粉末冶金沉淀强化钴基高温合金及其制备方法

402 编辑：中冶有色技术网来源：中南大学

2024-10-25 16:22:25

权利要求

1.一种粉末冶金沉淀强化钴基高温合金的制备方法，其特征在于：将还原Co粉、雾化球形Co粉、Al粉、Ni粉、Ti粉、W粉、Ta粉、Nb粉混合获得混合粉，混合粉压制成型获得压坯，将压坯进行烧结获得烧结体，将烧结体进行热处理即得钴基高温合金;

所述混合粉中，雾化球形Co粉的加入量为还原Co粉与雾化球形Co粉总质量的10～30%。

2.根据权利要求1所述的一种粉末冶金沉淀强化钴基高温合金的制备方法，其特征在于：所述还原Co粉、雾化球形Co粉、Al粉、Ni粉、Ti粉、W粉、Ta粉、Nb粉的粒径均为-325目。

3.根据权利要求1所述的一种粉末冶金沉淀强化钴基高温合金的制备方法，其特征在于：所述还原Co粉的松装密度为0.95～1.1 g/cm3，雾化球形Co粉的松装密度为4.8～4.9g/cm3。

4.根据权利要求1所述的一种粉末冶金沉淀强化钴基高温合金的制备方法，其特征在于：所述混合的方式为球磨，所述球磨在保护气氛下进行，球料比为1-5:1，球磨的时间为5-12h。

5.根据权利要求1所述的一种粉末冶金沉淀强化钴基高温合金的制备方法，其特征在于：所述压制成型的方式为冷压，所述压制成型的压力为200-600MPa，压制成型的时间为30-90s。

6.根据权利要求1所述的一种粉末冶金沉淀强化钴基高温合金的制备方法，其特征在于：所述烧结在保护气氛下进行，所述烧结的过程为：以5-15℃/min的升温速率升温到1100-1500℃保温30-240min。

7.根据权利要求1所述的一种粉末冶金沉淀强化钴基高温合金的制备方法，其特征在于：所述烧结过程为，先以10-20℃/min的升温速率升温至800-900℃，然后再以5-10℃/min的升温速率升温至1100-1500℃保温30-240min。

8.根据权利要求1所述的一种粉末冶金沉淀强化钴基高温合金的制备方法，其特征在于：所述热处理的过程为先进行固溶处理，再进行时效处理，所述固溶处理的温度为1100-1300℃，固溶处理的时间为20-30h，固溶处理后水冷，所述时效处理的温度为600-800℃，时效处理的时间为50-200h。

9.根据权利要求1-8任意一项所述的一种粉末冶金沉淀强化钴基高温合金的制备方法，其特征在于：所述钴基高温合金，按原子百分比计，组成如下： Al：1～10%，Ni：10～30%，Ti：2～10%，W：1～3%，Ta：1～3%，Nb：1～3%，余量为Co。

10.权利要求1-9任意一项所述的制备方法所制备的一种粉末冶金沉淀强化钴基高温合金。

说明书

技术领域

[0001]本发明涉及材料科学技术领域，具体涉及一种粉末冶金沉淀强化钴基高温合金及其制备方法。

背景技术

[0002]钴基高温合金与镍基高温合金相比，具有更高的初熔温度，因为钴元素的熔点(1495 ℃)比镍元素的熔点(1455 ℃)高40 ℃。这使钴基高温合金可以更好地避免发动机导向叶片出现烧伤、变形及掉块等故障。钴基高温合金的强化方式主要是固溶强化和碳化物强化，这两种强化方式制备的合金的高温强度远远低于γ'相强化的镍基高温合金。因此，人们积极尝试在钴基高温合金中寻找类似的γ'相强化来提高其高温性能。经过不断的尝试，最终出现了沉淀强化型钴基高温合金，它在抗蠕变性能、抗腐蚀性能和耐磨性等方面都具备优势。

[0003]目前钴基高温合金的制备方法以真空熔炼铸造为主，但是在熔炼过程中低熔点元素如Al等容易挥发损耗，而高熔点元素如W、Ta等又容易造成成分不均，导致合金铸态组织的偏析。粉末冶金方法制备的高温合金可以有效的解决传统铸造高温合金中的相偏析，促进合金晶粒均匀细化，提高高温合金性能。目前使用的制备方法多为制备合金粉末后热固成型，即首先通过气雾化制粉或等离子旋转电极法将合金熔液制备成粉末颗粒，后续通过使用真空热压、热等静压、热挤压或锻造等方法进行成型制备。但是这种制备方法的工艺较为复杂，成分较高。

[0004]直接使用纯元素混合后烧结是一种成本低，工艺简单的制备方法，这种方法在铝合金粉末冶金中有所使用。但是在钴基高温合金体系中，这种方法却存在一定问题。首先是使用还原法生产的钴粉出炉后呈现海绵状，一般称为“海绵钴”，海绵钴直接破碎制得钴粉，钴粉的松装密度一般在1.0g/cm3左右，松装密度较小，使用常规的混粉方式极易产生Co粉末团聚现象，造成成分偏析;而雾化球型Co粉的松装密度几乎和实际密度相同，并且Co在室温下是HCP结构，很难发生塑性变形，这就会导致使用雾化球型Co粉在冷压成型过程中很难成型。

发明内容

[0005]针对现有技术的不足，本发明的第一个目的在于提供一种粉末冶金沉淀强化钴基高温合金制备方法，本发明的制备方法工艺简单、可控，适合工业化大生产。

[0006]本发明的第二个目的在于提供上述制备方法所制备的一种粉末冶金沉淀强化的钴基高温合金。

[0007]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

[0008]本发明提供一种粉末冶金沉淀强化的钴基高温合金制备方法，将还原Co粉、雾化球形Co粉、Al粉、Ni粉、Ti粉、W粉、Ta粉、Nb粉混合获得混合粉，混合粉压制成型获得压坯，将压坯进行烧结获得烧结体，将烧结体进行热处理即得钴基高温合金;

[0009]所述混合粉中，雾化球形Co粉的加入量为还原Co粉与雾化球形Co粉总质量的10～30%，优选为10~20%。

[0010]在本发明中，所述雾化球形Co粉为通过气雾化法或水雾化法所制备的成球形的Co粉，还原Co粉为还原法生产的Co粉。

[0011]在本发明中，Co粉采用还原Co粉、雾化球形Co粉两种，并通过将两者的加入量控制在本发明的范围内，使得混合粉即能够很好的成型，又能够避免粉末团聚，从而使压坯成分均匀，其中还原Co粉作为冷压塑性变形主体，由于还原Co粉的松装密度较小，在较低压力下也可以冷压成型;而雾化球型Co粉的加入一方面在混粉过程中起到一定的搅拌作用，使粉末混合更为均匀，减少粉末的团聚现象;避免成分的偏析，另一方面，雾化球型Co粉的熔点较还原Co粉高，能够提高合金的熔点，提升钴基高温合金的高温性能。

[0012]优选的方案，所述还原Co粉、雾化球形Co粉、Al粉、Ni粉、Ti粉、W粉、Ta粉、Nb粉的粒径均为-325目。

[0013]优选的方案，所述还原Co粉的松装密度为0.95～1.1 g/cm3，雾化球形Co粉的松装密度为4.8～4.9 g/cm3。

[0014]优选的方案，所述混合的方式为球磨，所述球磨在保护气氛下进行，球料比为1-5:1，球磨的时间为5-12h。

[0015]优选的方案，所述压制成型的方式为冷压，所述压制成型的压力为200-600MPa，优选为200-400MPa，压制成型的时间为30-90s。

[0016]在本发明中，通过使用还原Co粉作为冷压塑性变形主体，由于还原Co粉的松装密度较小，在200-400 MPa的较低压力下也可以冷压成型。

[0017]优选的方案，所述烧结在保护气氛下进行，所述烧结的过程为：以5-20℃/min的升温速率升温到1100-1500℃保温30-240min。

[0018]进一步的优选，所述烧结过程为，先以10-20℃/min的升温速率升温至800-900℃，然后再以5-10℃/min的升温速率升温至1100-1500℃保温30-240min。

[0019]在该优选方案中，从室温到800-900℃快速升温避免铝元素挥发，然后800-900℃到1100-1500℃低速升温以保证反应充分;同时在烧结过程中，还原Co粉由于粒径较小，比表面能大，会首先出现液相，雾化球形Co粉的粒径较大，比表面能小，熔点较高，则起到了支撑复合材料框架的作用，提升复合材料熔点。

[0020]优选的方案，所述热处理的过程为先进行固溶处理，再进行时效处理，所述固溶处理的温度为1100-1300℃，固溶处理的时间为20-30h，固溶处理后水冷，所述时效处理的温度为600-800℃，时效处理的时间为50-200h。

[0021]在本发明中热处理过程，先通过固溶处理获得过饱和的均匀的FCC_A1单相固溶体，然后在时效过程中从FCC_A1单相中析出均匀弥散分布的FCC_L12相，FCC_L12相存在尺度效应：FCC_L12相体积分数在70-90%会有较好的力学性能;FCC_L12相随着尺寸的增大，力学性能呈现先升高后降低的趋势，控制时效参数在本发明的范围内，最终获得1μm左右的，体积分数为70-90%FCC_L12相，最终所得钴基高温合金的性能最优。

[0022]因此在本发明中，需要控制固溶温度与时效温度在本发明的范围内，若是溶温度过高一方面出现液相组织导致合金融化，固溶温度过低，无法获得过饱和固溶体，有害组织无法消除，影响力学性能;而时效温度过高和过低都将会导致FCC_L12析出相体积分数减少，且粒径不在最优的范围内，降低最终钴基高温合金材料的力学性能。

[0023]优选的方案，所述钴基高温合金，按原子百分比计，组成如下：Al：1～10%，Ni：10～30%，Ti：2～10%，W：1～3%，Ta：1～3%，Nb：1～3%，余量为Co。

[0024]本发明所提供的钴基高温合金降低了W和Ta的含量，不仅更有利于在较低温度下烧结，而且降低了W和Ta的含量可以抑制TCP有害相的生成，使最终所得钴基高温合金材料的性能最优。

[0025]进一步的优选，所述钴基高温合金中，Co的原子分数≥60%。通过控制Co的总量不低于60%，可以保证合金具备较高的熔点。

[0026]本发明还提供上述制备方法所制备的一种粉末冶金沉淀强化钴基高温合金。

[0027]有益效果

[0028]本发明采用粉末冶金的方法制备钴基高温合金，在本发明中，原料Co粉采用还原Co粉、雾化球形Co粉两种，其中还原Co粉作为冷压塑性变形主体，由于还原Co粉的松装密度较小，在较低压力下也可以冷压成型;而雾化球型Co粉的加入一方面在混粉过程中起到一定的搅拌作用，使粉末混合更为均匀，减少粉末的团聚现象;避免成分的偏析，另一方面，雾化球型Co粉的熔点较还原Co粉高，能够提高合金的熔点，提升钴基高温合金的高温性能，通过本发明制得的钴基高温合金其室温压缩屈服强度可以达到1101MPa，远高于一般的粉末冶金钴基高温合金。

[0029]本发明使用纯元素粉末制备粉末冶金沉淀强化钴基高温合金，能够随意调整化学成分配比，无需额外制粉过程。

[0030]本发明的一种粉末冶金沉淀强化钴基高温合金制备工艺简单，操作方便，并可实现不同形状材料的近净成形，可广泛用于航空航天、军工、机械制造及核能等领域。

附图说明

[0031]为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0032]图1为本发明的实施例1所制备的一种粉末冶金沉淀强化钴基高温合金的显微结构照片;图中方块形状的为FCC_L12析出相，方块之间的通道为FCC_A1基体;从图中可以看FCC_L12析出相细小弥散。

[0033]图2为本发明的实施例1所制备的一种粉末冶金沉淀强化钴基高温合金的压缩性能应力应变曲线;

[0034]图3为本发明中实施例1-2以及对比例1中所制备的一种粉末冶金沉淀强化钴基高温合金的高温压缩性能对比。

具体实施方式

[0035]为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

[0036]在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应该被视为在本文中具体公开。

[0037]实施例1

[0038]步骤S11，配粉：将Co、Al、Ni、Ti、W、Ta、Nb等粉末按一定的原子比配料：Al：5%，Ni：28.3%，Ti：10%，W：1%，Ta：1%，Nb：1%，余量为Co;还原Co粉80 %，雾化球形Co粉20 %;

[0039]步骤S12，混粉：将步骤S11中的配料采用球料比为1:1在真空球磨罐中惰性气氛保护，然后将真空球磨罐置于球磨机上进行混料，混料时间为10h，之后取出混合后的粉末;

[0040]步骤S13，冷压成型：将步骤S12中的混合粉末使用Cr13冷压模具钢中，施加400MPa压强进行冷压成型，冷压时间60s;

[0041]步骤S14，气氛烧结：将步骤S13中的冷压后胚体放入气氛保护烧结炉中进行烧结，升温速率20 ℃/分钟升温到900 ℃，随后升温速率10 ℃/分钟升温到1400℃，并在此温度下保温120分钟;随后随炉冷却至室温后将样品取出;

[0042]步骤S15，热处理：对步骤S14得到的样品进行固溶处理和时效处理，固溶温度为1200℃，固溶时间为24h，水冷以获得过饱和固溶体;时效温度为650℃，时效时间为100h;得到粉末冶金沉淀强化钴基高温合金;

[0043]步骤S16，对步骤S15得到粉末冶金沉淀强化钴基高温合金加工成直径4mm，高度6mm的圆柱压缩式样，在力学试验机上以1mm/min的速率下进行压缩试验;测得其室温压缩屈服强度为1018 MPa，600℃压缩屈服强度为982MPa, 700℃压缩屈服强度为963 MPa，800℃压缩屈服强度为655 MPa，900℃压缩屈服强度为387 MPa。

[0044]实施例2

[0045]步骤S21，配粉：将Co、Al、Ni、Ti、W、Ta、Nb等粉末按一定的原子比配料：Al：5%，Ni：28.3%，Ti：10%，W：1%，Ta：1%，Nb：1%，余量为Co;还原Co粉90 %，雾化球形Co粉10 %;

[0046]步骤S22，混粉：将步骤S11中的配料采用球料比为1:1在真空球磨罐中惰性气氛保护，然后将真空球磨罐置于球磨机上进行混料，混料时间为10h，之后取出混合后的粉末;

[0047]步骤S23，冷压成型：将步骤S12中的混合粉末使用Cr13冷压模具钢中，施加400MPa压强进行冷压成型，冷压时间60s;

[0048]步骤S24，气氛烧结：将步骤S13中的冷压后胚体放入气氛保护烧结炉中进行烧结，升温速率10 ℃/分钟升温到1400 ℃，并在此温度下保温120分钟;随后随炉冷却至室温后将样品取出;

[0049]步骤S25，热处理：对步骤S14得到的样品进行固溶处理和时效处理，固溶温度为1200℃，固溶时间为24h，水冷以获得过饱和固溶体;时效温度为650℃，时效时间为100h;得到粉末冶金沉淀强化钴基高温合金;

[0050]步骤S26，对步骤S15得到粉末冶金沉淀强化钴基高温合金加工成直径4mm，高度6mm的圆柱压缩式样，在力学试验机上以1mm/min的速率下进行压缩试验;测得其室温压缩屈服强度为998MPa，600℃压缩屈服强度为960MPa, 700℃压缩屈服强度为942MPa, 800℃压缩屈服强度为632 MPa, 900℃压缩屈服强度为356 MPa。

[0051]实施例3

[0052]步骤S31，配粉：将Co、Al、Ni、Ti、W、Ta、Nb等粉末按一定的原子比配料：Al：5%，Ni：28.3%，Ti：10%，W：3%，Ta：3%，Nb：1%，余量为Co;还原Co粉80 %，雾化球形Co粉20 %;

[0053]步骤S32，混粉：将步骤S11中的配料采用球料比为1:1在真空球磨罐中惰性气氛保护，然后将真空球磨罐置于球磨机上进行混料，混料时间为10h，之后取出混合后的粉末;

[0054]步骤S33，冷压成型：将步骤S12中的混合粉末使用Cr13冷压模具钢中，施加400MPa压强进行冷压成型，冷压时间60s;

[0055]步骤S34，气氛烧结：将步骤S13中的冷压后胚体放入气氛保护烧结炉中进行烧结，升温速率20 ℃/分钟升温到900 ℃，随后升温速率10 ℃/分钟升温到1400 ℃，并在此温度下保温120分钟;随后随炉冷却至室温后将样品取出;

[0056]步骤S35，热处理：对步骤S14得到的样品进行固溶处理和时效处理，固溶温度为1200℃，固溶时间为24h，水冷以获得过饱和固溶体;时效温度为650℃，时效时间为100h;得到粉末冶金沉淀强化钴基高温合金;

[0057]步骤S36，对步骤S15得到粉末冶金沉淀强化钴基高温合金加工成直径4mm，高度6mm的圆柱压缩式样，在力学试验机上以1mm/min的速率下进行压缩试验;测得其室温压缩屈服强度为967MPa。

[0058]对比例1

[0059]其他条件与实施例1相同，仅是步骤S11中的还原Co粉100 %，雾化球形Co粉0 %，测得其室温压缩屈服强度为956MPa，600℃压缩屈服强度为900MPa, 700℃压缩屈服强度为831MPa, 800℃压缩屈服强度为429 MPa，900℃压缩屈服强度为176 MPa。

[0060]对比例2

[0061]其他条件与实施例1相同，仅是步骤S11中的W：7%，Ta：5%。测得其室温压缩屈服强度为800℃压缩屈服强度为522 MPa。

[0062]以上对本发明的实施方式作出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行的多种变化、修改、替换和变型均仍落入在本发明的保护范围之内。