[发明专利]一种高温稳定γ’相强化的钴基高温合金及其制备方法

说明书

技术领域

 本发明属于新材料技术领域，涉及一种具有γ/γ'两相结构且γ'相高温稳定的钴基高温合金。

背景技术

高温合金广泛应用于航空航天、海洋舰船、能源动力、核工业、石油化工等领域，特别适用于涡轮发动机等先进动力推进系统的热端部件。此类部件多使用镍基高温合金，因为其不仅具有优良的抗氧化腐蚀性能，更拥有L1₂晶体结构的γ'相强化所提供的优异高温力学性能。

钴基高温合金是应用较早的一类高温合金，具有比镍基合金更高的熔点、更为优越的耐热腐蚀性、耐热疲劳性和焊接性能。然而，由于其主要依靠固溶强化及碳化物强化，高温强度和承温能力显著低于依靠γ'相强化的镍基高温合金，因而应用范围仅限于某些特定服役条件下的高温部件。虽然钴基合金中曾发现具有L1₂结构的γ'相Co₃Ti和Co₃Ta，但其稳定存在温度均不超过800°C，而且高温强度有限，未成功实现商业应用。

近年来，Ishida等人发明了具有L1₂结构的γ'-Co₃(Al,W)强化的Co-Al-W基高温合金，γ'相溶解温度在1000 ~ 1140°C之间，与Co₃Ti和Co₃Ta相比提高200°C以上，γ/γ'两相组织可在1000°C稳定存在；室温拉伸性能和高温硬度优于传统的镍基高温合金Waspaloy，表明此类合金有可能成为一种新的高温结构材料（美国专利，公开号20080185078A1，公开日2008年8月7日，专利名称Cobalt-base alloy with high heat resistance and high strength and process for producing the same；中国专利，公开号101248198B，公开日2010年6月16日，专利名称《高耐热性、高强度Co基合金及其制造方法》）。随后发展的含C、B、Hf和Si等晶界强化元素的Co-Al-W基高温合金，与传统钴基高温合金M303、N509和X-40相比，具有更为优异的高温拉伸和蠕变性能（美国专利，专利号20100061883A1，公开日2010年3月11日，专利名称High-temperature-resistant cobalt-base superalloy；中国专利，公开号CN101671785A，公开日2010年3月17日，专利名称《耐高温钴基高温合金》）。在Co-Al-W基合金中添加高含量的Ni、Al和Cr元素后，可能得到优异的高温抗氧化性及抗腐蚀性（美国专利，公开号20110268989A1，公开日2011年11月3日，专利名称Cobalt-nickel superalloys, and related articles；中国专利，公开号102234732A，公开日2011年11月9日，专利名称《钴镍超合金及相关制品》）。

但是，现有Co-Al-W基合金的主要问题为γ'相溶解温度多在1000 ~ 1100°C范围内，导致具有典型强化效果的γ/γ'两相组织（γ'相体积分数大于60%，且均匀分布在γ相中）形成温度范围只有900 ~ 1000°C，不易在1000°C以上的更高温度范围内形成类似的γ/γ'两相组织，从而不能进一步提高其高温强度，表明此类钴基合金的承温能力依然有限。

发明内容

本发明的目的在于通过合金成分设计，利用合金元素之间的交互作用，提供一种γ'相溶解温度更高的Co-Al-W基高温合金，其可在1000°C以上形成γ'相形貌立方且体积分数大于60%的γ/γ'两相组织。

本发明通过如下技术方案实现：

本发明的一种高温稳定γ'相强化的钴基高温合金，其化学成分按原子百分数为：4 ~ 12%Al，4 ~ 12% W，1 ~ 4% Ta，1 ~ 6% Ti，0 ~ 10% Cr，0 ~ 3% Mo，0 ~ 2% Hf，0 ~ 1% C，0 ~ 1% B，余量Co；该合金由奥氏体的基体相γ相和L1₂晶体结构的析出相γ'相两相组成，其中γ'形貌为立方状且体积分数大于60%，其均匀分布在γ相中。

进一步，所述高温稳定γ'相强化的钴基高温合金，合金成分包括：5 ~ 10% Al，5 ~ 10% W，1 ~ 3% Ta，2 ~ 6% Ti，余量Co；