[发明专利]一种高强度的γ′相强化型钴基高温合金

说明书

本发明公开了一种高强度的γ′相强化型钴基高温合金，该合金材料主要由Co、Ni、Al、W、Cr、Ta、Ti等元素组成，其质量百分比表示为：20.0‑24.5％Ni，14.5‑19.5％W，3.4‑6.0％Al，3.0‑6.8％Cr，4.0‑5.8％Ta，1.5‑2.0％Ti，0.3‑1.0％Mo，0‑0.14％Zr，0.01‑0.015％B，0‑0.1％C，0‑0.007％Y，Co为余量。该合金的主要组成相是(a)钴基固溶体γ+金属间化合物γ′，或(b)钴基固溶体γ+金属间化合物γ′+MC型碳化物+晶界弥散析出金属间化合物μ。该合金可用于冶金、石油、能源、电力等工业领域中涡轮机热端部件，其工作温度可达900℃。该合金高温强度较高，高温条件下(700‑900℃)该合金的屈服强度约为DZ40M的2‑3倍；该合金的持久性能、抗高温氧化和热腐蚀性能优异，均优于传统钴基高温合金。

技术领域

本发明属于新材料技术领域，涉及一种高强度的新型γ′相强化型钴基高温合金。

背景技术

提高燃气轮机的功率和效率，提升燃气入口温度(Turbine Inlet Temperature,TIT)是促进现代工业发展的重要前提。而燃气轮机TIT的提高须靠综合性能优异的高温合金来保证。目前，国内外广泛使用镍基高温合金(如IN738LC、Rene5SC、MGA1400，GTD-111DS等)作为燃气轮机热端部件材料。与镍基高温合金相比，钴基高温合金虽然具有抗蠕变性能和抗热腐蚀性能好、低热膨胀系数以及高导热性等优点，但是传统钴基高温合金缺乏γ′相沉淀强化效应，其高温强度无法得到保证，仅在燃气轮机中导向叶片等低应力需求的场合中有所应用。

自2006年Sato.等在Co-Al-W合金中发现了具有L1₂结构γ′-Co₃(Al,W)，其强化方式与传统的镍基高温合金相似，有望大幅度提高钴基合金的高温强度。不仅如此，钴基高温合金的初溶温度高于镍基高温合金，可打破熔点给高温合金使用温度的提升带来的制约。资料显示，燃气轮机TIT每提升10℃，其功率和效率可提高1％，因此新型γ′相强化钴基高温合金的研发具有很大的应用前景。

新型钴基高温合金的研发初期，有研究学者指出，900和1000℃时Sato.等所发现的γ′相相区非常小，并处于一种亚稳的状态，900℃时γ′相容易向γ、D0₁₉和B2相转化。因此Ta、Ti、Nb、Mo和V等元素需要添加到钴基合金中以稳定γ′相。然而Ta、Mo添加可促进μ相析出，Ti可促进形成Co₂AlTi，而V、Nb等能够显著降低合金的抗氧化性能。添加合金元素的同时，需要综合考虑各元素对合金相平衡、力学行为和抗高温氧化及热腐蚀行为的影响。因此，优化合金成分设计成为了新型钴基高温合金研发的关键。

发明内容

本发明目的旨在提供一种具有较高的高温强度、良好的持久性能、优异的抗高温氧化和抗热腐蚀性能的新材料。其γ′相可在950℃以下稳定存在并为立方形貌，且该相体积百分数可达60％以上。

本发明合金的成分特点考虑了如下因素：

Ni：稳定γ基体，并扩大γ′相相区，增加合金γ′相的初溶温度。

W：γ′相的组成元素，且W含量越高，γ′相的初溶温度越高。不仅如此，W固溶于基体中起到固溶强化作用，使合金具有更高的高温强度。

Al：γ′相的组成元素，且在高温氧化和热腐蚀过程中，合金表面形成氧化铝层，可保护基体被进一步氧化或腐蚀，然而Al含量较高合金将析出β相。

Ti：Ti在γ′相中倾向于占Co/W位，Ti稳定γ′相(增加其析出温度和体积分数)，Ti和Ta结合可显著提升抗氧化性和蠕变性能，然而Ti含量较高合金将析出β相。

Ta：Ta在γ′相中倾向于占W位，Ta稳定γ′相(增加其析出温度和体积分数)，然而Ta含量较高合金将球化γ′相。