權(quán)利要求
1.一種
粉末冶金沉淀強(qiáng)化鈷基高溫合金的制備方法，其特征在于：將還原Co粉、霧化球形Co粉、Al粉、Ni粉、Ti粉、W粉、Ta粉、Nb粉混合獲得混合粉，混合粉壓制成型獲得壓坯，將壓坯進(jìn)行燒結(jié)獲得燒結(jié)體，將燒結(jié)體進(jìn)行熱處理即得鈷基高溫合金;
所述混合粉中，霧化球形Co粉的加入量為還原Co粉與霧化球形Co粉總質(zhì)量的10～30%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種粉末冶金沉淀強(qiáng)化鈷基高溫合金的制備方法，其特征在于：所述還原Co粉、霧化球形Co粉、Al粉、Ni粉、Ti粉、W粉、Ta粉、Nb粉的粒徑均為-325目。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種粉末冶金沉淀強(qiáng)化鈷基高溫合金的制備方法，其特征在于：所述還原Co粉的松裝密度為0.95～1.1 g/cm3，霧化球形Co粉的松裝密度為4.8～4.9g/cm3。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種粉末冶金沉淀強(qiáng)化鈷基高溫合金的制備方法，其特征在于：所述混合的方式為球磨，所述球磨在保護(hù)氣氛下進(jìn)行，球料比為1-5:1，球磨的時(shí)間為5-12h。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種粉末冶金沉淀強(qiáng)化鈷基高溫合金的制備方法，其特征在于：所述壓制成型的方式為冷壓，所述壓制成型的壓力為200-600MPa，壓制成型的時(shí)間為30-90s。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種粉末冶金沉淀強(qiáng)化鈷基高溫合金的制備方法，其特征在于：所述燒結(jié)在保護(hù)氣氛下進(jìn)行，所述燒結(jié)的過程為：以5-15℃/min的升溫速率升溫到1100-1500℃保溫30-240min。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種粉末冶金沉淀強(qiáng)化鈷基高溫合金的制備方法，其特征在于：所述燒結(jié)過程為，先以10-20℃/min的升溫速率升溫至800-900℃，然后再以5-10℃/min的升溫速率升溫至1100-1500℃保溫30-240min。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種粉末冶金沉淀強(qiáng)化鈷基高溫合金的制備方法，其特征在于：所述熱處理的過程為先進(jìn)行固溶處理，再進(jìn)行時(shí)效處理，所述固溶處理的溫度為1100-1300℃，固溶處理的時(shí)間為20-30h，固溶處理后水冷，所述時(shí)效處理的溫度為600-800℃，時(shí)效處理的時(shí)間為50-200h。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8任意一項(xiàng)所述的一種粉末冶金沉淀強(qiáng)化鈷基高溫合金的制備方法，其特征在于：所述鈷基高溫合金，按原子百分比計(jì)，組成如下： Al：1～10%，Ni：10～30%，Ti：2～10%，W：1～3%，Ta：1～3%，Nb：1～3%，余量為Co。
10.權(quán)利要求1-9任意一項(xiàng)所述的制備方法所制備的一種粉末冶金沉淀強(qiáng)化鈷基高溫合金。
說明書
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及材料科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種粉末冶金沉淀強(qiáng)化鈷基高溫合金及其制備方法。
背景技術(shù)
[0002]鈷基高溫合金與鎳基高溫合金相比，具有更高的初熔溫度，因?yàn)殁捲氐娜埸c(diǎn)(1495 ℃)比鎳元素的熔點(diǎn)(1455 ℃)高40 ℃。這使鈷基高溫合金可以更好地避免發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)向葉片出現(xiàn)燒傷、變形及掉塊等故障。鈷基高溫合金的強(qiáng)化方式主要是固溶強(qiáng)化和碳化物強(qiáng)化，這兩種強(qiáng)化方式制備的合金的高溫強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于γ'相強(qiáng)化的鎳基高溫合金。因此，人們積極嘗試在鈷基高溫合金中尋找類似的γ'相強(qiáng)化來提高其高溫性能。經(jīng)過不斷的嘗試，最終出現(xiàn)了沉淀強(qiáng)化型鈷基高溫合金，它在抗蠕變性能、抗腐蝕性能和耐磨性等方面都具備優(yōu)勢。
[0003]目前鈷基高溫合金的制備方法以真空熔煉鑄造為主，但是在熔煉過程中低熔點(diǎn)元素如Al等容易揮發(fā)損耗，而高熔點(diǎn)元素如W、Ta等又容易造成成分不均，導(dǎo)致合金鑄態(tài)組織的偏析。粉末冶金方法制備的高溫合金可以有效的解決傳統(tǒng)鑄造高溫合金中的相偏析，促進(jìn)合金晶粒均勻細(xì)化，提高高溫合金性能。目前使用的制備方法多為制備合金粉末后熱固成型，即首先通過氣霧化制粉或等離子旋轉(zhuǎn)電極法將合金熔液制備成粉末顆粒，后續(xù)通過使用真空熱壓、熱等靜壓、熱擠壓或鍛造等方法進(jìn)行成型制備。但是這種制備方法的工藝較為復(fù)雜，成分較高。
[0004]直接使用純元素混合后燒結(jié)是一種成本低，工藝簡單的制備方法，這種方法在
鋁合金粉末冶金中有所使用。但是在鈷基高溫合金體系中，這種方法卻存在一定問題。首先是使用還原法生產(chǎn)的鈷粉出爐后呈現(xiàn)海綿狀，一般稱為“海綿鈷”，海綿鈷直接破碎制得鈷粉，鈷粉的松裝密度一般在1.0g/cm3左右，松裝密度較小，使用常規(guī)的混粉方式極易產(chǎn)生Co粉末團(tuán)聚現(xiàn)象，造成成分偏析;而霧化球型Co粉的松裝密度幾乎和實(shí)際密度相同，并且Co在室溫下是HCP結(jié)構(gòu)，很難發(fā)生塑性變形，這就會(huì)導(dǎo)致使用霧化球型Co粉在冷壓成型過程中很難成型。
發(fā)明內(nèi)容
[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的第一個(gè)目的在于提供一種粉末冶金沉淀強(qiáng)化鈷基高溫合金制備方法，本發(fā)明的制備方法工藝簡單、可控，適合工業(yè)化大生產(chǎn)。
[0006]本發(fā)明的第二個(gè)目的在于提供上述制備方法所制備的一種粉末冶金沉淀強(qiáng)化的鈷基高溫合金。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0008]本發(fā)明提供一種粉末冶金沉淀強(qiáng)化的鈷基高溫合金制備方法，將還原Co粉、霧化球形Co粉、Al粉、Ni粉、Ti粉、W粉、Ta粉、Nb粉混合獲得混合粉，混合粉壓制成型獲得壓坯，將壓坯進(jìn)行燒結(jié)獲得燒結(jié)體，將燒結(jié)體進(jìn)行熱處理即得鈷基高溫合金;
[0009]所述混合粉中，霧化球形Co粉的加入量為還原Co粉與霧化球形Co粉總質(zhì)量的10～30%，優(yōu)選為10~20%。
[0010]在本發(fā)明中，所述霧化球形Co粉為通過氣霧化法或水霧化法所制備的成球形的Co粉，還原Co粉為還原法生產(chǎn)的Co粉。
[0011]在本發(fā)明中，Co粉采用還原Co粉、霧化球形Co粉兩種，并通過將兩者的加入量控制在本發(fā)明的范圍內(nèi)，使得混合粉即能夠很好的成型，又能夠避免粉末團(tuán)聚，從而使壓坯成分均勻，其中還原Co粉作為冷壓塑性變形主體，由于還原Co粉的松裝密度較小，在較低壓力下也可以冷壓成型;而霧化球型Co粉的加入一方面在混粉過程中起到一定的攪拌作用，使粉末混合更為均勻，減少粉末的團(tuán)聚現(xiàn)象;避免成分的偏析，另一方面，霧化球型Co粉的熔點(diǎn)較還原Co粉高，能夠提高合金的熔點(diǎn)，提升鈷基高溫合金的高溫性能。
[0012]優(yōu)選的方案，所述還原Co粉、霧化球形Co粉、Al粉、Ni粉、Ti粉、W粉、Ta粉、Nb粉的粒徑均為-325目。
[0013]優(yōu)選的方案，所述還原Co粉的松裝密度為0.95～1.1 g/cm3，霧化球形Co粉的松裝密度為4.8～4.9 g/cm3。
[0014]優(yōu)選的方案，所述混合的方式為球磨，所述球磨在保護(hù)氣氛下進(jìn)行，球料比為1-5:1，球磨的時(shí)間為5-12h。
[0015]優(yōu)選的方案，所述壓制成型的方式為冷壓，所述壓制成型的壓力為200-600MPa，優(yōu)選為200-400MPa，壓制成型的時(shí)間為30-90s。
[0016]在本發(fā)明中，通過使用還原Co粉作為冷壓塑性變形主體，由于還原Co粉的松裝密度較小，在200-400 MPa的較低壓力下也可以冷壓成型。
[0017]優(yōu)選的方案，所述燒結(jié)在保護(hù)氣氛下進(jìn)行，所述燒結(jié)的過程為：以5-20℃/min的升溫速率升溫到1100-1500℃保溫30-240min。
[0018]進(jìn)一步的優(yōu)選，所述燒結(jié)過程為，先以10-20℃/min的升溫速率升溫至800-900℃，然后再以5-10℃/min的升溫速率升溫至1100-1500℃保溫30-240min。
[0019]在該優(yōu)選方案中，從室溫到800-900℃快速升溫避免鋁元素?fù)]發(fā)，然后800-900℃到1100-1500℃低速升溫以保證反應(yīng)充分;同時(shí)在燒結(jié)過程中，還原Co粉由于粒徑較小，比表面能大，會(huì)首先出現(xiàn)液相，霧化球形Co粉的粒徑較大，比表面能小，熔點(diǎn)較高，則起到了支撐
復(fù)合材料框架的作用，提升復(fù)合材料熔點(diǎn)。
[0020]優(yōu)選的方案，所述熱處理的過程為先進(jìn)行固溶處理，再進(jìn)行時(shí)效處理，所述固溶處理的溫度為1100-1300℃，固溶處理的時(shí)間為20-30h，固溶處理后水冷，所述時(shí)效處理的溫度為600-800℃，時(shí)效處理的時(shí)間為50-200h。
[0021]在本發(fā)明中熱處理過程，先通過固溶處理獲得過飽和的均勻的FCC_A1單相固溶體，然后在時(shí)效過程中從FCC_A1單相中析出均勻彌散分布的FCC_L12相，F(xiàn)CC_L12相存在尺度效應(yīng)：FCC_L12相體積分?jǐn)?shù)在70-90%會(huì)有較好的力學(xué)性能;FCC_L12相隨著尺寸的增大，力學(xué)性能呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，控制時(shí)效參數(shù)在本發(fā)明的范圍內(nèi)，最終獲得1μm左右的，體積分?jǐn)?shù)為70-90%FCC_L12相，最終所得鈷基高溫合金的性能最優(yōu)。
[0022]因此在本發(fā)明中，需要控制固溶溫度與時(shí)效溫度在本發(fā)明的范圍內(nèi)，若是溶溫度過高一方面出現(xiàn)液相組織導(dǎo)致合金融化，固溶溫度過低，無法獲得過飽和固溶體，有害組織無法消除，影響力學(xué)性能;而時(shí)效溫度過高和過低都將會(huì)導(dǎo)致FCC_L12析出相體積分?jǐn)?shù)減少，且粒徑不在最優(yōu)的范圍內(nèi)，降低最終鈷基高溫合金材料的力學(xué)性能。
[0023]優(yōu)選的方案，所述鈷基高溫合金，按原子百分比計(jì)，組成如下：Al：1～10%，Ni：10～30%，Ti：2～10%，W：1～3%，Ta：1～3%，Nb：1～3%，余量為Co。
[0024]本發(fā)明所提供的鈷基高溫合金降低了W和Ta的含量，不僅更有利于在較低溫度下燒結(jié)，而且降低了W和Ta的含量可以抑制TCP有害相的生成，使最終所得鈷基高溫合金材料的性能最優(yōu)。
[0025]進(jìn)一步的優(yōu)選，所述鈷基高溫合金中，Co的原子分?jǐn)?shù)≥60%。通過控制Co的總量不低于60%，可以保證合金具備較高的熔點(diǎn)。
[0026]本發(fā)明還提供上述制備方法所制備的一種粉末冶金沉淀強(qiáng)化鈷基高溫合金。
[0027]有益效果
[0028]本發(fā)明采用粉末冶金的方法制備鈷基高溫合金，在本發(fā)明中，原料Co粉采用還原Co粉、霧化球形Co粉兩種，其中還原Co粉作為冷壓塑性變形主體，由于還原Co粉的松裝密度較小，在較低壓力下也可以冷壓成型;而霧化球型Co粉的加入一方面在混粉過程中起到一定的攪拌作用，使粉末混合更為均勻，減少粉末的團(tuán)聚現(xiàn)象;避免成分的偏析，另一方面，霧化球型Co粉的熔點(diǎn)較還原Co粉高，能夠提高合金的熔點(diǎn)，提升鈷基高溫合金的高溫性能，通過本發(fā)明制得的鈷基高溫合金其室溫壓縮屈服強(qiáng)度可以達(dá)到1101MPa，遠(yuǎn)高于一般的粉末冶金鈷基高溫合金。
[0029]本發(fā)明使用純元素粉末制備粉末冶金沉淀強(qiáng)化鈷基高溫合金，能夠隨意調(diào)整化學(xué)成分配比，無需額外制粉過程。
[0030]本發(fā)明的一種粉末冶金沉淀強(qiáng)化鈷基高溫合金制備工藝簡單，操作方便，并可實(shí)現(xiàn)不同形狀材料的近凈成形，可廣泛用于航空航天、軍工、機(jī)械制造及核能等領(lǐng)域。
附圖說明
[0031]為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0032]圖1為本發(fā)明的實(shí)施例1所制備的一種粉末冶金沉淀強(qiáng)化鈷基高溫合金的顯微結(jié)構(gòu)照片;圖中方塊形狀的為FCC_L12析出相，方塊之間的通道為FCC_A1基體;從圖中可以看FCC_L12析出相細(xì)小彌散。
[0033]圖2為本發(fā)明的實(shí)施例1所制備的一種粉末冶金沉淀強(qiáng)化鈷基高溫合金的壓縮性能應(yīng)力應(yīng)變曲線;
[0034]圖3為本發(fā)明中實(shí)施例1-2以及對比例1中所制備的一種粉末冶金沉淀強(qiáng)化鈷基高溫合金的高溫壓縮性能對比。
具體實(shí)施方式
[0035]為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，并使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面對本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步的說明。
[0036]在本文中所披露的范圍的端點(diǎn)和任何值都不限于該精確的范圍或值，這些范圍或值應(yīng)當(dāng)理解為包含接近這些范圍或值的值。對于數(shù)值范圍來說，各個(gè)范圍的端點(diǎn)值之間、各個(gè)范圍的端點(diǎn)值和單獨(dú)的點(diǎn)值之間，以及單獨(dú)的點(diǎn)值之間可以彼此組合而得到一個(gè)或多個(gè)新的數(shù)值范圍，這些數(shù)值范圍應(yīng)該被視為在本文中具體公開。
[0037]實(shí)施例1
[0038]步驟S11，配粉：將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%，余量為Co;還原Co粉80 %，霧化球形Co粉20 %;
[0039]步驟S12，混粉：將步驟S11中的配料采用球料比為1:1在真空球磨罐中惰性氣氛保護(hù)，然后將真空球磨罐置于球磨機(jī)上進(jìn)行混料，混料時(shí)間為10h，之后取出混合后的粉末;
[0040]步驟S13，冷壓成型：將步驟S12中的混合粉末使用Cr13冷壓模具鋼中，施加400MPa壓強(qiáng)進(jìn)行冷壓成型，冷壓時(shí)間60s;
[0041]步驟S14，氣氛燒結(jié)：將步驟S13中的冷壓后胚體放入氣氛保護(hù)燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，升溫速率20 ℃/分鐘升溫到900 ℃，隨后升溫速率10 ℃/分鐘升溫到1400℃，并在此溫度下保溫120分鐘;隨后隨爐冷卻至室溫后將樣品取出;
[0042]步驟S15，熱處理：對步驟S14得到的樣品進(jìn)行固溶處理和時(shí)效處理，固溶溫度為1200℃，固溶時(shí)間為24h，水冷以獲得過飽和固溶體;時(shí)效溫度為650℃，時(shí)效時(shí)間為100h;得到粉末冶金沉淀強(qiáng)化鈷基高溫合金;
[0043]步驟S16，對步驟S15得到粉末冶金沉淀強(qiáng)化鈷基高溫合金加工成直徑4mm，高度6mm的圓柱壓縮式樣，在力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上以1mm/min的速率下進(jìn)行壓縮試驗(yàn);測得其室溫壓縮屈服強(qiáng)度為1018 MPa，600℃壓縮屈服強(qiáng)度為982MPa, 700℃壓縮屈服強(qiáng)度為963 MPa，800℃壓縮屈服強(qiáng)度為655 MPa，900℃壓縮屈服強(qiáng)度為387 MPa。
[0044]實(shí)施例2
[0045]步驟S21，配粉：將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%，余量為Co;還原Co粉90 %，霧化球形Co粉10 %;
[0046]步驟S22，混粉：將步驟S11中的配料采用球料比為1:1在真空球磨罐中惰性氣氛保護(hù)，然后將真空球磨罐置于球磨機(jī)上進(jìn)行混料，混料時(shí)間為10h，之后取出混合后的粉末;
[0047]步驟S23，冷壓成型：將步驟S12中的混合粉末使用Cr13冷壓模具鋼中，施加400MPa壓強(qiáng)進(jìn)行冷壓成型，冷壓時(shí)間60s;
[0048]步驟S24，氣氛燒結(jié)：將步驟S13中的冷壓后胚體放入氣氛保護(hù)燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，升溫速率10 ℃/分鐘升溫到1400 ℃，并在此溫度下保溫120分鐘;隨后隨爐冷卻至室溫后將樣品取出;
[0049]步驟S25，熱處理：對步驟S14得到的樣品進(jìn)行固溶處理和時(shí)效處理，固溶溫度為1200℃，固溶時(shí)間為24h，水冷以獲得過飽和固溶體;時(shí)效溫度為650℃，時(shí)效時(shí)間為100h;得到粉末冶金沉淀強(qiáng)化鈷基高溫合金;
[0050]步驟S26，對步驟S15得到粉末冶金沉淀強(qiáng)化鈷基高溫合金加工成直徑4mm，高度6mm的圓柱壓縮式樣，在力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上以1mm/min的速率下進(jìn)行壓縮試驗(yàn);測得其室溫壓縮屈服強(qiáng)度為998MPa，600℃壓縮屈服強(qiáng)度為960MPa, 700℃壓縮屈服強(qiáng)度為942MPa, 800℃壓縮屈服強(qiáng)度為632 MPa, 900℃壓縮屈服強(qiáng)度為356 MPa。
[0051]實(shí)施例3
[0052]步驟S31，配粉：將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%，余量為Co;還原Co粉80 %，霧化球形Co粉20 %;
[0053]步驟S32，混粉：將步驟S11中的配料采用球料比為1:1在真空球磨罐中惰性氣氛保護(hù)，然后將真空球磨罐置于球磨機(jī)上進(jìn)行混料，混料時(shí)間為10h，之后取出混合后的粉末;
[0054]步驟S33，冷壓成型：將步驟S12中的混合粉末使用Cr13冷壓模具鋼中，施加400MPa壓強(qiáng)進(jìn)行冷壓成型，冷壓時(shí)間60s;
[0055]步驟S34，氣氛燒結(jié)：將步驟S13中的冷壓后胚體放入氣氛保護(hù)燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，升溫速率20 ℃/分鐘升溫到900 ℃，隨后升溫速率10 ℃/分鐘升溫到1400 ℃，并在此溫度下保溫120分鐘;隨后隨爐冷卻至室溫后將樣品取出;
[0056]步驟S35，熱處理：對步驟S14得到的樣品進(jìn)行固溶處理和時(shí)效處理，固溶溫度為1200℃，固溶時(shí)間為24h，水冷以獲得過飽和固溶體;時(shí)效溫度為650℃，時(shí)效時(shí)間為100h;得到粉末冶金沉淀強(qiáng)化鈷基高溫合金;
[0057]步驟S36，對步驟S15得到粉末冶金沉淀強(qiáng)化鈷基高溫合金加工成直徑4mm，高度6mm的圓柱壓縮式樣，在力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上以1mm/min的速率下進(jìn)行壓縮試驗(yàn);測得其室溫壓縮屈服強(qiáng)度為967MPa。
[0058]對比例1
[0059]其他條件與實(shí)施例1相同，僅是步驟S11中的還原Co粉100 %，霧化球形Co粉0 %，測得其室溫壓縮屈服強(qiáng)度為956MPa，600℃壓縮屈服強(qiáng)度為900MPa, 700℃壓縮屈服強(qiáng)度為831MPa, 800℃壓縮屈服強(qiáng)度為429 MPa，900℃壓縮屈服強(qiáng)度為176 MPa。
[0060]對比例2
[0061]其他條件與實(shí)施例1相同，僅是步驟S11中的W：7%，Ta：5%。測得其室溫壓縮屈服強(qiáng)度為800℃壓縮屈服強(qiáng)度為522 MPa。
[0062]以上對本發(fā)明的實(shí)施方式作出詳細(xì)說明，但本發(fā)明不局限于所描述的實(shí)施方式。對本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下對這些實(shí)施例進(jìn)行的多種變化、修改、替換和變型均仍落入在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
說明書附圖(3)
聲明：
“粉末冶金沉淀強(qiáng)化鈷基高溫合金及其制備方法” 該技術(shù)專利(論文)所有權(quán)利歸屬于技術(shù)(論文)所有人。僅供學(xué)習(xí)研究，如用于商業(yè)用途，請聯(lián)系該技術(shù)所有人。
我是此專利(論文)的發(fā)明人(作者)
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編輯：中冶有色技術(shù)網(wǎng)
來源：中南大學(xué)
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2025年01月03日 ~ 05日 
