[發明專利]900℃組織穩定的立方形γ′納米粒子共格析出強化的高溫合金及制備方法

有效

• 申請號: 202110991114.7
• 申請日: 2021-08-26
• 公開（公告）號: CN113684398B
• 公開（公告）日: 2022-05-13
• 發明（設計）人: 王清;李金臨;董闖;呂夢甜
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: C22C19/07
• 分類號: C22C19/07;C22C30/00;C22F1/10;C22C1/02
• 代理公司: 遼寧鴻文知識產權代理有限公司 21102
• 代理人: 苗青

本發明提供一種900℃組織穩定的立方形γ’納米粒子共格析出強化的高溫合金及制備方法，屬于Co基高溫合金領域，包括Co、Ni、Al、W、Mo、Ti、Nb、Ta、Cr元素，其合金成分的質量百分比(wt.％)為，Ni：22.6～28.2，Al：2.6～4.2，W：9.1～17.7，Mo：0～5.0，Ti：1.2～1.5，Nb：0～2.4，Ta：0～4.6，Cr：2.4～5.1，Co：余量。本發明通過合金成分設計實現了立方形的γ′納米粒子在γ基體上共格析出，且γ′納米粒子在900℃可長期穩定存在，使該合金具有良好的高溫力學性能、優異的抗氧化性、耐蝕性及抗熱腐蝕能力；另外，本發明的制備工藝簡單，是一種在航空航天領域具有良好應用前景的新型高溫合金。

技術領域

本發明屬于Co基高溫合金領域，涉及一種900℃組織穩定的立方形γ′納米粒子共格析出強化的Co-Ni-Al-W/Mo-Cr-Ti/Nb/Ta高溫合金及制備方法。

背景技術

高溫合金由于在高溫下具有優異的力學性能及抗蠕變能力，應用于航空航天發動機和工業燃氣輪機領域，其中具有立方形有序γ′(L1₂-Ni₃Al結構)納米粒子在面心立方FCC-γ基體上共格析出的Ni基高溫合金應用最為廣泛。然而，近年來隨著航空航天技術的不斷發展，Ni基高溫合金的服役溫度已接近其熔點，很難繼續滿足實際需求。同Ni元素相比，Co元素的熔點更高，并且具有更好的抗熱腐蝕能力，所以Co基高溫合金成為近年來的研究熱點。傳統的Co基高溫合金通常添加Cr、W、Nb、Ta、Ti、C等元素，在起到固溶強化作用的同時，會在FCC-γ基體上析出碳化物(MC/M₂₃C₆等)進一步強化，但碳化物粒子的析出強化在高溫下遠低于γ/γ′共格析出強化。此外，Co元素在420℃以下還會發生從FCC結構到密排六方HCP結構的同素異構轉變，這種結構的不穩定嚴重限制了傳統Co基高溫合金的高溫性能和使用溫度的進一步提高。

不同于傳統Co基高溫合金，2006年，Sato等人在Co-Al-W三元合金體系中首次發現了具有L1₂結構的γ′-Co₃(Al,W)析出相，并且成功制備出具有與Ni基高溫合金相似共格組織，即立方形γ′-Co₃(Al,W)納米粒子在γ-Co基體上共格析出，使該合金在870℃下表現出了優異的力學性能。然而與高溫穩定的γ′-Ni₃Al不同的是，亞穩的γ′-Co₃(Al,W)相在高溫900℃及以上時效過程中容易分解為FCC-γ、β-CoAl、χ-Co₃W和μ-Co₇W₆穩定相，由于析出相的晶體結構發生了變化，從而會破壞原有的γ/γ′共格關系；并且這些穩定析出相與基體之間存在較大的晶格畸變，在位錯運動過程中很容易產生應力集中，從而誘發裂紋萌生，惡化了合金的力學性能。

因此，制約當前Co基高溫合金發展與應用的兩個核心問題：一方面在于如何實現在FCC-γ基體上共格析出立方形γ′納米粒子；另一方面該立方形γ′納米粒子在900℃及以上的高溫服役環境中能夠長期穩定存在。鑒于此，本發明提供了一種900℃組織穩定的立方形γ′納米粒子共格析出強化的Co-Ni-Al-W/Mo-Cr-Ti/Nb/Ta高溫合金。

發明內容

本發明設計開發了一種900℃組織穩定的立方形γ′納米粒子共格析出強化的Co-Ni-Al-W/Mo-Cr-Ti/Nb/Ta高溫合金，該合金與現有的Co基高溫合金相比，立方形γ′-(Co/Ni)₃(Al,W,Mo,Ti,Nb,Ta)納米粒子在FCC-γ基體上共格析出，并且γ′納米粒子900℃長期時效后不發生明顯的粗化，展現出優異的熱力學穩定性，使得該合金具有良好的高溫力學性能、優異的抗氧化性、耐蝕性及抗熱腐蝕能力。本發明的目的是通過合金成分設計，開發出一種在航空航天領域具有良好應用前景的新型高溫合金。

本發明采用的技術方案是：