γ\x27相和納米複合氧化物強化新型鈷基ODS合金的研究

《γ'相和納米複合氧化物強化新型鈷基ODS合金的研究》是依託北京科技大學，由章林擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：γ'相和納米複合氧化物強化新型鈷基ODS合金的研究
• 依託單位：北京科技大學
• 項目負責人：章林
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

針對傳統鈷基合金中溫強度不足和高溫下顯微組織失穩的問題，本項目擬同時引入γ′相和納米複合氧化物兩種強化機制，採用機械合金化工藝製備新型鈷基氧化物彌散強化(ODS)合金。通過彌散相細化、γ′相最佳化和形成粗晶粒組織三個措施來提高高溫力學性能。重點研究氧化物的溶解-析出機制、彌散相細化和界面結構控制機理、以及機械合金化獲得的過飽和固溶體在熱處理過程中的組織演變規律等基礎問題。在掌握形成粗晶粒組織的關鍵工藝參數的基礎上，闡明鈷基ODS合金獨特的二次再結晶行為。通過力學性能研究和顯微結構分析揭示不同溫度下的強化機理。新型鈷基ODS合金能夠將優異的高溫力學性能、耐腐蝕性能和抗氧化性能結合起來，有望用作燃氣輪機中的葉片、噴嘴和燃燒室等高溫部件的關鍵材料。該研究對拓展鈷基合金的使用溫度極限和豐富互不溶系ODS合金製備的相關理論具有重要的科學意義和套用價值。

結題摘要

納米複合氧化物和γ´相共強化的鈷基氧化物彌散強化（ODS）合金能夠將優異的高溫力學性能、耐腐蝕性能和抗氧化性能結合起來，可用作燃氣輪機中的葉片、噴嘴和燃燒室等高溫部件的關鍵材料。本項目重點開展氧化物的溶解-析出機制、氧化物彌散相細化及界面結構控制、過飽和固溶體的顯微組織演變、以及Ni元素的添加對顯微組織和力學性能的影響等基礎問題的研究。得出以下結論： Y2O3顆粒在高能球磨過程中發生分解並在後續退火過程中於690℃左右析出，這為氧化物彌散相的細化提供了可能。添加Ti、Zr和Ca不能細化氧化物，只有Hf元素能夠起到細化氧化物彌散相的效果。最佳的Hf元素添加量為1.2wt.%，氧化物的平均粒徑減小到9.6nm，顆粒間距縮小到55nm，分布更加均勻。添加Hf元素後形成了Y2Hf2O7複合氧化物，由於Y2Hf2O7與基體形成共格界面，降低了界面能，從而抑制了氧化物彌散相的粗化。相反，Y2O3容易與Al元素結合形成Al2O3或Y3Al5O12複合氧化物，導致氧化物顆粒的粗化，而且氧化物的粒徑隨著Al含量的增加而增大。氧化物的溶解-析出機制與微合金元素的添加相結合的不僅實現了彌散相細化，而且提供了一種進行界面結構控制的新手段。添加Hf元素的Co-Al-W系ODS合金與未添加Hf元素的合金相比，氧化物顆粒在高溫熱處理過程中具有更優異的抗粗化效果。 Al、W元素室溫下在鈷基體中的固溶度極低，高能球磨過程中引入的高密度位錯、大量點缺陷、超細晶粒和高界面能促進了Al、W元素在鈷基體中形成過飽和固溶體，並帶來複雜的顯微組織演變。Al、W元素即使經過1300℃固溶處理也未能形成單相固溶體，致使合金成分偏離γ+γ´兩相區，因此熱處理後的鈷基ODS合金除了在基體中析出少量γ´相外，大部分Al、W元素以Co7W6、Co3W和AlxCo的形式析出。鈷基ODS合金的顯微組織中出現了無析出相區域，是一種由硬/軟兩相構成的顯微組織。鈷基ODS合金的平均晶粒尺寸僅為1.1μm，呈雙晶粒尺寸分布特徵。 鈷基ODS合金中添加Ni元素後擴大了Al、W元素在鈷基體中的固溶度，促進了γ΄相的形成，Co7W6、Co3W和AlxCo等析出相的數量明顯減少。γ′相的形貌近方形，γ´和基體間的晶格錯配度為0.44%。隨著時效時間的延長，γ′相發生Ostwald 熟化，粒徑為0.48~0.62μm。