CN106987755A - 一种MCrAlY合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种MCrAlY合金及其制备方法，所述MCrAlY合金在现有的MCrAlY合金中增添了Zr、Si、Ti、Hf和Ta，以提高MCrAlY合金的力学性能和抗氧化能力。所述MCrAlY合金的制备方法使用真空感应熔炼和真空浇铸技术相结合的方式，获得了微观组织较均匀细密的MCrAlY合金。
Description
技术领域
本发明属于合金技术领域，具体涉及一种MCrAlY合金及其制备方法。
背景技术
随着科学技术的发展，对涡轮发动机的综合性能提出了更高的要求，为改善发动机热力循环性能，提高推重比，要求高的涡轮进口温度。当发动机的推重比达到20时，燃气进口温度将达到2000℃，这个温度已经超出制造涡轮叶片和导向叶片的镍基高温合金所能承受的温度。即使采用金属间化合物材料及利用定向凝固技术也难以承受。而如果涡轮叶片温度每降低15℃，其持久时间延长1倍。在这种情况下，抗击发动机叶片高温的热障涂层就应运而生，成为近年来国际高温涂层领域最活跃的研究课题之一。
典型的热障涂层为涂覆于基底上以MCrAlY(M＝Ni，Co或二者兼有)为主的抗氧化粘结层，和抗导热陶瓷顶层组成。高温氧化过程中，在粘结层和抗导热陶瓷层之间会形成一层热生长氧化物(TGO)，阻止氧进一步扩散，起到保护基底材料不受侵蚀的作用。
MCrAlY合金的特征是高熔点、脆性大、硬度高。目前MCrAlY合金制造方法主要是部分元素预合金化后和其他元素混粉预压烧结，然后机加工成型。例如专利申请号CN201510541909所涉及合金制备方法，但这种方法制备的合金密度低、孔隙率大、含氧量高、废品率高；MCrAlY合金成分复杂，凝固温度范围宽，呈糊状凝固，冒口补缩距离短，对于细长杆件靶材，普通的浇铸凝固时极易在中心部位形成缩松，影响靶材质量。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种MCrAlY合金及其制备方法，所述MCrAlY合金在现有的MCrAlY合金中增添了Zr、Si、Ti、Hf和Ta，以提高MCrAlY合金的力学性能和抗氧化能力。所述MCrAlY合金的制备方法使用真空感应熔炼和真空浇铸技术相结合的方式，获得了微观组织较均匀细密的MCrAlY合金。
本发明的目的是提供一种MCrAlY合金。
本发明的再一目的是提供一种MCrAlY合金的制备方法。
根据本发明的MCrAlY合金，包括Co、Ni、Cr、Al、Y、Zr、Si、Ti、Hf和Ta；
所述MCrAlY合金中各组分的重量份数如下：Co 40-60份；Ni 40-60份；Cr 20-40份；Al 5-12份；Y 0.3-2份；Zr 0.3-2份；Si 0.3-2份；Ti 0.3-2份；Hf 0.3-2份；Ta 0.3-2份。
根据本发明的MCrAlY合金，其中，所述MCrAlY合金中各组分的重量份数如下：Co45-55份；Ni 45-55份；Cr 25-35份；Al 7-10份；Y 0.5-1.5份；Zr 0.6-1.4份；Si 0.35-1.85份；Ti 0.4-1.8份；Hf 0.5-1.6份；Ta 0.45-1.75份。
根据本发明的MCrAlY合金，其中，所述MCrAlY合金中各组分的重量份数如下：Co50份；Ni 50份；Cr 30份；Al 9份；Y 1.1份；Zr 1.2份；Si 1.3份；Ti 1.1份；Hf 1.3份；Ta1.2份。
根据本发明的MCrAlY合金，其中，所述MCrAlY合金的金相晶粒的粒径在200μm以下。
根据本发明的MCrAlY合金的制备方法，其中，所述制备方法包括以下步骤：
A、将Co、Ni、Cr、Al、Y、Zr、Si、Ti、Hf和Ta单质按照配比进行真空感应熔炼，得到合金熔液；
B、将步骤A得到的合金熔液真空浇铸到模具中，冷却后得到所述MCrAlY合金。
根据本发明的MCrAlY合金的制备方法，其中，步骤B中，真空浇铸时合金熔液的温度比所述MCrAlY合金的熔点高50-80℃。
根据本发明的MCrAlY合金的制备方法，其中，步骤B中，真空浇铸时合金熔液的温度为1510-1550℃。
根据本发明的MCrAlY合金的制备方法，其中，步骤B中，真空浇铸时后，所述合金熔液的冷却速率为10-103℃/s。
根据本发明的MCrAlY合金的制备方法，其中，步骤B后，还包括步骤C：将步骤B得到的所述MCrAlY合金切割成圆柱体，然后打磨得到合金靶材。
根据本发明的MCrAlY合金的制备方法，其中，步骤B中，使用铸造模具进行真空浇铸；
所述铸造模具包括模具本体和冒口，所述模具本体包括侧壁和底板，所述侧壁和底板围成一个顶部开口的半包围结构，所述冒口设置在所述模具本体的顶部，所述模具本体从下到上的内径逐渐增加，所述冒口的内侧壁设有一圈保温棉；所述模具本体采用铜制成，所述冒口采用石墨制成。
本发明的有益效果为:
1、在现有的MCrAlY合金的基础上，添加了Zr、Si、Ti、Hf和Ta元素，能够配合Al形成致密的耐高温氧化层，显著延缓了氧向内部扩散，延长热障涂层的热震循环使用寿命。新添加的元素和Y元素相配合，可以提高TGO层与粘结层的粘附性，抑制粘结层的高温氧化，并且能够配合Cr元素促进TGO的生成，配合Al元素会生成致密的耐高温氧化层，Co具有抗热腐蚀性，Ni具有抗氧化性，在加入了Zr、Si、Ti、Hf和Ta元素之后，MCrAlY合金的力学性能和抗氧化性能均有所提升。
2、所述MCrAlY合金的金相晶粒的粒径在200μm以下，具有密度高、孔隙率小的优点。
3、所述MCrAlY合金的制备方法，使用真空感应熔炼和真空浇铸技术相结合的方式，获得微观组织较均匀细密的MCrAlY合金，解决了现有技术成品率低，铸锭微观组织粗大、不均匀，合金熔液易冲蚀金属模具，造成合金杂质元素含量升高的问题。
4、所述制备方法，控制真空浇铸时合金熔液的温度，避免在温度较低在铜模急冷时产生“冷隔”现象，在温度较高在铸锭中枝晶间形成微小的缩孔，影响合金的致密度。
5、所述制备方法，控制合金熔液的冷却速度，保证大尺寸铸锭在凝固过程中不会由于热应力而破裂。
6、所述制备方法，将MCrAlY合金切割打磨后得到合金靶材，提供了能够稳定进行镀膜的MCrAlY合金靶材。
7、所述制备方法，使用专门设计的铸造模具，由于铸造模具的空腔直径由下至上逐渐扩大，散热逐渐变慢，使得高温的合金液体自下而上实现顺序凝固；这样，铸坯上表面的凝固过程中一直保持液态作为一个大的补缩源，避免长杆铸锭中部形成的缩松，并在同一个水平面上基本消除了热应力的影响。制备得到的MCrAlY合金可直接经过后续的热处理消除应力，机加工后获得最终的MCrAlY合金靶材。与目前主流的粉末冶金生产MCrAlY合金靶材相比，生产成本明显降低，质量显著提高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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。
图1是实施例浇铸时的示意图；
图2是实施例5得到的MCrAlY合金的金相组织图。
附图标记
1-铸造模具；2-侧壁；3-底板；4-冒口；5-保温棉。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
以下实施例中每一重量份的重量为1kg。
实施例1
一种MCrAlY合金，包括Co、Ni、Cr、Al、Y、Zr、Si、Ti、Hf和Ta；所述MCrAlY合金中各组分的重量份数如下：
Co 40份；Ni 60份；Cr 20份；Al 12份；Y 0.3份；Zr 2份；Si 0.3份；Ti 2份；Hf 0.3份；Ta 2份。
所述MCrAlY合金的制备方法，包括以下步骤：
A、将Co、Ni、Cr、Al、Y、Zr、Si、Ti、Hf和Ta单质按照配比进行真空感应熔炼，得到合金熔液；
B、将步骤A得到的合金熔液真空浇铸到模具中，真空浇铸时合金熔液的温度比所述MCrAlY合金的熔点高50℃，冷却后得到所述MCrAlY合金，所述合金熔液的冷却速率为102℃/s。
本实施例中，所述MCrAlY合金的金相晶粒的粒径在200μm以下。
将本实施例得到的MCrAlY合金作为热障涂层涂覆在热端部件后，对镍合金基热端部件进行进行抗热震性能测试，在高温空气炉中，在1050摄氏度空气气氛下，保温30分钟，然后在5分钟内空气冷却到室温，如此反复300次，热障涂层不脱落，而仅使用M、Cr、Al和Y合金制得的热障涂层，185次即脱落。
实施例2
一种MCrAlY合金，包括Co、Ni、Cr、Al、Y、Zr、Si、Ti、Hf和Ta；所述MCrAlY合金中各组分的重量份数如下：
Co 60份；Ni 40份；Cr 40份；Al 5份；Y 2份；Zr 0.3份；Si 2份；Ti 0.3份；Hf 2份；Ta 0.3份。
所述MCrAlY合金的制备方法，包括以下步骤：
A、将Co、Ni、Cr、Al、Y、Zr、Si、Ti、Hf和Ta单质按照配比进行真空感应熔炼，得到合金熔液；
B、将步骤A得到的合金熔液真空浇铸到模具中，真空浇铸时合金熔液的温度比所述MCrAlY合金的熔点高80℃，冷却后得到所述MCrAlY合金，所述合金熔液的冷却速率为10℃/s。
本实施例中，所述MCrAlY合金的金相晶粒的粒径在200μm以下。
将本实施例得到的MCrAlY合金作为热障涂层涂覆在热端部件后，对镍合金基热端部件进行进行抗热震性能测试，在高温空气炉中，在1050摄氏度空气气氛下，保温30分钟，然后在5分钟内空气冷却到室温，如此反复300次，热障涂层不脱落，而仅使用M、Cr、Al和Y合金制得的热障涂层，185次即脱落。
实施例3
一种MCrAlY合金，包括Co、Ni、Cr、Al、Y、Zr、Si、Ti、Hf和Ta；所述MCrAlY合金中各组分的重量份数如下：
Co 45份；Ni 55份；Cr 25份；Al 10份；Y 0.5份；Zr 1.4份；Si 0.35份；Ti 1.8份；Hf 0.5份；Ta 1.75份。
所述MCrAlY合金的制备方法，包括以下步骤：
A、将Co、Ni、Cr、Al、Y、Zr、Si、Ti、Hf和Ta单质按照配比进行真空感应熔炼，得到合金熔液；
B、将步骤A得到的合金熔液真空浇铸到模具中，真空浇铸时合金熔液的温度为1510℃，冷却后得到所述MCrAlY合金，所述合金熔液的冷却速率为102℃/s；
C、将步骤B得到的所述MCrAlY合金切割成圆柱体，然后打磨得到合金靶材。
本实施例中，所述MCrAlY合金的金相晶粒的粒径在200μm以下。
将本实施例得到的MCrAlY合金作为热障涂层涂覆在热端部件后，对镍合金基热端部件进行进行抗热震性能测试，在高温空气炉中，在1050摄氏度空气气氛下，保温30分钟，然后在5分钟内空气冷却到室温，如此反复300次，热障涂层不脱落，而仅使用M、Cr、Al和Y合金制得的热障涂层，185次即脱落。
实施例4
一种MCrAlY合金，包括Co、Ni、Cr、Al、Y、Zr、Si、Ti、Hf和Ta；所述MCrAlY合金中各组分的重量份数如下：
Co 55份；Ni 45份；Cr 35份；Al 7份；Y 1.5份；Zr 0.6份；Si 1.85份；Ti 0.4份；Hf1.6份；Ta 0.45份。
所述MCrAlY合金的制备方法，包括以下步骤：
A、将Co、Ni、Cr、Al、Y、Zr、Si、Ti、Hf和Ta单质按照配比进行真空感应熔炼，得到合金熔液；
B、将步骤A得到的合金熔液真空浇铸到模具中，真空浇铸时合金熔液的温度为1550℃，冷却后得到所述MCrAlY合金，所述合金熔液的冷却速率为102℃/s；
C、将步骤B得到的所述MCrAlY合金切割成圆柱体，然后打磨得到合金靶材。
步骤B中，使用铸造模具1进行真空浇铸；
所述铸造模具1包括模具本体和冒口4，所述模具本体包括侧壁2和底板3，所述侧壁2和底板3围成一个顶部开口的半包围结构，所述冒口4设置在所述模具本体的顶部，所述模具本体从下到上的内径逐渐增加，所述冒口4的内侧壁2设有一圈保温棉5；所述模具本体采用铜制成，所述冒口4采用石墨制成。
本实施例中，所述MCrAlY合金的金相晶粒的粒径在200μm以下。
将本实施例得到的MCrAlY合金作为热障涂层涂覆在热端部件后，对镍合金基热端部件进行进行抗热震性能测试，在高温空气炉中，在1050摄氏度空气气氛下，保温30分钟，然后在5分钟内空气冷却到室温，如此反复300次，热障涂层不脱落，而仅使用M、Cr、Al和Y合金制得的热障涂层，185次即脱落。
实施例5
一种MCrAlY合金，包括Co、Ni、Cr、Al、Y、Zr、Si、Ti、Hf和Ta；所述MCrAlY合金中各组分的重量份数如下：
Co 50份；Ni 50份；Cr 30份；Al 9份；Y 1.1份；Zr 1.2份；Si 1.3份；Ti 1.1份；Hf1.3份；Ta 1.2份。
所述MCrAlY合金的制备方法，包括以下步骤：
A、将Co、Ni、Cr、Al、Y、Zr、Si、Ti、Hf和Ta单质按照配比进行真空感应熔炼，得到合金熔液；
B、将步骤A得到的合金熔液真空浇铸到模具中，真空浇铸时合金熔液的温度为1530℃，冷却后得到所述MCrAlY合金，所述合金溶液的冷却速率为102℃/s；
C、将步骤B得到的所述MCrAlY合金切割成圆柱体，然后打磨得到合金靶材。
步骤B中，使用铸造模具1进行真空浇铸；
所述铸造模具1包括模具本体和冒口4，所述模具本体包括侧壁2和底板3，所述侧壁2和底板3围成一个顶部开口的半包围结构，所述冒口4设置在所述模具本体的顶部，所述模具本体从下到上的内径逐渐增加，所述冒口4的内侧壁2设有一圈保温棉5；所述模具本体采用铜制成，所述冒口4采用石墨制成。
本实施例中，所述MCrAlY合金的金相晶粒的粒径在200μm以下。
从得到的合金靶材上取10mm×10mm的样品，并金相镶嵌，机械抛光，腐蚀晶粒，用金相显微镜观察显微组织，金相组织如图2所示。从图2能够看出，所述合金靶材组织晶粒细小，均匀。
将本实施例得到的MCrAlY合金作为热障涂层涂覆在热端部件后，对镍合金基热端部件进行进行抗热震性能测试，在高温空气炉中，在1050摄氏度空气气氛下，保温30分钟，然后在5分钟内空气冷却到室温，如此反复300次，热障涂层不脱落，而仅使用M、Cr、Al和Y合金制得的热障涂层，185次即脱落。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种MCrAlY合金，其特征在于，包括Co、Ni、Cr、Al、Y、Zr、Si、Ti、Hf和Ta；
所述MCrAlY合金中各组分的重量份数如下：
Co 40-60份；Ni 40-60份；Cr 20-40份；Al 5-12份；Y 0.3-2份；Zr 0.3-2份；Si 0.3-2份；Ti 0.3-2份；Hf 0.3-2份；Ta 0.3-2份。
2.根据权利要求1所述的MCrAlY合金，其特征在于，所述MCrAlY合金中各组分的重量份数如下：
Co 45-55份；Ni 45-55份；Cr 25-35份；Al 7-10份；Y 0.5-1.5份；Zr 0.6-1.4份；Si0.35-1.85份；Ti 0.4-1.8份；Hf 0.5-1.6份；Ta 0.45-1.75份。
3.根据权利要求2所述的MCrAlY合金，其特征在于，所述MCrAlY合金中各组分的重量份数如下：
Co 50份；Ni 50份；Cr 30份；Al 9份；Y 1.1份；Zr 1.2份；Si 1.3份；Ti 1.1份；Hf 1.3份；Ta 1.2份。
4.根据权利要求1所述的MCrAlY合金，其特征在于，所述MCrAlY合金的金相晶粒的粒径在200μm以下。
5.一种制备权利要求1-4任一所述MCrAlY合金的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
A、将Co、Ni、Cr、Al、Y、Zr、Si、Ti、Hf和Ta单质按照配比进行真空感应熔炼，得到合金熔液；
B、将步骤A得到的合金熔液真空浇铸到模具中，冷却后得到所述MCrAlY合金。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤B中，真空浇铸时合金熔液的温度比所述MCrAlY合金的熔点高50-80℃。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤B中，真空浇铸时合金熔液的温度为1510-1550℃。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤B中，真空浇铸时后，所述合金熔液的冷却速率为10-103℃/s。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤B后，还包括步骤C：将步骤B得到的所述MCrAlY合金切割成圆柱体，然后打磨得到合金靶材。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，步骤B中，使用铸造模具进行真空浇铸；
所述铸造模具包括模具本体和冒口，所述模具本体包括侧壁和底板，所述侧壁和底板围成一个顶部开口的半包围结构，所述冒口设置在所述模具本体的顶部，所述模具本体从下到上的内径逐渐增加，所述冒口的内侧壁设有一圈保温棉；所述模具本体采用铜制成，所述冒口采用石墨制成。
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