用粉末冶金技術制備的高溫合金材料，其合金具有合金化程度高、晶粒細小、組織均勻、加工性能好、高溫持久、蠕變、疲勞性能高等優點。相比熔煉鑄造方法，其組織和性能具有明顯的優勢。但在粉末冶金制備過程中，合金的致密化程度會嚴重影響合金的性能。而氧含量和氧化物含量的控制是影響合金燒結過程中的致密化程度的重要因素，如燒結過程中氧化物的形成容易造成合金潤濕性的降低，造成合金中的界面結合弱化，從而造成材料孔隙度增加和性能降低。因此，氧化物的控制顯得尤為重要。

同時，直接添加元素粉末容易在燒結過程中發生一些有害的化合反應，如Ni+Al和Co+Al，燒結中由于發生激烈化合反應而導致大的孔洞的形成，對合金致密化產生不利的影響。上述問題可通過采用添加Al的中間化合物預合金粉末的方式來解決。如中國專利“以鎳-鋁金屬間化合物Ni₃Al為粘結相的硬質合金的制備方法”（授權公告號CN102140603B）提供了一種采用Ni、Al元素粉末先制備出成分均勻、粒度細小碳化物和Ni₃Al的預合金混合粉末，可以避免單純添加Ni₃Al金屬間化合物預合金粉末、而其粒度粗大造成后續液相燒結過程中孔洞和“金屬池”的產生。但是，該方法對Ni與Al的成分比例有嚴格的限制，且通過熱處理需獲得全部的Ni₃Al相的金屬間化合物預合金粉末。

發明內容