Co-AL-W基高溫合金熱力學(xué)分析及合金設(shè)計(jì).pdf

1、與鎳基高溫合金相比，傳統(tǒng)鈷基高溫合金具有更優(yōu)越的抗熱腐蝕及耐磨損性能，但高溫強(qiáng)度較差。其原因在于傳統(tǒng)鈷基高溫合金主要依靠固溶強(qiáng)化及碳化物彌散強(qiáng)化，缺乏像鎳基高溫合金中Ni3Al這樣的強(qiáng)化相，限制了鈷基高溫合金的應(yīng)用。2006年，人們?cè)贑o-Al-W合金中發(fā)現(xiàn)了一種具有穩(wěn)定L12結(jié)構(gòu)的金屬間化合物γ'-Co3(Al，W)，其穩(wěn)定存在溫度在950℃以上，與基體γ相共格。有研究表明，Co-Al-W合金具有良好的高溫強(qiáng)度和高溫合金所特有的反常的

2、高溫硬化效應(yīng)。因此，開(kāi)發(fā)具有γ+γ'兩相組織的新型鈷基高溫合金成為了研究熱點(diǎn)。
　　眾所周知，高溫合金的合金化十分復(fù)雜。在Co-Al-W基高溫合金中，Ni既溶解于基體起固溶強(qiáng)化作用，又能夠置換γ'中的Co，提高γ'相穩(wěn)定性;而Cr是有效的提高耐蝕性和高溫抗氧化性元素。因此Ni、Cr合金化及其復(fù)合合金化是Co-Al-W基高溫合金首要解決的合金化問(wèn)題。建立Co-Al-W-Ni-Cr多元合金相平衡，熱力學(xué)描述多元γ和γ'相穩(wěn)定性，是解決

3、這一問(wèn)題的基礎(chǔ)。為此，本研究采用CALPHAD方法，對(duì)Co-Al-W-Ni-Cr多元系中所有構(gòu)成三元系進(jìn)行熱力學(xué)研究，建立Co-Al-W基高溫合金熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)，在此基礎(chǔ)上分析合金化特點(diǎn)，為Co-Al-W基高溫合金設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)理論數(shù)據(jù)。主要研究結(jié)果如下。
　　完成了Co-Ni-Cr三元系的熱力學(xué)分析工作。在實(shí)驗(yàn)測(cè)定的800-1300℃相平衡數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，對(duì)(γCo，Ni)相的熱力學(xué)穩(wěn)定性進(jìn)行了合理準(zhǔn)確的描述，從熱力學(xué)角度詮釋了Cr在(

4、γCo，Ni)中約40 at.％的固溶度;采用三亞點(diǎn)陣模型(Co，Ni)8(Cr)4(Co，Cr, Ni)18，合理描述了Co-Ni-Cr三元系中的化合物σ相，結(jié)果顯示，σ相具有很高的熱力學(xué)穩(wěn)定性，計(jì)算結(jié)果再現(xiàn)了Ni在σ相中較高的固溶度及其隨溫度的變化關(guān)系;根據(jù)計(jì)算結(jié)果，Co-Ni-Cr三元系在近1400℃時(shí)，首先在Ni-Cr一側(cè)出現(xiàn)液相。
　　熱力學(xué)評(píng)估了Co-Cr-W三元系相平衡。結(jié)果表明，Cr在(γCo）中具有很大的固溶度，

5、而W的固溶度隨著Cr含量的增加而降低。根據(jù)μ相的晶體結(jié)構(gòu)信息，建立三亞點(diǎn)陣模型(Co，Cr, W)7(W)2(Co，Cr，W)4。結(jié)果表明，Cr有很強(qiáng)的置換第三點(diǎn)陣W的趨勢(shì)，使Cr在μ相中的固溶度可達(dá)到50 at.％;采用三亞點(diǎn)陣模型(Co，W)8(Cr，W)4(Co，Cr，W)18描述σ相，確定了W對(duì)σ相強(qiáng)烈的穩(wěn)定化作用;建立三亞點(diǎn)陣模型(Co，W)27(Cr W)14(Co，Cr,W)12描述三元金屬間化合物R相，通過(guò)熱力學(xué)計(jì)算確定

6、R相穩(wěn)態(tài)存在的溫度區(qū)間為1022-1440℃，對(duì)應(yīng)四相反應(yīng)為:1022℃時(shí)體系發(fā)生共析反應(yīng)R(←→)μ+(γCo)+σ，而在約1440℃時(shí)發(fā)生包晶反應(yīng)L+μ+σ(←→)R。
　　對(duì)Co-Al-Cr三元系進(jìn)行了熱力學(xué)研究，重點(diǎn)分析了合金中的A2/B2有序-無(wú)序轉(zhuǎn)變及有序化導(dǎo)致的兩相分離。采用改進(jìn)的雙亞點(diǎn)陣模型分別描述無(wú)序A2相和B2相有序化的貢獻(xiàn)，計(jì)算的有序-無(wú)序轉(zhuǎn)變曲線與實(shí)測(cè)結(jié)果相吻合，顯示出本研究所建立的模型及模型參數(shù)在描述無(wú)序

7、A2相和B2相有序化自由能貢獻(xiàn)上是合理的;計(jì)算結(jié)果成功地描述了三元系BCC相中的A2、B2兩相分離成分曲線，以及兩相分離成分區(qū)域與溫度的變化關(guān)系;在此基礎(chǔ)上，熱力學(xué)分析了兩相分離現(xiàn)象，證明B2相CoAl的有序化自由能導(dǎo)致BCC相自由能曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)是兩相分離產(chǎn)生的根本原因;計(jì)算還表明Co-Al-Cr三元系在1012℃發(fā)生四相反應(yīng)CoAl+σ(←→)(γCo)+(αCr)。
　　以本研究建立的Co-Al-W-Ni-Cr多元鈷基高溫合金