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《兰州理工大学》 2010年
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新型钴基Co-Al-W合金设计、制备及性能研究

徐仰涛  
【摘要】:传统沉淀强化机制认为,钴基高温合金中γ′强化相易呈脆性形态沉淀析出,γ′相与合金基体错配度较大,造成钴基合金不良的高温性能。Co-Al-W合金是由γ′-Co_3(Al,W)相沉淀强化的新型钴基高温合金,由于合金具有在某一高温范围内强度随温度升高而增加的“反常”变化现象。对Co-Al-W合金进行成分设计和制备,研究合金耐NaCl溶液电化学腐蚀、耐75%Na2SO_4+25%NaCl熔盐热腐蚀和空气中抗800、900℃高温氧化行为,合金在不锈钢基体上堆焊性能成为学者关注的问题。 本论文在对燃烧合成和真空感应熔炼制备钴基Stellite 6合金微观组织、碳化物类型及分布等预实验及对Co-Al-W合金固溶温度、强化相类型、微观组织结构、硬度等国内外已有研究工作的基础上,通过合金成分设计,对燃烧合成和真空感应熔炼制备Co-Al-W合金固溶温度、强化相类型、微观组织结构、硬度等进行研究,进而对合金电化学腐蚀、热腐蚀和高温氧化性能及Co-Al-W合金在不锈钢基体上堆焊性能研究,为合金设计和应用提供理论依据和科学指导。研究发现: (1)燃烧合成和真空感应熔炼制备Co-Al-W合金微观组织由γ-Co基体及其上γ′-Co_3(Al,W)强化相和少量碳化物组成。钨含量增加,合金固溶温度升高,在γ-Co基体上γ′相数量和体积分数增加。合金元素Ta、Nb、Mo、Ti与γ-Co基体形成A3B型相Co_3(Ta,Nb,Mo,Ti)可提高合金中γ′-Co_3(Al,W)相和γ-Co基体的结晶度,对Co-Al-W合金中γ′相起到不同程度的稳定作用,合金的固溶温度和硬度适度提高。 (2) Co-Al-W合金在NaCl溶液中电化学腐蚀时,由于Cl-穿透钝化膜导致“闭塞腐蚀电池”效应,在晶界处发生点蚀。加入合金元素Mo、Nb、Ti和Ta可以提高Co-Al-W合金耐NaCl溶液的电化学腐蚀能力。 (3) Co-Al-W合金在800℃75%Na2SO4+25%NaCl熔盐中腐蚀后腐蚀膜分三层,即呈蓬松状由钴氧化物Co_3O_4组成的最外层,由Co、Al、W和合金元素复杂氧化物组成的中间过渡层和由Al、Co氧化物组成较致密的最内层。合金元素在氧化性气氛中形成的腐蚀氧化膜对基体起良好保护作用。 (4) Co-Al-W合金在800℃和900℃空气中静态氧化后氧化膜大致分为三层,即以钴氧化物Co3O4形式存在且厚度基本均匀的氧化膜最外层;基体和表面层间不连续的中间过渡层主要由W、Al和合金元素氧化物组成;氧化膜内层主要是Co、Al氧化物。Co-Al-W合金中Ta、Nb、Mo、Ti元素的加入可提高合金在高温空气中静态氧化的氧化激活能,减少合金氧化增重,提高合金抗高温氧化能力。 (5)在304不锈钢基体表面用TIG电弧对Co-8.8Al-9.8W(at.%)合金混合粉末进行堆焊,能获得表面成形及与母材结合良好的堆焊层。堆焊电流和堆焊速度都会对堆焊层熔宽、熔深和稀释率产生影响。堆焊层合金微观组织由γ-Co基体及其上碳化物和复杂Co、Al元素金属间化合物组成。堆焊层硬度较高,平均硬度约为HRC53.1,显微硬度最高Hv50可达1050。 (6)燃烧合成和真空感应熔炼方法制备Stellite 6合金微观组织均由γ-Co基体及其上对基体起强化作用的碳化物组成。由于燃烧合成制备合金时热量聚集和散失不均匀,合金并不是过饱和固溶体,碳化物处于亚稳态且不能均匀析出。燃烧合成制备Stellite 6合金耐中性NaCl溶液腐蚀能力较强。综合以上研究结果,通过合金成分设计、合金化可显著提高Co-Al-W合金固溶温度和硬度,改善合金耐NaCl溶液腐蚀能力,提高合金耐75%Na2SO4+25%NaCl熔盐热腐蚀和合金在800、900℃空气中的抗氧化能力,进而根据需要对合金进行有目的的设计,为合金广泛应用提供科学和理论基础。
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