钴基铸造高温合金K6509的研究

钴基铸造高温合金K6509的研究

Study on Co bas ed Superalloy K6509

张强,张宏炜,贾新云,谭永宁,黄朝晖

(北京航空材料研究院先进高温结构材料国防重点试验室,北京100095) ZH ANG Qiang,ZH AN G H ong wei,JIA Xin yun,TAN Yong ning,H U ANG Zhao hui

(National Key Laboratory of Advanced H igh T emperature Structural

Materials,Beijing Institute of Aeronautical Materials,Beijing100095,China)

摘要:K6509合金是本院新研制的钴基高温合金,将主要用于涡轮发动机的导向叶片材料,具有较高的持久性能,适用于铸造复杂型腔的薄壁空心叶片。本文主要介绍了合金的成分特点,主要的物理和力学性能,并与K640,DZ40M合金的力学性能做了对比。

关键词:钴基高温合金;力学性能;微观组织

中图分类号:TG1461文献标识码:A文章编号:10014381(2009)Suppl1014204

Abstr act:K6509alloy is a newly developed Co based superalloy,mainly designed for turbine vane ap plications.The alloy has excellent stress r upture properties,which is suitable for complex cored thin wall airfoils.The composition and physical and mechanical properties are introduced.The mechanical properties of this alloy are compared with K640and DZ40M.

Key words:cobalt base super alloy;mechanical property;microstr ucture

高温合金被广泛应用于飞机、船舶、车辆的燃气涡轮机和用作宇宙飞行器、火箭发动机、核反应堆、蒸汽动力发电厂装置、石油化工设备以及其它用途中的耐高温材料。其中,最大用途是燃气涡轮工业。在高温合金材料中,目前大量使用的主要还是镍基、钴基和铁基合金。钴基合金从其发展的早期就使用于燃气涡轮和涡轮增压器中,由于其良好的高温性能,目前钴基合金在工业涡轮以及某些飞机发动机的喷嘴导向叶片零件应用方面,仍占有重要地位。预计钴基合金应用于涡轮方面,仍将仅次于镍基合金而占第二位。随着涡轮进口温度大幅度提高,从20世纪50年代的815

提高到目前的1300,发动机的性能得到了显著的提高,但作为导向叶片的K640合金的高温强度不足。为了满足发动机的研制需要,航材院于2006年开始进行新型钴基高温合金进行研制,合金暂时命名为K6509。K6509合金在高温下具有优异的热疲劳性能和抗氧化、耐腐蚀性能,因而适合于制作1050以下工作的导向叶片,而且在900长期时效中组织稳定。这种合金目前在国内还没有应用,但由于其优异的性能,将有广阔的应用前景。

试验材料及方法

本试验中采用的母合金是在5的真空感应炉中熔炼(VIM),浇注成80mm的合金锭,化学成分为:06C235Cr10Ni7W35T a02Ti05Zr Co。

在真空感应熔铸炉中制备试棒,加工成拉伸和高温持久性能试棒,拉伸试验按照H B5143-1996进行,持久试验按照H B5150-1996进行。

采用光学显微镜(OM)和扫描电镜(SEM)观察合金的显微组织。

2试验结果及讨论

21合金的微观组织

K6509合金微观组织主要有固溶体、碳化物,如图1所示。对碳化物进行能谱分析,结果表明,碳化物主要包括MC碳化物、M7C3碳化物、极少量的M23C6碳化物等三种,如图2所示。其中主要是汉字形MC 碳化物,大量分布在晶内和晶界上,它也是合金第二相强化中主要的强化相,而K640合金以M7C3碳化物、M23C6碳化物为主要强化相,这是两者在微观组织上的主要区别。与K640合金相比,K6509合金加入了较多的MC碳化物形成元素Ta,T i,Zr,从而使合金中的M碳化物含量超过了M3碳化物、M36碳化物,成为主要的强化相。

钴基铸造高温合金强化机制是难熔元素的固溶强化和碳化物沉淀强化结合的复合强化,因此碳化物的

1

00kg

C7C2C

类型、分布、形态等对钴基铸造高温合金的力学性能有重要影响。MC 碳化物非常稳定的,一直到合金初熔温度都非常稳定,而M 7C 3碳化物在900以上会与基体反应,转变为M 23C 6碳化物。而对钴基铸造高温合金言,M 23C 6碳化物的强化效果不如MC 碳化物,因为在高温高应力下晶界上的M 23C 6碳化物往往成为裂纹的萌发处,MC 碳化物则不会。

钴基铸造高温合金热处理的目的主要是限制M 23C 6固溶和重新析出。由于K6509合金的M 23C 6含量很低,所以热处理对它的作用就比其它钴基和镍基

合金小得多。而主要强化相MC 碳化物是从液相中直接析出的初生相,直到初熔温度都是非常稳定的。因此,K6509合金可以铸态使用,不进行热处理。22力学性能221拉伸性能

K6509合金室温和900的拉伸性能见表1,并与K640,DZ40M 合金进行了对比。K6509合金的室温拉伸强度略高于K640,高温拉伸强度与DZ40M 合金的相当。对以碳化物为主要强化相的钴基铸造高温合金而言,当碳含量在03%~06%时,强度随碳含量

表1

K6509和K640,DZ40M 合金拉伸性能比较

T able 1

Comparison of tensile proper ties of K6509,K640,DZ40M

R oom t emperat ure

900

02/MPa b /MPa 5/

%02/MPa b /MPa 5/%

K65094807415021031025

K640420735125DZ40M

435

775

40

20530595

的增加而增加,但塑性下降。222持久性能

K6509合金的高温持久性能见表2。

表2

K6509的高温持久性能断裂

T able 2

H igh t em perat ur e st ress rupture pr operties of K6509

Condit ion /h /%/%850/205MPa 247218387900/159MPa 1441594631000

/95MPa

161

168

509

根据文献[1],K640合金在850/200h 的持久强度为170MPa;900

/100h 的持久强度为125MPa;

982/55MPa 下持久寿命为100h,对比表2,可以看

出,K6509合金的持久性能高出K640合金。根据文献[1],DZ40M 合金在850/206MPa 下持久寿命为28h;900/160MPa 下持久寿命为85h,对比表2,也可以看出,K6509合金的持久性能高出DZ40M 合金。图3是K6509和K640,DZ40M 合金热强性能的对比。从目前国内钴基铸造高温合金来看,K6509是持久强度最高的。23

物理性能

测试了K6509合金的线膨胀系数、热导率、比热容,分别见表3、表4与表5

。

图3K65和K6,DZ M 合金热强性能的对比

F 3

f L M f K65,K6,DZ M

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