徐仰濤，沙岐振，夏天東

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鉭含量對(duì)Co-Al-W合金強(qiáng)化相和高溫氧化行為的影響

徐仰濤1, 2，沙岐振1, 2，夏天東1, 2

(1. 蘭州理工大學(xué) 省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730050；2. 蘭州理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，蘭州 730050)

Co-Al-W合金是一種由′-Co-3(Al,W)相沉淀強(qiáng)化的新型鈷基高溫合金，為了研究微合金化元素鉭對(duì)Co-8.8Al-9.8W(摩爾分?jǐn)?shù)，%)合金強(qiáng)化相和高溫氧化行為的影響，運(yùn)用d電子合金設(shè)計(jì)理論和XRD分析方法研究Co-8.8Al-9.8W-Ta (=0、0.5、1、1.5、2)合金的相組成、′強(qiáng)化相的數(shù)量及相的析出行為；運(yùn)用SEM和EDAX等方法研究合金高溫氧化膜的組成、顯微組織結(jié)構(gòu)和元素分布，并計(jì)算合金的氧化激活能。結(jié)果表明：鉭元素含量增加，合金中′強(qiáng)化相的數(shù)量增多，對(duì)相析出的抑制程度增加。Co-8.8Al-9.8W-Ta合金的氧化膜主要由3層組成，最外層主要為鈷的氧化物，中間過(guò)渡層為鎢、鋁和鉭的復(fù)雜氧化物，最內(nèi)層主要為鋁的氧化物。鉭元素提高合金氧化膜最內(nèi)層中鋁氧化物的致密性和穩(wěn)定性。1.5Ta合金的氧化膜具有最佳的致密度和穩(wěn)定性，氧化激活能最高，抗氧化能力最強(qiáng)。

Co-Al-W合金；高溫氧化；激活能；氧化膜；鉭

高溫氧化行為是判斷高溫合金使用性能和服役壽命重要而直接的依據(jù)。鈷基合金具有良好的抗高溫氧化、耐熱腐蝕和耐高溫磨損能力，常用于制造燃?xì)鉁u輪機(jī)葉片，在汽化煤裝置、發(fā)電系統(tǒng)等環(huán)境中使用且滿足極端使用要求。傳統(tǒng)鈷基高溫合金的強(qiáng)化方式主要是碳化物及質(zhì)點(diǎn)的彌散強(qiáng)化和合金元素的固溶強(qiáng)化，而新型Co-Al-W合金是由′-Co3(Al,W)沉淀強(qiáng)化的鈷基高溫合金。自SATO等[1]發(fā)現(xiàn)具有L12 結(jié)構(gòu)且較為穩(wěn)定的′-Co3(Al,W)沉淀強(qiáng)化相的新型Co-Al-W 合金以來(lái)，該合金逐漸成為高溫合金研究者關(guān)注的熱點(diǎn)[2?17]，但對(duì)合金高溫性能的研究較少。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)合金的制備方法、高溫強(qiáng)度、顯微組織、強(qiáng)化相類(lèi)型、液相線溫度以及微合金化元素對(duì)合金性能的影響研究發(fā)現(xiàn)，微合金化元素可以提高合金的液相線溫度，增加強(qiáng)化相的類(lèi)型和數(shù)量，改善合金的高溫性能。

難熔元素Ta可以提高高溫合金中′相的數(shù)量、析出溫度，細(xì)化′相顆粒，增加′相長(zhǎng)期時(shí)效的穩(wěn)定性，擴(kuò)大合金固溶處理溫度范圍，便于′強(qiáng)化相均勻析出，降低′相粗化動(dòng)力學(xué)，在基體相中形成團(tuán)簇結(jié)構(gòu)，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而提高合金的高溫性能。隨著對(duì)高溫合金使用要求的不斷提高，合金中微合金元素的種類(lèi)和含量也逐漸增加[18]。本文作者對(duì)電弧熔煉Co-8.8Al-9.8W-Ta (=0、0.5、1、1.5、2(摩爾分?jǐn)?shù)，%))合金強(qiáng)化相及鉭元素對(duì)合金高溫氧化性能的作用機(jī)理進(jìn)行研究，為合金的廣泛應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)

用WS?4非自耗電弧熔煉爐(氬氣保護(hù))制備Co-8.8Al-9.8W-Ta合金的原料為鈷塊(純度99.9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，5~10 mm)，鋁粉(純度99.5%，3.59 μm)，鎢粉(純度99.9%，0.98 μm)和鉭粉(純度99.9%，48 μm)，按表1所列Co-8.8Al-9.8W-Ta合金名義組分用METTLER AE240 型電子天平稱量配比，經(jīng)QM?1SP4型行星式球磨機(jī)混合均勻后(球料比1.3:1，轉(zhuǎn)速400 r/min，球磨3 h)，在島津萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上壓制成試驗(yàn)試樣(模具自制，壓力90 MPa)，再連同鈷塊一起置于石墨坩堝中制備合金。用能量色散X熒光光譜儀(EDXRF)對(duì)制備合金的化學(xué)成分分析如表1所列。為表述方便，本研究中以鉭元素摩爾分?jǐn)?shù)表示合金，如表1所列。合金高溫氧化試驗(yàn)試樣規(guī)格為15 mm×12 mm×3 mm，用800號(hào)金相砂紙打磨拋光后放進(jìn)裝有乙醇和丙酮溶液的KQ?250D型超聲波清洗儀清洗干凈，干燥后備用。將洗凈的瓷舟在預(yù)定溫度下烘烤至質(zhì)量不變并稱量質(zhì)量后入爐，并按照航空工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HB 5258?2000《鋼及高溫合金的抗氧化性測(cè)定試驗(yàn)方法》進(jìn)行氧化實(shí)驗(yàn)。