一种制造在高温时具有提高的延展性的钴铬钼合金烧结元件的方法 |
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| 申请号 | CN201010249803.2 | 申请日 | 2010-08-02 | 公开(公告)号 | CN101988161B | 公开(公告)日 | 2016-02-03 |
| 申请人 | GE亚飞欧有限责任公司; | 发明人 | 吉欧凡尼·保罗·萨农; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种制造钴铬钼 合金 元件的方法，所述元件在800℃时的平均极限伸长率大于10％，在800℃时的平均屈服 载荷 时大于400Mpa，该方法包括以下步骤：a)通过粉末 烧结 添加剂方式获得钴铬钼合金的烧结元件，该烧结元件包含在熔融基质内呈不规则分布的各种 碳 化物；b)在1100℃到1300℃之间对烧结元件进行至少2小时的第一次 热处理 ，使所述碳化物增溶，以形成增溶中间产物；c)以至少等同于在空气中时的冷却速率对所述增溶中间产物进行冷却，以形成冷却后的中间产物；d)对所述冷却后的中间产物在700℃到1000℃ 温度 范围内进行第二次热处理，以获得所述元件。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种制造由合金制成的高温元件的方法，所述合金由60％到65％的钴、26％到30％的铬、5％到7％的钼以及0.16％的碳组成，上述组分之和为100％，所述元件在800℃时的平均极限伸长率大于10％，在800℃时的平均屈服载荷时大于400Mpa，所述方法包括以下步骤： |
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| 说明书全文 | 一种制造在高温时具有提高的延展性的钴铬钼合金烧结元件的方法 技术领域[0001] 本发明涉及一种制造在高温时具有提高的延展性的钴铬钼合金元件的方法，尤其涉及通过粉末烧结添加剂方式制得的元件。更具体地，本发明涉及一种处理方法，该方法用于使此类元件在航空业用途、例如用作发动机部件时，其机械性能最佳化。 背景技术[0002] 钴铬钼合金因其良好的机械特性(硬度，抗压强度)及抗腐蚀性而广为人知，因此在全欧洲的生物医学界非常流行，尤其用作制造假肢和牙体植入材料。在所述领域，所述合金的使用遵循美国材料与试验协会(ASTM)F75标准及ISO5832标准。 [0004] 为了克服所述缺陷，研发了基于粉末烧结添加剂的“快速制造”技术。 [0006] 航空业中所使用的元件需要具备高耐磨性和高耐热性，而钴铬钼合金在常规使用温度下恰好具备这些特点，因此，钴铬钼合金元件在航空业中使用的可能性尤为引人关注。然而，迄今为止，还不可能将基于粉末烧结添加剂的技术拓展到航空业的应用中。其原因是，在室温下，由所述方法制得的元件呈现出良好的硬度和机械特性，但当暴露在高温(800℃左右)、即航空发动机元件的常规工作温度时，将变得极其易碎。 [0007] 事实上，在上述领域中最具应用潜力的钴铬钼合金除了含有铬和钼之外，还含有相当数量的碳。这三种元素的同时存在将引起碳化物的形成，一方面，该碳化物有助于形成材料的高硬度和良好的机械特性，但另一方面，当该碳化物在晶界析出时，将导致材料的脆裂。碳化物的析出在热力学上是希望获得的，尤其在航空业的应用温度范围。 [0009] 例如提出，对由激光粉末烧结制得的钴铬钼合金元件在1050℃进行2个小时的应力消除热处理，该处理的首要目的是将元件的内应力减为最小，因而将元件的张力减为最小(该张力为不希望存在的，尤其当元件具有复杂的几何形状时)。 [0010] 在应力消除的过程中，碳化物在晶界析出，因此，这种热处理降低了元件的机械阻力、屈服性和极限伸长率。所述现象在700℃到1000℃温度范围内尤其明显。当温度进一步升高时，例如升至1050℃时，将引起碳化物的增溶，同时减轻脆化效应；但另一方面，在使用中，无法阻止这些碳化物通过其它不受控制的方式再次沉淀。也就是说，如果旨在提高粉末烧结制得的钴铬钼合金元件的机械特性，则不建议采用这种热处理方式。 [0011] 另外，须强调的是，所述情形还未将元件暴露在高温下、如航空业应用的常规温度中的可能性考虑在内。 [0012] 此外，还提出了对烧结制得的元件进行热等静压压缩(业内称HIPing技术，取HotIsostatic Pressing的首字母缩写，即HIP)处理，旨在使材料均质化，以降低脆度。这实际上是获得了结构上各同向性的再结晶材料，其内部结构不含可见碳化物。 [0013] 尽管所述处理在一方面显著地提高了材料的极限伸长率，然而，该处理使得材料的机械特性相比烧结材料明显降低，还增加了制造成本。 [0014] 另外，所述处理能有效地获得碳化物的溶解，但是，当材料暴露在高温使用条件下时，所述处理无法控制随后的沉淀。即，所述处理只对较低温度时使用的元件有用，这种较低温度是指低于碳化物再次沉淀的温度范围的温度，所述碳化物再析出温度范围为约700℃到1000℃之间。 [0015] 因此，需要提供一种制造钴铬钼合金元件的方法，以克服现有技术方案的缺陷。 [0016] 此外，对于航空业，尤其需要一种制造钴铬钼合金元件的方法，以优化元件在适于航空应用的温度(接近800℃)时的机械特性，特别是降低脆度、提高延展性和高温时的屈服性方面。 发明内容[0017] 本发明的目的是，提供一种用于制造钴铬钼合金元件的方法，该方法能满足上述至少一项需求，操作简单且成本低廉。 [0018] 通过本发明可实现上述目的，本发明涉及一种用于制造钴铬钼合金元件的方法，所述元件在800℃时的平均极限伸长率大于10％，在800℃时的平均屈服载荷大于400Mpa，该方法包括以下步骤： [0019] a)通过粉末烧结添加剂方式获得钴铬钼合金的烧结元件，该烧结元件包含在熔融基质内呈不规则分布的各种碳化物； [0020] b)在1100℃到1300℃之间对烧结元件进行至少2小时的第一次热处理，使所述碳化物增溶，以形成增溶中间产物； [0021] c)以至少等同于在空气中时的冷却速率对所述增溶中间产物进行冷却，以形成冷却后的中间产物； [0023] 为更好地理解本发明，以下将结合优选实施例进行说明，该优选实施例并不构成对本发明的限制，其中附图说明如下： [0024] 图1为钴铬钼合金烧结元件的形态学显微照片； [0025] 图2为图1中的烧结元件经本发明的方法中的步骤a)，b)和c)处理后获得的中间产物的形态学显微照片(在1220℃进行了4小时的增溶及冷却后)； [0026] 图3为钴铬钼合金烧结元件经本发明的方法的步骤d)处理后的形态学显微照片(在1220℃进行4小时的增溶，接着冷却，随后在815℃进行10小时的处理)。 具体实施方式[0027] 根据本发明的方法，首先对钴铬钼合金以粉末烧结添加剂的方式进行烧结，以获得烧结元件，优选地为通过激光烧结或电子束烧结方式。考虑到多元件系统处于转变，烧结的操作条件决定了熔基基质，合金的其它主要成分的碳化物分布在熔基基质中——更多的是铬和钼碳化物——由不规则和不受控的析出引起。图1的显微照片定性地显示了烧结元件的微观结构。 [0028] 对制得的烧结元件进行第一次热处理，使碳化物在1100℃到1300℃温度范围内增溶。当温度低于1100℃时，碳化物的溶解和合金中元素的分散将无法达到符合要求的条件。另一方面，当温度高于1300℃时，结晶颗粒将过大，并且，烧结元件可能会受到进行热处理的熔炉的炉壁及所使用的工具的污染。 [0029] 增溶处理至少要在高温下进行2小时，优选地为至少4小时，以便碳化物充分增溶，构成合金的元素充分相互扩散。 [0030] 优选地，对烧结元件进行热处理的温度为1200℃到1250℃之间，更优选的温度为1220℃左右。 [0031] 尽管加热速率不是影响处理后的材料的最终特性的基本参数，然而优选地，尤其对于具有复杂的几何形状的烧结元件来说，在温度增加时有一个或两个停顿，例如两个，以获得烧结元件中均匀的温度分布，并因此降低形变的可能性。 [0032] 通过增溶步骤，获得了增溶中间产物。 [0033] 根据本发明，接着对所述增溶中间产物以至少等同于在空气中时的冷却速率进行冷却 [0034] 换而言之，冷却速率必须足够高，以防止碳化物再析出。在实际使用中，考虑到上述增溶热处理的温度、因此产生的处理后元件的热应力以及熔炉本身的结构，冷却的第一步骤优选地在熔炉中、无风的空气里进行，例如，将温度降低至1100℃以下，随后在冷却气流中进行冷却步骤。 [0036] 上述增溶热处理使材料的结构发生了较大的改变，通过对比图1和图2中的显微照片清晰可见：图2示意了冷却后的中间产物的微观结构，该中间产物由图1中的烧结元件在1220℃进行了4小时处理后获得。 [0037] 根据本发明的方法，接着对冷却后的中间产物进行第二次热处理，具体为加热到700到1000℃之间，优选地为800℃到850℃，更优选地为约815℃。 [0038] 该第二次热处理的有益之处在于，使得先前溶在合金基质中的碳化物形成了可控的、均匀的析出。 [0039] 获得受控的、均匀的析出的必需时间与处理温度有关，且通常与温度成反比。因此，根据本发明的第二次热处理的持续时间为5到15小时，并且，在大约815℃的最佳处理温度时，处理时间优选地为10小时左右。 [0040] 同样地，对于该第二次热处理，为了限制氧化现象，优选地为在惰性气氛中进行操作(真空、氩气等)。 [0041] 另外，从图3的显微照片中还可看出，再析出的碳化物在微观结构层面具有高纯度。 [0042] 第二次热处理之后，进行进一步的冷却步骤。 [0043] 通过本发明的方法获得的钴铬钼合金元件在适于航空业的高温使用条件下具有改进的性能。特别地，这种元件在800℃时的平均极限伸长率大于10％，在800℃时的平均屈服载荷大于400Mpa。 [0044] 通过一个体现本发明的处理方法的特点的实施例，以及由该方法本身制得的元件，本发明的优点清晰可见。 [0045] 特别地，按照本发明的方法制得的元件，在800℃左右时延展性明显提高，从以下的实施例分析中清楚可见。 [0046] 实施例1 [0047] 选用一种市售合金(EOS钴铬MP1)，其组成成分为：Co占60％到65％，Cr占26％到30％，Mo占5％到7％，C占0.16％，采用激光技术，对直径为12mm、长度为100mm的圆柱形样本进行烧结。 [0048] 根据本发明对获得的样本进行处理，并测量其在室温下以及随后的高温持续曝露下的相应的机械性能。将所述测试与在未经任何热处理的元件上进行的类似测试的结果进行对比，所述未经任何热处理是指，只经过碳化物的增溶处理和随后的冷却步骤处理，即本发明的步骤a)和步骤b)。 [0049] 下面的表1具体给出了根据美国材料与试验协会E8M-08标准，在室温下的测试过程中获得的数据： [0050] -元件I：烧结元件； [0051] -元件II：烧结元件，进行了使碳化物增溶的热处理(在1220℃进行了4小时)并冷却； [0052] -元件III：对元件II进一步进行了热处理，获得碳化物的可控析出(在815℃进行了10小时)。 [0053] 表1 [0054] [0055] 说明： [0056] Rm为极限载荷，其单位为MPa； [0057] Rp0，2为屈服载荷，其单位为MPa； [0058] A5D为极限伸长率，表示为％。 [0059] 下面的表2给出了根据美国材料与试验协会E21-0标准，同样的元件在800℃的测试过程中获得的数据： [0060] 表2 [0061] [0062] 说明： [0063] Rm为极限载荷，其单位为MPa； [0064] Rp0，2为屈服载荷，其单位为MPa； [0065] A5D为极限伸长率，表示为％。 [0066] 此外，将从元件I获得的数据与从在815℃中保持10小时的相同的元件(表中简称元件IV)获得的数据进行对比，可以证实，该处理对于暴露高温中的元件也具有效果，例如航空业的操作温度。在室温及高温下(800℃)都进行了测试，结果如下表3所示。 [0067] 表3 [0068] [0069] 说明： [0070] Rm为极限载荷，其单位为MPa； [0071] Rp0，2为屈服载荷，其单位为MPa； [0072] A5D为极限伸长率，表示为％。 [0073] 从表1中的数据中可见，增溶热处理降低了材料的机械阻力和屈服性，但显著地提高了其延展性(特别注意有关极限伸长率的数据)。相比可溶解物质，碳化物的可控析出处理使材料的机械性能得以提高；尽管可能会注意到数据中的极限延伸率有所减小，但仍保持在很高的值。 [0074] 然而，本发明的方法的主要优点体现在表2中的数据中，该数据显示，高温时材料的延展性和屈服性显著地提高了。 [0075] 还应注意到(表3)，当未实施本发明的热处理时，暴露于800℃左右的基材的性能受到明显减小的极限伸长率的影响，还受到相应的标准偏差增大的影响。 |
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