一种粉末高温合金及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种粉末高温合金，属于金属材料技术领域，解决了当前航空发动机中涡轮盘等热端部件对高温合金材料要求苛刻、而现有高温合金材料无法满足其性能要求的技术问题。该粉末高温合金的化学成分及其质量分数为：Cr 7～12％；Co 15～20％；W 2.5～3.5％；Mo 2.5～3.5％；Ta 2.2～2.8％；Nb 2.2～2.8％；Al 3.0～3.6％；Ti 2.8～3.4％；Hf 0.3～0.7％；C 0.03～0.08％；B 0.03～0.06％；Zr 0.03～0.06％，余量为Ni。该粉末高温合金具有良好的高温强度和高温组织稳定性，以及优异的高温蠕变性能和高温持久性能，主要用于制备航空发动机涡轮盘等热端部件。

A powder metallurgy superalloy and its preparation method

The invention relates to a powder superalloy, which belongs to the technical field of metal materials, and solves the technical problem that the hot end parts such as turbine discs in aero-engines have strict requirements for superalloy materials, but the existing superalloy materials can not meet their performance requirements. The chemical composition and mass fraction of the Powder Superalloy are: Cr 7-12%; Co 15-20%; W 2.5-3.5%; Mo 2.5-3.5%; Ta 2.2-2.8%; Nb 2.2-2.8%; Al 3.0-3.6%; Ti 2.8-3.4%; Hf 0.3-0.7%; C 0.03-0.08%; B 0.03-0.06%; Zr 0.03-0.06%; the remainder is Ni 2.2-2.8%; . The Powder Superalloy has good high temperature strength and microstructure stability, as well as excellent high temperature creep properties and high temperature rupture properties. It is mainly used to prepare aeroengine turbine disk and other hot end components.

【技术实现步骤摘要】
一种粉末高温合金及其制备方法
本专利技术涉及金属材料
，尤其涉及一种应用于航空发动机涡轮盘的新型第四代粉末高温合金及其制备方法。
技术介绍
涡轮盘是航空发动机中最为重要的热端部件之一，其工作条件对材料的高温组织稳定性、高的比强度、高损伤容限、高蠕变性能和热疲劳性能、抗氧化和耐腐蚀性等要求十分苛刻。粉末高温合金具有组织均匀、无宏观偏析、晶粒细小、屈服强度高、疲劳性能好等优点，因此，成为制备涡轮盘的首选材料。美国于上世纪六十年代制定了MATE计划(先进涡轮发动机材料研究计划)，开始研制粉末高温合金。从其发展历程来看：第一代合金(以René95为代表)属于高强型，第二代合金(以René88DT为代表)属于损伤容限型，这两代合金的工作温度在650～700℃之间，被应用于推重比为7～8的第三代发动机；第三代合金(以René104为代表)属于高强/高损伤容限型，在700℃左右长期工作的组织稳定性比第一、二代合金显著增强，热时寿命提高20～30倍，最高工作温度达760℃左右，被应用于推重比为10的第四代发动机。对于推重比将达到20的在研VAATE(通用的、经济可承受的先进涡轮发动机计划)发动机，其高压涡轮盘的最高工作温度将达到815℃或更高。这比第三代合金的承温能力高出50℃以上。目前，美国正在研制用于VAATE发动机的第四代合金。国内粉末高温合金的研制工作始于1977年，目前，已成功研制的合金有FGH95、FGH96、FGH97和FGH98；而上述四种粉末高温合金远远不能满足航空设备尤其是航空发动机涡轮盘的要求，所以，对于粉末高温合金，我们还需要投入更多的研究，进一步提高粉末高温合金的综合性能。
技术实现思路
鉴于上述的分析，本专利技术旨在提供一种应用于航空发动机涡轮盘的新型第四代粉末高温合金及其制备方法，用以满足国内航空设备尤其是航空发动机涡轮盘的高性能要求。本专利技术的目的主要是通过以下技术方案实现的：本专利技术提供了一种粉末高温合金，该合金的化学成分及其质量分数为：Cr7～12％；Co15～20％；W2.5～3.5％；Mo2.5～3.5％；Ta2.2～2.8％；Nb2.2～2.8％；Al3.0～3.6％；Ti2.8～3.4％；Hf0.3～0.7％；C0.03～0.08％；B0.03～0.06％；Zr0.03～0.06％，余量为Ni。其中，该新型第四代粉末高温合金中Al、Ti、Nb、Ta为γ′相形成元素，Cr、Co、W、Mo为固溶强化元素，C、B、Zr、Hf为晶界强化元素。优选地，粉末高温合金中Al、Ti、Nb、Ta的总质量分数为：10.4％≤(Al+Ti+Nb+Ta)≤12.2％。优选地，粉末高温合金中Al、Ti的总质量分数为：6.0％≤(Al+Ti)≤6.5％，Al、Ti的质量比为1.00≤(Al/Ti)≤1.28。优选地，粉末高温合金中Nb、Ta、Hf的总质量分数为：5.0％≤(Nb+Ta+Hf)≤5.9％；Nb、Ta的质量比为：0.7≤(Nb/Ta)≤1.1。优选地，粉末高温合金中Cr、Co、W、Mo的总质量分数为：29.0％≤(Cr+Co+W+Mo)≤38.5％。优选地，粉末高温合金中Cr、W、Mo的总质量分数为：(Cr+W+Mo)≤18.0％。优选地，粉末高温合金的工作温度为815℃～850℃。优选地，粉末高温合金的显微组织主要由γ、γ′、MC和M6C、M3B2相组成。本专利技术还提供了一种粉末高温合金的制备方法，用于制备上述粉末高温合金，该制备方法包括以下步骤：S1.按粉末高温合金的化学成分及其质量分数配制原料，采用真空感应熔炼工艺制备母合金棒料；S2.采用旋转电极法(例如，等离子旋转电极法)或氩气雾化法将母合金棒料制成合金粉末。其中，可以选择等离子旋转电极法制备合金粉末，经筛分、去除夹杂后，得到粒度范围为50μm～150μm的合金粉末；S3.将符合粒度要求的合金粉末装入Φ108×170mm低碳钢包套，进行真空脱气和封焊(例如，电子束封焊)，得到封焊后的合金粉末；S4.对封焊后的合金粉末进行热等静压成形，得到锭坯，具体地，热等静压的温度为1160℃～1200℃，热等静压的压力为120MPa～140MPa，热等静压的时间为3h～5h。S5.对成形后的锭坯进行热处理。热处理工艺包括固溶和时效，具体地，固溶的温度为1140℃～1200℃，固溶时间为1.0h～2.5h，固溶后进行油淬；时效的温度为815℃～860℃，时效时间为6h～9h，时效采用空冷。本专利技术中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本专利技术的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本专利技术而了解。本专利技术的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容来实现和获得。附图说明附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本专利技术的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。图1为新型第四代粉末高温合金的制备工艺流程图；图2为实施例1中新型第四代粉末高温合金热处理态的光学显微组织图；图3为实施例1中新型第四代粉末高温合金经850℃/200h长时效后的光学显微组织图。具体实施方式下面结合附图来具体描述本专利技术的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本专利技术的实施例一起用于阐释本专利技术的原理，并非用于限定本专利技术的范围。一方面，本专利技术提供了一种新型第四代粉末高温合金，该合金为γ′相沉淀强化型镍基粉末高温合金，该合金的化学成分及其质量分数为：Cr7～12％；Co15～20％；W2.5～3.5％；Mo2.5～3.5％；Ta2.2～2.8％；Nb2.2～2.8％；Al3.0～3.6％；Ti2.8～3.4％；Hf0.3～0.7％；C0.03～0.08％；B0.03～0.06％；Zr0.03～0.06％，余量为Ni。本专利技术的主要技术方案是通过添加γ′相形成元素Al、Ti、Nb、Ta，固溶强化元素Cr、Co、W、Mo和晶界强化元素C、B、Zr、Hf来实现粉末高温合金的高强度、高损伤容限和高工作温度，同时控制Cr、W、Mo含量以降低拓扑密排TCP相的析出倾向，从而获得具有良好的综合性能的成分范围。具体来说，合金组分中加入的Al、Ti、Nb、Ta可以提高γ′相含量和合金化程度，增加位错切割γ′相时的反相畴界能，起到沉淀强化作用；Cr、Co、W、Mo能够加强基体原子结合力，增加扩散激活能，起到固溶强化作用；C、B、Zr、Hf主要形成碳化物相和硼化物相，可降低晶界扩散、减慢位错攀移，起到晶界强化作用。因此，本专利技术提供的新型第四代粉末高温合金具有良好的高温强度(850℃下，σb可达950MPa以上，σ0.2可达800MPa以上)和高温组织稳定性(850℃/200h长时效后无明显TCP相析出)，具有突出的高温蠕变性能(815℃/400MPa/50h下εp低于0.20％)和高温持久性能(815℃/450MPa下，持久寿命不少于400h)。综上所述，本专利技术提供的第四代新型粉末高温合金不仅具有良好的高温强度、高温组织稳定性，而且具有突出的高温蠕变性能和高温持久性能，以上性能能够满足航空发动机涡轮盘等热端部件对制备材料的要求，同时也加速了我国在第四代新型粉末高温合金领域的研究进程。需要说明的是，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种粉末高温合金，其特征在于，所述合金的化学成分及其质量分数为：Cr 7～12％；Co 15～20％；W 2.5～3.5％；Mo 2.5～3.5％；Ta 2.2～2.8％；Nb 2.2～2.8％；Al 3.0～3.6％；Ti 2.8～3.4％；Hf 0.3～0.7％；C 0.03～0.08％；B 0.03～0.06％；Zr 0.03～0.06％，余量为Ni。

【技术特征摘要】
1.一种粉末高温合金，其特征在于，所述合金的化学成分及其质量分数为：Cr7～12％；Co15～20％；W2.5～3.5％；Mo2.5～3.5％；Ta2.2～2.8％；Nb2.2～2.8％；Al3.0～3.6％；Ti2.8～3.4％；Hf0.3～0.7％；C0.03～0.08％；B0.03～0.06％；Zr0.03～0.06％，余量为Ni。2.根据权利要求1所述的粉末高温合金，其特征在于：所述粉末高温合金的中Al、Ti、Nb、Ta的总质量分数为：10.4％≤(Al+Ti+Nb+Ta)≤12.2％。3.根据权利要求2所述的粉末高温合金，其特征在于，所述粉末高温合金中Al、Ti的总质量分数为：6.0％≤(Al+Ti)≤6.5％；Al、Ti的质量比为：1.00≤(Al/Ti)≤1.28。4.根据权利要求1所述的粉末高温合金，其特征在于，所述粉末高温合金中Nb、Ta、Hf的总质量分数为：5.0％≤(Nb+Ta+Hf)≤5.9％；Nb、Ta的质量比为：0.7≤(Nb/Ta)≤1.1。5.根据权利要求1所述的粉末高温合金，其特征在于，所述粉末高温合金中Cr、Co、W、Mo的总质量分数为：29.0％≤(Cr+Co...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶宇，吴超杰，贾建，刘建涛，张义文，侯琼，
申请(专利权)人：北京钢研高纳科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11