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無錫國勁合金有限公司
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閱讀：147發布時間：2017-1-18
溫度相同時，Ni3Al中Al的擴散較Ni慢。考察成分依賴時，Ni的自擴散系數隨著Ni3Al中Ni成分的增加而降低，且在低溫條件下降低趨勢趨于明顯，起源于Ni空位濃度隨Ni成分的增加而減少。Al的自擴散系數也隨著Ni成分的增加而降低，這源于在Ni3Al中較高的Ni原子比例抑制了Al反位置缺陷的形成，擴散過程中起主導作用的Al反位置缺陷隨著Ni成分的增加而急劇降低。運用分子動力學方法結合改進的分析型嵌入原子勢(MAEAM)對于合金元素的固溶強化機制進行了研究。通過研究Ni基體相中的刃位錯運動，表明固溶原子對于刃位錯的運動具有阻礙作用。在添加相同濃度替位原子時，Ru元素對于刃位錯運動的阻礙作用則比添加Co元素要明顯。而Re元素即使低濃度時對于位錯的阻礙作用很明顯。對于合金元素的固溶強化作用，Re元素zui為明顯，其次為Ru元素，zui后為Co元素。其微觀機制為合金元素通過與位錯滑移面上zui近鄰基體原子成鍵形成相互作用，導致其堆垛層錯能升高，使得位錯運動過程中需要耗費更多能量，阻礙位錯運動形成固溶強化作用。研究了單晶Ni、Al和Ni3Al的納米壓痕特性。基于結構分析發現Ni和Al的納米壓痕過程中經歷彈性形變與塑形形變，Ni3Al中由于形成微孿晶而存在偽彈性形變過程。Ni3Al析出相中高的不穩定層錯能與本征層錯能的比值，使得Ni3Al中易于形成分位錯，且在晶體中壓頭下方區域釘扎從而形成微孿晶，推遲了塑形形變的發生，強化了高溫合金。對于壓頭的尺寸效應發現，壓頭尺寸越小所需要的塑形形變應力越高。結合蒙特卡洛模擬對于Re原子分布以及對Ni/Ni3Al界面結構的影響進行了研究。Ni/Ni3Al的界面為有序-無序界面，其界面過渡區域為8-10個原子層，過渡界面區域的寬度隨著溫度的升高而增加。模擬發現Re原子在Ni3Al析出相中優先占據Al原子位置，沒有形成Re原子團簇。Ni/Ni3Al界面寬度隨著Re元素添加量的增加而減小，確定了Re原子在Ni/Ni3Al界面中的臨界溶解濃度，發現溶解極限值隨溫度的升高而增加。 傳統沉淀強化機制認為,鈷基高溫合金中γ′強化相易呈脆性形態沉淀析出,γ′相與合金基體錯配度較大,造成鈷基合金不良的高溫性能。Co-Al-W合金是由γ′-Co3（Al,W）相沉淀強化的新型鈷基高溫合金,由于合金具有在某一高溫范圍內強度隨溫度升高而增加的“反常”變化現象。對Co-Al-W合金進行成分設計和制備,研究合金耐NaCl溶液電化學腐蝕、耐75%Na2SO4+25%NaCl熔鹽熱腐蝕和空氣中抗800、900℃高溫氧化行為,合金在不銹鋼基體上堆焊性能成為學者關注的問題。本論文在對燃燒合成和真空感應熔煉制備鈷基Slite 6合金微觀組織、碳化物類型及分布等預實驗及對Co-Al-W合金固溶溫度、強化相類型、微觀組織結構、硬度等國內外已有研究工作的基礎上,通過合金成分設計,對燃燒合成和真空感應熔煉制備Co-Al-W合金固溶溫度、強化相類型、微觀組織結構、硬度等進行研究,進而對合金電化學腐蝕、熱腐蝕和高溫氧化性能及Co-Al-W合金在不銹鋼基體上堆焊性能研究,為合金設計和應用提供理論依據和科學指導。研究發現:（1）燃燒合成和真空感應熔煉制備Co-Al-W合金微觀組織由γ-Co基體及其上γ′-Co3（Al,W）強化相和少量碳化物組成。鎢含量增加,合金固溶溫度升高,在γ-Co基體上γ′相數量和體積分數增加。合金元素Ta、N、Mo、Ti與γ-Co基體形成A3型相Co3（Ta,N,Mo,Ti）可提高合金中γ′-Co3（Al,W）相和γ-Co基體的結晶度,對Co-Al-W合金中γ′相起到不同程度的穩定作用,合金的固溶溫度和硬度適度提高。（2） Co-Al-W合金在NaCl溶液中電化學腐蝕時,由于Cl-穿透鈍化膜導致“閉塞腐蝕電池”效應,在晶界處發生點蝕。加入合金元素Mo、N、Ti和Ta可以提高Co-Al-W合金耐NaCl溶液的電化學腐蝕能力。（3） Co-Al-W合金在800℃75%Na2SO4+25%NaCl熔鹽中腐蝕后腐蝕膜分三層,即呈蓬松狀由鈷氧化物Co3O4組成的zui外層,由Co、Al、W和合金元素復雜氧化物組成的中間過渡層和由Al、Co氧化物組成較致密的zui內層。合金元素在氧化性氣氛中形成的腐蝕氧化膜對基體起良好保護作用。（4） Co-Al-W合金在800℃和900℃空氣中靜態氧化后氧化膜大致分為三層,即以鈷氧化物Co3O4形式存在且厚度基本均勻的氧化膜zui外層;基體和表面層間不連續的中間過渡層主要由W、Al和合金元素氧化物組成;氧化膜內層主要是Co、Al氧化物。Co-Al-W合金中Ta、N、Mo、Ti元素的加入可提高合金在高溫空氣中靜態氧化的氧化激活能,減少合金氧化增重,提高合金抗高溫氧化能力。（5）在304不銹鋼基體表面用TIG電弧對Co-8.8Al-9.8W（at.%）合金混合粉末進行堆焊,能獲得表面成形及與母材結合良好的堆焊層。堆焊電流和堆焊速度都會對堆焊層熔寬、熔深和稀釋率產生影響。堆焊層合金微觀組織由γ-Co基體及其上碳化物和復雜Co、Al元素金屬間化合物組成。堆焊層硬度較高,平均硬度約為HRC53.1,顯微硬度zui高Hv50可達1050。（6）燃燒合成和真空感應熔煉方法制備Slite 6合金微觀組織均由γ-Co基體及其上對基體起強化作用的碳化物組成。由于燃燒合成制備合金時熱量聚集和散失不均勻,合金并不是過飽和固溶體,碳化物處于亞穩態且不能均勻析出。燃燒合成制備Slite 6合金耐中性NaCl溶液腐蝕能力較強。綜合以上研究結果,通過合金成分設計、合金化可顯著提高Co-Al-W合金固溶溫度和硬度,改善合金耐NaCl溶液腐蝕能力,提高合金耐75%Na2SO4+25%NaCl熔鹽熱腐蝕和合金在800、900℃空氣中的抗氧化能力,進而根據需要對合金進行有目的的設計,為合金廣泛應用提供科學和理論基礎。Co-Al-W合金是一種由γ′-Co3(Al,W)相沉淀強化的新型鈷基高溫合金,為了研究微合金化元素鉭對Co-8.8Al-9.8W(摩爾分數,%)合金強化相和高溫氧化行為的影響,運用d電子合金設計理論和XRD分析方法研究Co-8.8Al-9.8W-x Ta(x=0、0.5、1、1.5、2)合金的相組成、γ′強化相的數量及μ相的析出行為;運用SEM和EDAX等方法研究合金高溫氧化膜的組成、顯微組織結構和元素分布,并計算合金的氧化激活能。結果表明:鉭元素含量增加,合金中γ′強化相的數量增多,對μ相析出的抑制程度增加。Co-8.8Al-9.8W-x Ta合金的氧化膜主要由3層組成,zui外層主要為鈷的氧化物,中間過渡層為鎢、鋁和鉭的復雜氧化物,zui內層主要為鋁的氧化物。鉭元素提高合金氧化膜zui內層中鋁氧化物的致密性和穩定性。1.5Ta合金的氧化膜具有的致密度和穩定性,氧化激活能zui高,抗氧化能力zui強。 鎳基單晶高溫合金具有優良的高溫性能,是目前制造*發動機和燃氣輪機葉片的關鍵材料。隨著鎳基單晶高溫合金的開發,通過添加大量的難熔元素來提高高溫合金強度。然而,由于合金呈現很高的過飽和度,增大了拓撲密排相(TCP相)的析出傾向。TCP相的析出不僅消耗了大量的固溶強化元素,往往也作為裂紋的發源地和裂紋迅速擴展的通道,導致單晶高溫合金的持久壽命降低,塑性和韌性明顯惡化,嚴重地影響了合金的高溫力學性能。第四代鎳基單晶高溫合金中加入了鉑族元素Ru,能明顯抑制TCP相的析出,進而提高單晶合金的高溫蠕變性能,但其作用機制尚不清楚。有關Ru元素對鎳基單晶高溫合金中基體與TCP相界面結構及其合金元素賦存狀態的研究還非常有限。本文采用電子顯微學分析方法研究了鎳基單晶高溫合金蠕變斷裂之后γ/γ’界面的精細結構以及合金元素的分布行為,并探討了Ru元素對基體與TCP相界面結構及合金元素分布行為的影響規律。通過*性原理方法研究了合金元素在γ/γ’界面、γ’相和基體/TCP界面的分配行為及擇優占位傾向。(1)1100℃/137MPa蠕變實驗研究表明：合金元素在γ/γ’界面兩側的分布趨勢很明顯：Co、Re和Cr元素容易富集在Y相中,而Ni、Al、Ta和W元素較容易向丫’相中偏析。在γ/γ’界面形成的扭結結構的存在2-3nm的Re原子團簇。蠕變過程中,這種扭結結構的形成是由于γ/γ’界面附近的重金屬原子團簇和界面位錯芯部結構的交互作用。γ相和丫’相以共格的臺階形式相結合。在高溫和外加應力的作用下,丫’相發生筏排化,γ/γ’相界面處形成了六角形和四邊形的位錯網。(2)1100℃/800h熱暴露測試研究表明：在不含Ru元素合金1中,TCP相呈細長的針狀,基體/TCP相界面結構呈不規律的高度不一的臺階狀；在含Ru元素合金2中,TCP相呈短棒狀,基體/TCP相界面結構呈規律的兩個原子層高度的臺階狀。Ru元素的添加,改變了合金中其他合金元素在基體和TCP相間的分布行為,減少了TCP相的析出數量,也改變了基體/TCP相界面的精細結構以及TCP相的形貌。(3)采用*性原理方法研究了Ru元素在γ/γ’界面和γ’相中對其他合金元素分配行為的影響規律,揭示了Ru元素與Re元素之間的強化機制是由于Re原子和Ru原子間p-p軌道的雜化而產生較強的相互作用。
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