基于团簇加连接原子模型的Co-Al-Mo基高温合金成分设计

摘要

新型γ′相强化的Co基高温合金有与Ni基高温合金相似的微观组织与力学性能，是高温合金领域的研究热点，但由于γ′相高温稳定性差且合金密度较高从而限制了其进一步应用，探究合金成分规律有利于得到组织性能优异的Co基高温合金。 本文根据面心立方固溶体的团簇加连接原子模型对Co-Al-W基高温合金进行成分解析。对于Co-Al-W三元合金得到其成分通式为[Al-Co12](Co,Al,W)3，即以Al为中心原子、Co为壳层原子的CN12团簇-[Al-Co12]加上三个连接原子。对于多元复杂合金，将合金元素根据混合焓与分配行为进行分类--(Co)(Co、Cr、Fe、Re、Ni、Ir、Ru)、Al、(W)(W、Mo)以及(Ta)(Ta、Ti、Nb、V)，随后进行合金成分解析则得到其团簇成分式为[Al-(Co12)](Co1.0)Al0.5((W),(Ta))1.5(≈(Co81.25)0Al9.375((W),(Ta))9.375at.%)。此外对Co-Al-W基合金中γ和γ′两相成分进行解析后得到团簇成分式分别为[Al-(Co12)](Co1.5)Al0.5((W),(Ta))1.0(≈(Co84.375)Al9.375((W),(Ta))6.250)和[Al-(Co12)](Co0.5)Al0.5((W),(Ta))2.0(≈(Co78.125)Al9.375((W),(Ta))12.500)。 由于W元素原子质量较大且熔点高，会增加合金密度与熔炼难度，在此采用Mo替代W，并改变连接原子中(Ta)和(Co)中原子种类和个数，设计得到Co-Al-Mo基高温合金成分：Co-Al-Mo-Ta/Nb(-Cr)系列与Co-Al-Mo-Ti-Ni/Cr系列合金，分析其组织形貌与相组成，明确合金元素作用与影响。 Co-Al-Mo-Ta/Nb(-Cr)合金由于含有较多难熔元素(Ta、Mo和Nb)，铸态下枝晶间存在层状共晶相，经分析为μ相，均匀化处理未能消除成分偏析而使?相尺寸增大，时效处理后均有γ′相析出，且Ta明显提高γ′相体积分数与晶格错配度，降低γ′相尺寸，但在晶界与晶内均有μ相和x相析出，其中μ相为固溶处理过程遗留相，而x则包覆μ相析出，若是进行长期时效则μ相会完全转变为x相，说明合金此时处于γ+γ′+x三相平衡。由于无W元素，合金密度相对Co-Al-W基高温合金明显降低。 Co-Al-Mo-Ti-Ni/Cr合金由于Ti完全替代Ta和Nb而在铸态下无成分偏析，固溶处理后晶界无其他相存在，为γ单相组织，时效处理后只有6Ni合金为γ+γ′两相组织，但γ′相立方度和体积分数相对于含Ta四元合金明显降低，其他合金中均在不同程度有晶界与晶间β相与x相析出，说明合金中仍含有较多难熔元素含量，且Ti和Al过量。值得注意的是二次相含量与尺寸明显降低，且对硬度影响较小，硬度变化趋势与组织分析结果一致，其中γ+γ′两相的6Ni合金硬度最高且密度较低。

目录

声明

1 绪论

1.1 Co-Al-W基高温合金的发展历程

1.2 Co-Al-W基高温合金的相组成

1.2.1 基体相-γ相

1.2.2 强化相-γ′相

1.2.3 二次相

1.2.4 相平衡

1.2.5 合金元素在γ与γ′相中的分配

1.2.6 γ/γ′两相晶格错配度

1.3 Co-Al-W基高温合金的性能

1.3.1 Co-Al-W基高温合金的力学性能

1.3.2 Co-Al-W基高温合金的高温蠕变性能

1.3.4 Co-Al-W基高温合金的抗氧化性能

1.4 Co-Al-Mo基高温合金的发现与发展

1.4.1 Co-Al-Mo基高温合金的发现

1.4.2 合金元素对Co-Al-Mo基高温合金的影响

1.4.3 Co-Al-Mo-Nb高温合金的组织变化

1.5 选题意义及本课题研究内容

1.5.1 选题意义

1.5.2 主要研究内容

2 Co-Al-W基高温合金的团簇模型

2.1 固溶体的团簇加连接原子模型

2.2 Co-Al-W基础体系的团簇成分式

2.2.1 γ相的团簇成分式

2.2.2 γ′相的团簇成分式

2.3 合金元素分类

2.4 Co-Al-W基高温合金成分解析

2.4.1 合金成分解析原则及步骤

2.4.2 γ/γ′两相成分解析

2.5 Co-Al-Mo基高温合金成分设计

3 实验方法

3.1 合金制备

3.2 热处理工艺

3.3 组织结构分析

3.3.1 金相观察

3.3.2 X射线衍射分析（XRD）

3.3.3 扫描电子显微观察（SEM）

3.4 合金性能测试

3.4.1 密度测定

3.4.2 硬度分析

4 Co-Al-Mo-Nb/Ta(-Cr)合金的组织分析

4.1 铸态组织分析

4.2 热处理组织分析

4.2.1 1300 ℃高温热处理组织

4.2.2 800 ℃时效处理组织

4.2.3 二次相的析出

4.3 合金密度分析

4.4 本章小结

5 Co-Al-Mo-Ti-Ni/Cr合金的组织分析

5.1 铸态组织分析

5.2 热处理组织分析

5.2.1 1300 ℃高温热处理组织

5.2.2 800 ℃时效处理组织

5.2.3 二次相析出

5.3 密度及硬度分析

5.4 本章小结

结论

参 考 文 献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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