專利名稱：：一種Co-M-C合金及其采用液態(tài)金屬冷卻法制備Co-M-C合金的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種鈷基高溫合金，更特別地說，是指一種Co-M-C高溫合金，以及采用液態(tài)金屬冷卻法制備Co-M-C合金的方法。
背景技術(shù)：
：為了滿足航空發(fā)動機及工業(yè)燃氣渦輪機對材料的苛刻要求，研制了鈷基、鐵基、鎳基高溫合金。相對于鐵基、鎳基高溫合金，鈷基高溫合金有如下特點(1)髙溫強度髙于鐵基、鎳基合金；(2)抗髙溫氧化和耐熱腐蝕性能優(yōu)于鐵基、鎳基合金；(3)使用溫度高于鐵基、鎳基合金，在鎳基合金的基礎(chǔ)上提高55"C左右；(4)鈷基高溫合金具有平坦的持久、時間-溫度性能參數(shù)，對于高溫低應(yīng)力工作條件下的靜部件具有重要價值；(5)鈷基高溫合金導(dǎo)熱性高，并且熱膨脹系數(shù)較低，適合于制造長期服役并要求抗熱疲勞性能好的大截面高溫部件。傳統(tǒng)快速凝固法釆用水作為冷卻介質(zhì)，冷卻速度以及溫度梯度較低(30°C/cm80°C/cm)，而鈷基合金中含有大量難熔元素如W、Mo、Ta等以及大量碳化物，難熔元素在凝固過程中造成組織不均勻和成分偏析及碳化物尺寸大和分布不均勻，影響了合金的使用壽命。液態(tài)金屬冷卻法是在快速凝固法的基礎(chǔ)上,將抽拉出的鑄件部分浸入具有高導(dǎo)熱系數(shù)的髙拂點、低熔點、熱容量大的液態(tài)金屬中。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的之一是提供一種Co-M-C高溫合金，該Co-M-C高溫合金中的M是指鉻Cr、鎳Ni、鎢W、鉬Mo、鋁A1、鈦Ti、鉭Ta、鋯Zr或者硼B(yǎng)金屬元素中的一種或者兩種以上的組合。本發(fā)明的另一目的是提出一種采用液態(tài)金屬冷卻法制備Co-M-C合金的方法，該方法中的液態(tài)金屬為鎵銦合金或者錫合金，通過控制冷卻速度、固液界面的溫度梯度，能夠制備出一次枝晶間距小、組織均勻、低偏析的、性能優(yōu)良的Co-M-C高溫合金。本發(fā)明采用液態(tài)金屬冷卻法制備Co-M-C合金的方法，其步驟有步驟一制液態(tài)金屬(A)將質(zhì)量百分比純度為99.99%的鎵和質(zhì)量百分比純度為99.99%的銦加熱至8crc20crc下，反應(yīng)呈液態(tài)鎵銦，然后將液態(tài)鎵銦倒入定向凝固爐的冷卻罐中作為冷卻介質(zhì)；用量1000g的鎵中加入100300g的銦；或者(B)將質(zhì)量百分比純度為99.99G/。的錫加熱至80。C20CrC下，反應(yīng)呈液態(tài)錫，然后將液態(tài)錫倒入定向凝固爐的冷卻罐中作為冷卻介質(zhì)；步驟二制備Co-M-C圓柱棒按Co-M-C高溫合金的質(zhì)量百分比用量稱取各元素，并放入真空感應(yīng)爐中，在真空度1乂10-2尸"~5乂10-4"、熔煉溫度160(TC下熔煉515min后制得錠材;然后采用線切割方法將錠材切割成-15mmX200mm的Co-M-C圓柱棒；Co-M-C高溫合金的質(zhì)量百分比用量為<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>步驟三液態(tài)金屬冷卻制定向Co-M-C高溫合金棒將步驟二制得的Co-M-C圓柱棒放入定向凝固爐的99瓷陶瓷模殼中；在真空度1X10—2尸a5xl0—4Pa、單晶爐內(nèi)溫度至1600。C1650。C下保溫510min待合金棒材完全熔化；然后將熔化后的Co-M-C高溫合金以215mw/min的速度通過液態(tài)金屬冷卻罐進行拉晶處理，拉晶時的溫度梯度為260°C/cm300°C/cm，拉晶結(jié)束后，隨爐冷卻至室溫，制得具有取向的Co-M-C高溫合金。實施例1:采用液態(tài)金屬冷卻法在1650°C、溫度梯度280。C/cm和10w附/min拉晶速率下的制備Co-Cr-C高溫合金的步驟有步驟一制錫液態(tài)金屬將質(zhì)量百分比純度為99.99%的錫加熱至120°C，反應(yīng)呈液態(tài)錫，然后將液態(tài)錫倒入定向凝固爐的冷卻罐中作為冷卻介質(zhì)；在本發(fā)明中，液態(tài)金屬能夠提供280°C/cm的溫度梯度，有利于在定向凝固過程中得到一次枝晶間距小、組織均勻、低偏析的性能優(yōu)良Co-Cr-W-C高溫合金。步驟二制備Co-Cr-C圓柱棒按Co-Cr-C高溫合金的質(zhì)量百分比用量稱取各元素，并放入真空感應(yīng)爐中，在真空度5X10—2&、熔煉溫度160(TC下熔煉10min后制得錠材；然后采用線切割方法將錠材切割成^15mmX200mm的Co-Cr-C圓柱棒；Co-Cr-C高溫合金中的質(zhì)量百分比用量為<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>步驟三液態(tài)金屬冷卻制定向Co-Cr-C高溫合金才奉將步驟二制得的Co-Cr-C圓柱棒放入定向凝固爐的99瓷陶瓷模殼中；在真空度5X10—2Pa、單晶爐內(nèi)溫度至165CTC下保溫10min待合金棒材完全熔化；然后將熔化后的Co-Cr-C高溫合金以10mm/min的速度通過液態(tài)金屬冷卻罐進行拉晶處理，拉晶時溫度梯度為280°C/cm,拉晶結(jié)束后，隨爐冷卻至室溫，制得具有取向的Co-Cr-C髙溫合金的微觀組織進行觀察，發(fā)現(xiàn)一次枝晶間距較小，組織均勻，碳化物細小，故具有優(yōu)良的凝固組織。采用型號為GWT304的固定載荷蠕變試驗機。在980。C/83M戶fl條件下測得實施例1制得的具有取向的Co-Cr-C高溫合金的高溫持久性能為124.5小時，延伸率為9.5%,斷面收縮率為29.7%。實施例2:采用液態(tài)金屬冷卻法在165(TC、溫度梯度300。C/cm和7mm/min拉晶速率下的制備Co-Cr-Ni-W-Mo-Al-Ti-Ta-Zr-B-C高溫合金的步驟有步驟一制液態(tài)金屬將質(zhì)量百分比純度為99.99。/。的鎵和質(zhì)量百分比純度為99.99%的銦加熱至15crc下，反應(yīng)呈液態(tài)鎵銦，然后將液態(tài)鎵銦倒入定向凝固爐的冷卻罐中作為冷卻介質(zhì)；用量1000g的鎵中加入100g的銦；在本發(fā)明中，液態(tài)金屬能夠提供300°C/cm的溫度梯度，有利于在定向凝固過程中得到一次枝晶間距小、組織均勻、低偏析的性能優(yōu)良Co-Cr-Ni-W-Mo-Al-Ti-Ta-Zr-B-C高溫合金。步驟二制備Co-Cr-Ni-W-Mo-Al-Ti-Ta-Zr-B-C圓柱棒按Co-Cr-Ni-W-Mo-Al-Ti-Ta-Zr-B-C高溫合金的質(zhì)量百分比用量稱取各元素，并放入真空感應(yīng)爐中，在真空度3X10—4&、熔煉溫度1600。C下熔煉8min后制得微;然后釆用線切割方法將錠材切割成^15mmX200mm的Co-Cr-Ni-W-Mo-Al-Ti-Ta-Zr-B-C圓柱棒；Co-Cr-Ni-W-Mo-Al-Ti-Ta-Zr-B-C高溫合金的質(zhì)量百分比用量為:Co(wt%)金屬元素M(wt%)C(wt%)CrNiWMoAlTiTaZrB余量10~250~100~100~20~30~10~10~10~0.50.01~0.5步驟三液態(tài)金屬冷卻制定向Co-Cr-Ni-W-Mo-Al-Ti-Ta-Zr-B-C高溫合金棒將步驟二制得的Co-Cr-Ni-W-Mo-Al-Ti-Ta-Zr-B-C圓柱棒放入定向凝固爐的99瓷陶瓷模殼中；在真空度3X10_4尸"、單晶爐內(nèi)溫度至1650。C下保溫6min待合金棒材完全熔化；然后將熔化后的Co-Cr-Ni-W-Mo-Al-Ti-Ta-Zr-B-C高溫合金以7wm/min的速度通過液態(tài)金屬冷卻罐進行拉晶處理，拉晶時溫度梯度30CTC/cm，拉晶結(jié)束后，隨爐冷卻至室溫，制得具有取向的Co-Cr-C高溫合金的微觀組織進行觀察，發(fā)現(xiàn)一次枝晶間距較小，組織均勻，碳化物細小，故具有優(yōu)良的凝固組織。釆用型號為GWT304的固定載荷蠕變試驗機。在980。C/83MP"條件下測得實施例1制得的具有[OOl]取向的Co-Cr-C高溫合金的高溫持久性能為226.7小時，延伸率為29.7%，斷面收縮率為32.8%。實施例3:采用液態(tài)金屬冷卻法在1600。C、溫度梯度260°C/cm和5mm/min拉晶速率下的制備Co-Cr-W-C高溫合金的步驟有步驟一制鎵銦液態(tài)金屬將質(zhì)量百分比純度為99.99%的鎵和質(zhì)量百分比純度為99.99%的銦加熱至180°C，反應(yīng)呈液態(tài)鎵銦，然后將液態(tài)鎵銦倒入定向凝固爐的冷卻罐中作為冷卻介質(zhì)；用量1000g的鎵中加入230g的銦；在本發(fā)明中，鎵銦液態(tài)金屬能夠提供26CTC/cm的溫度梯度，有利于在定向凝固過程中得到一次枝晶間距小、組織均勻、低偏析的性能優(yōu)良Co-Cr-C高溫合金。步驟二制備Co-Cr-W-C圓柱棒按Co-Cr-W-C髙溫合金的質(zhì)量百分比用量稱取各元素，并放入真空感應(yīng)爐中，在真空度3X10—3&、熔煉溫度160(TC下熔煉5min后制得錠材；然后采用線切割方法將錠材切割成^15m附X200附m的Co-Cr-W-C圓柱棒；Co-Cr-W-C高溫合金的質(zhì)量百分比用量為Co金屬元素M(wt%)C(wt%)CrNiwMoAlTiTaZrB(wt%)余量12.5070000000.35步驟三液態(tài)金屬冷卻制定向Co-Cr-W-C高溫合金棒將步驟二制得的Co-Cr-W-C圓柱棒放入定向凝固爐的99瓷陶瓷模売中；在真空度5X10—4尸"、單晶爐內(nèi)溫度至160(TC下保溫5min待合金棒材完全熔化；然后將熔化后的Co-Cr-W-C高溫合金以5/ww/min的速度通過液態(tài)金屬冷卻罐進行拉晶處理，拉晶時溫度梯度260°C/cm，拉晶結(jié)束后，隨爐冷卻至室溫，制得具有001]取向的Co-Cr-W-C高溫合金。采用奧林巴斯金相顯微鏡對實施例2制得的具有[OOlj取向的Co-Cr-C髙溫合金的微觀組織進行觀察，發(fā)現(xiàn)一次枝晶間距較小，組織均勻，碳化物細小，故具有優(yōu)良的凝固組織。釆用型號為GWT304的固定載荷蠕變試驗機。在98(TC/83MP"條件下測得實施例1制得的具有取向的Co-M-C高溫合金。3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的采用液態(tài)金屬冷卻法制備Co-M-C合金，其特征在于在980°C/83MPa條件下測得具有[001取向的Co-Cr-C高溫合金的高溫持久性能為54小時226.7小時，延伸率為7.6%45.6%，斷面收縮率為15.4%~57.9%。全文摘要本發(fā)明公開了一種Co-M-C合金及其采用液態(tài)金屬冷卻法制備Co-M-C合金的方法，該Co-M-C高溫合金中的M是指鉻Cr、鎳Ni、鎢W、鉬Mo、鋁Al、鈦Ti、鉭Ta、鋯Zr或者硼B(yǎng)金屬元素中的一種或者兩種以上的組合。本發(fā)明采用液態(tài)金屬冷卻法制備Co-M-C合金，該方法中的液態(tài)金屬為鎵銦合金或者錫合金，通過控制冷卻速度、固液界面的溫度梯度，能夠制備出一次枝晶間距小、組織均勻、低偏析的、性能優(yōu)良的Co-M-C高溫合金。文檔編號C22C19/07GK101654754SQ20091009156公開日2010年2月24日申請日期2009年8月27日優(yōu)先權(quán)日2009年8月27日發(fā)明者宮聲凱,虎張,張岳香,徐惠彬,湯林志申請人:北京航空航天大學(xué)