[發明專利]一種高溫合金及其制備方法

有效

• 申請號: 202010948176.5
• 申請日: 2020-09-10
• 公開（公告）號: CN112080670B
• 公開（公告）日: 2021-09-17
• 發明（設計）人: 崔傳勇;張瑞;周亦胄;孫曉峰
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: C22C19/05
• 分類號: C22C19/05;C22F1/10
• 代理公司: 北京煦潤律師事務所 11522
• 代理人: 柴明英;梁永芳

本發明提供一種高溫合金及其制備方法，該高溫合金含有納米孿晶，以重量百分比計，高溫合金包括如下成分：Co 18?25％、Cr 11?15％、Ti 5?6.3％、Al 1.0?3.0％、W 1?4％、Mo 1?4％、Fe 0?4％、Ta 0?4％、C0.05％、Zr0.05％、余量為Ni。高溫合金的制備方法包括如下步驟：1)對合金原料進行熔煉處理，澆注成電極；對電極進行電渣重熔處理，澆注成合金錠；2)對合金錠進行均勻化處理；3)對均勻化處理后的合金錠進行熱加工處理，得到合金棒材；4)合金棒材上切取部分作為加工件，在0.45?0.67Tm的溫度及應變速率低于10^?2s^?1的條件下，使加工件進行變形量為2?30％的塑性變形，得到含納米孿晶的高溫合金。本發明的高溫合金在750℃以下具有良好的熱穩定性，尤其在600℃以下其屈服強度比無納米孿晶的高溫合金提高了15％以上。

技術領域

本發明涉及一種金屬結構材料領域，特別是涉及一種高溫合金及其制備方法。

背景技術

為了滿足航空發動機不斷提高的性能要求，發動機的燃氣進口溫度從20世紀70年代的1330℃發展到90年代的1580-1680℃、進一步發展到本世紀初的1730℃。高溫合金渦輪葉片和渦輪盤作為發動機的核心熱端部件，其必須具有不斷提高的承溫承載能力，這使得高溫合金葉片和渦輪盤的制備技術成為現代航空發動機設計與制造的重大關鍵技術之一。未來5-10年，我國高推重比航空發動機的研制將需要生產承溫能力更高的高溫合金。

作為固定葉片、連接葉片與渦輪軸的核心部件，渦輪盤的可靠性和使用性能至關重要，這就對渦輪盤用高溫合金的研制提出了極高的要求。目前，渦輪盤常用的變形高溫合金主要有含15％左右的γ″沉淀相的GH4169合金、20％γ′的GH4738合金和45％γ′相的GH4720Li合金。隨著合金承溫能力的提高，合金化程度越來越高。為了進一步提高變形合金的使用溫度和組織穩定性，目前主要采用降低Cr含量、提高難熔元素總量(W、Nb、Ta、Re、Mo等)、以及提高沉淀強化相γ′含量的合金設計方法，來有效地強化高溫合金，但合金的熱加工性能越來越差。

現有的一種相關技術公開了一種鎳鈷基高溫合金(TMW)及其設計方法，按重量百分比計，合金成分包括：Co：23.1～55％、Cr：2～25％、Ta：0～10％、W：0～10％、Mo：0～10％、Zr：0～0.5％、Nb：0～5％、Ti：3.0～15.0％、Al：0.2～7％、Re：0～5％、V：0～2％、Fe：0～2％、Hf：0～2％、Mg：0～0.1％、C：0～0.5％、B：0～0.1％、Ni：余量。該技術提出了一種新的合金設計方法，即將具有γ/γ′兩相結構的鎳基高溫合金與具有γ′/γ′結構的鈷基合金混合，得到使用溫度達到750℃的TMW合金。TMW合金在使用區(中溫區)具有較高強度而在加工區(高溫區)具有良好的可加工性。

現有的另一種相關技術公開了一種組織穩定性好、易加工的鎳鈷基高溫合金，按重量百分比計，合金成分包括：Ru 0.1-10％、Co 22-35％、Cr 10-20％、Ta 0.10-5％、W0.10-5％、Mo 0.10-5％、Ti 3-10％、Al 0.2-5％、Zr 0.01-0.10％、V 0.10-1％、Nb 0.10-5％、Hf 0.1-2％、C 0.005-0.15％、Fe 0-2％、Mg 0.01-0.1％、Mn 0.05-0.50％、B 0.005-0.1％、余量為Ni。

但是，上述兩種現有技術公開的合金中合金化程度很高，嚴重的元素偏析和高γ′沉淀相含量使合金的熱加工性能惡化，低周疲勞性能和疲勞裂紋容易擴展。因此傳統的固溶強化、沉淀強化、細晶強化和加工硬化等強化手段在高耐熱變形高溫合金都具有一定局限性。

另外，相關文獻公開了一種利用納米孿晶來同時提高金屬材料強度和塑性的新型材料強化理論。其中，納米尺度孿晶結構主要通過電解沉積、磁控濺射沉積、塑性變形和相變等技術來制備。這種納米孿晶強化途徑對發展新材料和改善傳統工程材料綜合性能方面具有巨大的發展潛力。但是這種強化理論只適用于室溫環境，而在高溫下，由于納米孿晶很容易長大，失去這種強化效果。