Co-Al-W基高温合金发展概述

摘要

cqvip:传统Co基高温合金的强化机制为固溶强化与碳化物强化,强化效果弱于Ni基高温合金中的有序相γ′强化,从而使得Co基高温合金的应用受到限制。直到2006年,在Co-Al-W三元相图中发现稳定的L12相——Co3(Al,W),这种新型γ′相强化的Co-Al-W基高温合金有以下特点:(1)含Ta合金熔点高于Waspaloy合金;(2)硬度与屈服强度不低于Ni基高温合金;(3)γ/γ′两相之间的晶格错配度与Ni基高温合金在数值上接近,符号上相反,而正的晶格错配度更有利于蠕变性能。综上所述,Co3(Al,W)相的发现为Co基高温合金的发展开辟了新道路。自2006年以来,针对Co-Al-W基高温合金的组织与性能进行了大量研究。Co-Al-W基高温合金的微观组织为γ/γ′两相,此外还会存在一些二次相,其中包括富集Al和Ti元素的B2-CoAl相、富集难熔元素的拓扑密堆相m-Co7 W6以及易在时效过程析出的c-Co3 W相。这些二次相通常在晶界析出,容易成为裂纹的发源地,同时会弱化固溶强化效果,对合金的高温性能不利。虽然Co-Al-W基高温合金得到了立方形态的γ′相共格析出,但由于γ′-Co3(Al,W)相高温稳定性差,需要对其进行合金化,因此,这种γ′相强化的Co基高温合金正在由简单的Co-Al-W三元合金发展成为复杂的多元合金。综合来看,主要添加的合金化元素有Ta、Ti、Nb、V、Mo、Ni和Cr。其中,γ′相形成元素包括Ta、Ti、Nb、V、Mo,这些元素的分配系数均大于1,且能有效提高γ′相固溶温度与体积分数;Cr、Fe、Re的分配系数小于1,是γ相形成元素,添加后均降低γ′相固溶温度,其中Cr会提高γ′相的体积分数。众多合金元素中,Cr、Mo和Ni元素的过量添加会降低γ/γ′两相间的晶格错配度,从而改变γ′相形态甚至破坏γ/γ′两相组织。合金的组织与性能密切相关,γ/γ′两相、γ′相为立方形态且γ′相高温稳定性高的合金具有优异的性能。Co-Al-W基高温合金的流变应力随温度变化分为三个阶段:首先随温度升高而降低;然后随温度升高而异常升高;最后再次随温度升高而降低。故而存在峰值温度与峰值强度,Co基高温合金多应用在峰值温度下,以便获得最高的屈服强度。此外,由于Co-Al-W基高温合金中γ/γ′两相晶格错配度为正,在蠕变过程中会出现平行于拉应力的筏化,对合金的高温性能有利。除了Ta、Ti等元素能强化合金外,少量B元素的添加有晶界强化作用,可以提高合金的力学性能。添加Cr元素的Co-Al-W基高温合金在高温氧化过程中会形成三层氧化层,分别是最外层的Al2 CoO4、富Cr并含有Cr2 O和Cr2 O3的中间层以及最内层的Al2 O3。其中Cr2 O3和Al2 O3氧化层均致密且具有保护作用,可显著提高合金的抗氧化能力。本文简单介绍了Co-Al-W基高温合金的发现与发展,综述了近年来Co-Al-W基高温合金的研究现状,并指明了未来Co基高温合金的发展方向。