CN115652266A

CN115652266A - 一种可机械加工的CoCrAlY靶材合金及其制备方法

Info

Publication number: CN115652266A
Application number: CN202211297459.3A
Authority: CN
Inventors: 谢君; 柴宏宇; 仉凤江; 侯桂臣; 盛乃成; 王振江; 荀淑玲; 周亦胄; 孙晓峰
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS
Priority date: 2022-10-21
Filing date: 2022-10-21
Publication date: 2023-01-31

Abstract

本发明涉及MCrAlY靶材合金技术领域，具体涉及一种可机械加工的CoCrAlY靶材合金及其制备方法。该合金成分(wt.％)：Co为主体，Ni 0～2，Cr 20～24，Al 10～14，Y 0.4～1，Hf≤0.2，Zr≤0.4，Si≤0.5，Fe≤0.3，Cu≤0.06，C≤0.06。制备方法包括：在冶炼过程中通过使用中间合金、合理的冶炼工艺的方式向合金中加入微量元素铝、钇、硅等实现成分精确控制。通过合适的型壳材料选择和合理的精密铸造工艺显著降低产品表面脆性，成功制备CoCrAlY靶材合金锭，所制备的CoCrAlY靶材合金锭用于电子束气相沉积制备热障涂层。该合金锭克服了常规CoCrAlY产品难以机械加工的问题，提高了产品加工合格率，经济效益显著。

Description

一种可机械加工的CoCrAlY靶材合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及MCrAlY靶材合金技术领域，具体涉及一种可机械加工的CoCrAlY靶材合金及其制备方法，所制备的CoCrAlY靶材合金锭用于电子束气相沉积制备热障涂层。

背景技术

随着航空航天的高速发展，发动机叶片及其它热端部件的服役温度越来越高，服役条件也越来越苛刻，部分叶片的工作环境温度已经接近合金熔点的90％左右。因此，提高航空发动机关键部件的抗高温氧化能力是目前急需解决的问题。伴随中高温合金服役温度的提高，高温防护涂层技术也不断发展，热障涂层(thermal barrier coating，TBC)的广泛应用可以很好的解决这一问题，它可以保护基体合金在高温下正常工作。典型的热障涂层体系由粘结层和陶瓷层组成。其中，粘结层与基体合金直接接触，可以将基体合金和陶瓷层更好地结合起来，在改善两者之间物理相容性问题的同时还可以起到高温抗氧化的作用。最外层则是陶瓷层，主要起隔热的作用，降低高温合金的实际工作温度，与此同时还可以抗腐蚀、抗冲刷和耐侵蚀。

目前，常用的热障涂层靶材材料为MCrAlY合金(M可以是Ni、Co或Ni+Co)。由于使用条件及方法的限制，MCrAlY靶材一般对合金锭表面状态做出要求，但由于材料物化性质的限制，CoCrAlY靶材脆性较大，加工过程表面极易掉屑，从而影响靶材合金锭表面状态，导致产品报废。因此，设计一种可机械加工的CoCrAlY靶材成分及制备工艺十分有必要。

发明内容

针对现有产品生产过程中存在的不足，本发明提供了一种可机械加工的CoCrAlY靶材合金及其制备方法，解决了常规CoCrAlY产品难以机械加工的问题，所制备的CoCrAlY靶材合金锭用于电子束气相沉积制备热障涂层。

本发明采用的技术解决方案是：

一种可机械加工的CoCrAlY靶材合金，按重量百分比计算，靶材合金成分范围设计如下：

Co为主体，Ni：0～2，Cr：20～24，Al：10～14，Y：0.4～1，Hf≤0.2，Zr≤0.4，Si≤0.5，Fe≤0.3，Cu≤0.06，C≤0.06。

所述的可机械加工的CoCrAlY靶材合金的制备方法，采用真空感应熔炼炉进行母合金冶炼，靶材合金生产过程中涉及的主要配料元素包括Co、Ni、Cr、Al、Y、Hf、Zr、Si、Fe、Cu、C；除Y外，其余元素均使用相应原材料单质，Y元素则采用Al-Y合金；首先按顺序将Co、Ni、Cr、Fe、C原材料放入氧化铝坩埚，先进行两次精炼，脱除熔液中的气体及有害元素，再进行合金化，合金化过程中加入合金化元素Al、Al-Y、Si、Hf、Zr、Cu，合金化后分别进行搅拌、停电结膜、提温后进行浇注，浇注得到的母合金锭备用。

所述的可机械加工的CoCrAlY靶材合金的制备方法，CoCrAlY靶材采用型壳浇注工艺进行精密铸造，靶材使用的型壳面层材料选用高纯Al₂O₃，靶材使用的型壳背层材料选用Al₂O₃-SiO₂系耐火材料，即形成高纯Al₂O₃面层、Al₂O₃-SiO₂系耐火材料背层的复合陶瓷型壳，以满足凝固过程中化学稳定性和容让性的需要，改善型壳的工艺性。

所述的可机械加工的CoCrAlY靶材合金的制备方法，在型壳浇注工艺中，为了减小靶材表面的铸造热应力的形成，避免铸造裂纹的形成，选择较高的型壳焙烧温度和较低的浇注温度，型壳焙烧温度选定为980℃±10℃，焙烧时间不小于4小时，浇注温度选定为1550℃±30℃。

所述的可机械加工的CoCrAlY靶材合金的制备方法，在型壳浇注工艺后，采用缓慢冷却工艺，靶材浇注后在炉内静置≥5min后出炉，立即将型壳转移至马弗炉内随炉缓慢冷却。

本发明的设计思想是：

本发明通过设计靶材合金成分、选择合理的原材料、采用合理的加料顺序及冶炼工艺实现合金成分的精确控制；通过选择合理的型壳材料、合理的精密铸造工艺，降低靶材表面铸造热应力，减少表面微裂纹的形成，从而避免在机械加工过程中表面“掉屑”。从而，生产出机加后表面洁净光滑的CoCrAlY靶材合金锭。

(1)设计靶材合金成分。按重量百分比计算，靶材合金成分范围设计如下：

(2)生产用原材料选择。靶材合金生产过程中涉及的主要配料元素包括Co、Ni、Cr、Al、Y、Hf、Zr、Si、Fe、Cu、C等。除Y外，其余元素均可使用相应原材料单质，Y元素则采用Al-Y合金。

(3)合理的加料顺序及冶炼工艺。上述可加工的CoCrAlY靶材的制备方法为：采用真空感应熔炼炉进行母合金冶炼，首先按一定顺序将Co、Ni、Cr、Fe、C等原材料放入氧化铝坩埚。经过两次精炼，合金化过程中加入Al、Al-Y、Si、Hf、Zr、Cu等合金化元素。

由于合金中含有10％～14％的Al。在熔炼过程中，较高含量的Al同时加入将导致合金熔液温度剧增。同时炉内真空度较低，极易造成Al元素的大量挥发，同时Al元素活性较高，在高温下极易发生氧化，从而在熔液上部形成大量的浮渣，影响熔液的洁净度和Al元素的收得率；生产过程中采用多次加入的方法避免合金熔液温度的剧烈变化，确保熔液表面状态平静。同时稀土元素Y也为易挥发氧化性元素，冶炼过程中其含量不易控制，合金中Y元素的收得率与合金冶炼前期脱氧和加Y时的真空状态有很大关系。因此，采用“先进行两次精炼，脱除熔液中的气体及有害元素，再进行合金化”的方式来避免合金化元素的挥发氧化问题，保证熔液的纯净度和元素收得率。

合金化后分别进行搅拌、停电结膜、提温后进行浇注，浇注得到的母合金锭备用。

(4)合理的型壳材料设计。靶材产品精密铸造采用型壳浇注工艺，由于CoCrAlY合金中含有较高的Al和Y，这些元素活性较高，在浇注过程中极易与常规陶瓷型壳材料发生化学反应，导致在铸件表面出现缺陷。为解决上述问题，靶材使用的型壳面层材料选用高纯Al₂O₃(纯度99.99wt％)，提高了型壳的化学稳定性。

由于CoCrAlY合金主要由金属间化合物组成，脆性较大。在铸造过程中热应力作用下，极易形成裂纹，甚至断裂。因此，减小铸造热应力是型壳工艺的关键问题。从型壳容让性试验发现，Al₂O₃-SiO₂系耐火材料比高纯Al₂O₃材料具有更好的容让性，将其应用于型壳的背层，即形成高纯Al₂O₃面层、Al₂O₃-SiO₂系耐火材料背层的复合陶瓷型壳。该复合型壳的应用，不仅满足了凝固过程中化学稳定性和容让性的需要，而且极大地改善了型壳的工艺性，对靶材表面致密组织的保持和铸造应力的释放十分有利。

(5)合理的精密铸造工艺。为减小靶材表面的铸造热应力的形成，避免铸造裂纹的形成，选择较高的型壳焙烧温度和较低的浇注温度，以此降低浇注过程中的温度梯度，以达到减小铸造热应力形成的目的。本发明中型壳焙烧温度选定为980℃±10℃，焙烧时间不小于4小时。浇注温度选定为1550℃±30℃。

靶材浇注后采用缓慢冷却工艺，即靶材浇注后在炉内静置≥5min后出炉，立即将型壳转移至马弗炉内随炉缓慢冷却。靶材缓慢冷却不仅有利于铸造热应力的控制，减小合金产生裂纹的倾向，同时一定程度上可达到调整靶材铸件硬度，降低脆性的目的。

本发明的优点及有益效果在于：

1.本发明采用中间合金原料，通过合理的加料顺序及冶炼工艺，成功向合金中加入一定重量百分比的活泼元素Y和Al，避免冶炼过程中合金熔液的剧烈温度变化，生产过程易于控制。

2.本发明靶材成分更易于精确控制，合金合格率高。

3.本发明靶材熔铸过程中铸造热应力的产生得到有效控制，脆性问题得到改善，利于后续机械加工。

附图说明

图1为实施例CoCrAlY靶材机械加工后宏观照片。

具体实施方式

在具体实施过程中，本发明提出一种可机械加工的CoCrAlY靶材合金及其制备方法。该合金成分(wt.％)：Co为主体，Ni 0～2，Cr 20～24，Al 10～14，Y 0.4～1，Hf≤0.2，Zr≤0.4，Si≤0.5，Fe≤0.3，Cu≤0.06，C≤0.06。优选的，该合金成分(wt.％)：Co为主体，Ni0.5～1.5，Cr 21～23，Al 11～13，Y 0.6～0.8，Hf 0.05～0.15，Zr 0.1～0.3，Si 0.2～0.4，Fe 0.1～0.3，Cu 0.04～0.06，C 0.04～0.06。制备方法包括：在冶炼过程中通过使用中间合金、合理的冶炼工艺的方式向合金中加入微量元素铝、钇、硅等实现成分精确控制。

下面，结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

如表1所示，本实施例的化学成分如下：

表1实施例CoCrAlY靶材化学成分(wt.％，Co余量)

化学元素	Ni	Cr	Al	Y	Hf	Zr	Si	Fe	C	Cu
											成分含量	0.98	22.91	12.9	0.77	0.13	0.29	0.38	0.29	0.054	0.05

实施例1母合金使用真空感应熔炼炉进行熔炼浇注，按所述的合金成分进行常规配料。

由于稀土元素Y性质极不稳定，因此冶炼原材料采用Al-Y合金。

生产前将Co、Ni、Cr、Fe、C等原材料按常规布料顺序加入到氧化铝坩埚中，之后合炉门，当真空度达标后抽送电熔化炉料，待炉料全部化清后调整送电功率，在规定的温度下分别进行两次精炼过程，脱除熔液中的气体及有害元素。

经过两次精炼后停电凝膜，达到规定时间后大功率冲膜，随后在规定的温度下按顺序加入合金化元素Al、Al-Y、Si、Hf、Zr、Cu等，其中Al元素分批量多次加入，每次加入后均需关注熔液状态，以保持熔液平静为宜。

加入合金化元素后进行搅拌，随后立即进行浇注。即将熔液浇注成φ80×850mm的母合金锭，通过机械加工的方式去除表面氧化皮，切取一定重量的合金料锭用于CoCrAlY靶材精密铸造。

靶材产品精密铸造采用型壳浇注工艺，型壳采用高纯Al₂O₃面层、Al₂O₃-SiO₂系耐火材料背层的复合陶瓷型壳，根据要求的尺寸制备浇注用精密铸造型壳。

在真空感应熔炼炉中进行CoCrAlY靶材的精密铸造过程。将切好的母合金料锭装入氧化铝坩埚中。合炉门，抽真空，当真空度满足要求后送电熔化炉料，合金料全部化清后从马弗炉中取出焙烧好的型壳砂箱放入炉内，型壳焙烧温度为980℃，焙烧时间为4h。坩埚口对准冒口后合炉门并抽真空。随后在1553℃进行浇注。

浇注后，将型壳静置5min后由炉膛转移至马弗炉内，待其缓慢冷却后进行清理。

清理完成后的CoCrAlY靶材棒料通过线切割切除端面及冒口，并通过磨削的方式进行表面打磨。打磨时采用高精度万能外圆磨床进行，采用常规磨床工作参数即可完成机加打磨。

如图1所示，从实施例CoCrAlY靶材机械加工后宏观照片可以看出，通过合适的型壳材料选择和合理的精密铸造工艺显著降低产品表面脆性，成功制备机加后表面洁净光滑CoCrAlY靶材合金锭。

实施结果表明，本发明CoCrAlY靶材合金锭克服了常规CoCrAlY产品难以机械加工的问题，提高了产品加工合格率，所制备的CoCrAlY靶材合金锭用于电子束气相沉积制备热障涂层，经济效益显著。

Claims

1.一种可机械加工的CoCrAlY靶材合金，其特征在于，按重量百分比计算，靶材合金成分范围设计如下：

2.一种权利要求1所述的可机械加工的CoCrAlY靶材合金的制备方法，其特征在于，采用真空感应熔炼炉进行母合金冶炼，靶材合金生产过程中涉及的主要配料元素包括Co、Ni、Cr、Al、Y、Hf、Zr、Si、Fe、Cu、C；除Y外，其余元素均使用相应原材料单质，Y元素则采用Al-Y合金；首先按顺序将Co、Ni、Cr、Fe、C原材料放入氧化铝坩埚，先进行两次精炼，脱除熔液中的气体及有害元素，再进行合金化，合金化过程中加入合金化元素Al、Al-Y、Si、Hf、Zr、Cu，合金化后分别进行搅拌、停电结膜、提温后进行浇注，浇注得到的母合金锭备用。

3.按照权利要求2所述的可机械加工的CoCrAlY靶材合金的制备方法，其特征在于，CoCrAlY靶材采用型壳浇注工艺进行精密铸造，靶材使用的型壳面层材料选用高纯Al₂O₃，靶材使用的型壳背层材料选用Al₂O₃-SiO₂系耐火材料，即形成高纯Al₂O₃面层、Al₂O₃-SiO₂系耐火材料背层的复合陶瓷型壳，以满足凝固过程中化学稳定性和容让性的需要，改善型壳的工艺性。

4.按照权利要求3所述的可机械加工的CoCrAlY靶材合金的制备方法，其特征在于，在型壳浇注工艺中，为了减小靶材表面的铸造热应力的形成，避免铸造裂纹的形成，选择较高的型壳焙烧温度和较低的浇注温度，型壳焙烧温度选定为980℃±10℃，焙烧时间不小于4小时，浇注温度选定为1550℃±30℃。

5.按照权利要求4所述的可机械加工的CoCrAlY靶材合金的制备方法，其特征在于，在型壳浇注工艺后，采用缓慢冷却工艺，靶材浇注后在炉内静置≥5min后出炉，立即将型壳转移至马弗炉内随炉缓慢冷却。