鈷基高溫合金

鈷基高溫合金是含鈷量40～65%的奧氏體高溫合金。在730～1100條件下具有一定的高溫強度、良好的抗熱腐蝕和抗氧化能力。適於製作航空噴氣發動機、工業燃氣輪機、艦船燃氣輪機的導向葉片和噴嘴導葉以及柴油機噴嘴等。

基本介紹

• 中文名：鈷基高溫合金
• 典型牌號：Hayness188
• 特性：抗熱腐蝕和抗氧化
• 作用：航空噴氣發動機、工業燃氣輪機

簡介

鈷基高溫合金是高溫合金中的一種，它是以鈷作為主要成分，含有相當數量的鎳、鉻、鎢和少量的鉬、鈮、鉭、鈦、鑭等合金元素，偶而也還含有鐵的一類合金。根據合金中成分不同，它們可以製成焊絲，粉末用於硬面堆焊，熱噴塗、噴焊等工藝，也可以製成鑄鍛件和粉末冶金件。

型號

鈷基高溫合金的典型牌號有：Hayness188，Haynes25(L-605),Alloy S-816,UMCo-50，MP-159，FSX-414，X-40，Stellite6B等，中國相應牌號有：GH5188(GH188)，GH159，GH605，K640，DZ40M等。我國對鈷基高溫合金研究比較深入（國內典型的研究與推廣單位有鋼鐵研究總院與北京融品科技有限公司等）。與其它高溫合金不同，鈷基高溫合金不是由與基體牢固結合的有序沉澱相來強化，而是由已被固溶強化的奧氏體fcc基體和基體中分布少量碳化物組成。鑄造鈷基高溫合金卻是在很大程度上依靠碳化物強化。純鈷晶體在417℃以下是密排六方（hcp）晶體結構，在更高溫度下轉變為fcc。為了避免鈷基高溫合金在使用時發生這種轉變，實際上所有鈷基高溫合金由鎳合金化，以便在室溫到熔點溫度範圍內使組織穩定化。鈷基高溫合金具有平坦的斷裂應力-溫度關係，但在1000℃以上卻顯示出比其他高溫下具有優異的抗熱腐蝕性能，這可能是因為該合金含鉻量較高，這是這類合金的一個特徵。

發展過程

20世紀30年代末期，由於活塞式航空發動機用渦輪增壓器的需要，開始研製鈷基高溫合金。1942年﹐美國首先用牙科金屬材料Vitallium (Co-27Cr-5Mo-0.5Ti)製作渦輪增壓器葉片取得成功。在使用過程中這種合金不斷析出碳化物相而變脆。因此﹐把合金的含碳量降至0.3%，同時添加2.6%的鎳，以提高碳化物形成元素在基體中的溶解度，這樣就發展成為HA-21合金。40年代末，X-40和HA-21製作航空噴氣發動機和渦輪增壓器鑄造渦輪葉片和導向葉片，其工作溫度可達850-870℃。1953年出現的用作鍛造渦輪葉片的S-816，是用多種難熔元素固溶強化的合金。從50年代後期到60年代末，美國曾廣泛使用過4種鑄造鈷基合金：WI-52，X-45，Mar-M509和FSX-414。變形鈷基合金多為板材，如L-605用於製作燃燒室和導管。1966年出現的HA-188，因其中含鑭而改善了抗氧化性能。蘇聯用於製作導向葉片的鈷基合金∏K4﹐相當於HA-21。鈷基合金的發展應考慮鈷的資源情況。鈷是一種重要戰略資源，世界上大多數國家缺鈷，以致鈷基合金的發展受到限制。

一般鈷基高溫合金缺少共格的強化相，雖然中溫強度低(只有鎳基合金的50-75%)，但在高於980℃時具有較高的強度、良好的抗熱疲勞、抗熱腐蝕和耐磨蝕性能，且有較好的焊接性。適於製作航空噴氣發動機、工業燃氣輪機、艦船燃氣輪機的導向葉片和噴嘴導葉以及柴油機噴嘴等。

碳化物強化相

鈷基高溫合金中最主要的碳化物是 MC﹑M23C6和M6C在鑄造鈷基合金中，M23C6是緩慢冷卻時在晶界和枝晶間析出的。在有些合金中，細小的M23C6能與基體γ形成共晶體。MC碳化物顆粒過大，不能對位錯直接產生顯著的影響，因而對合金的強化效果不明顯，而細小彌散的碳化物則有良好的強化作用。位於晶界上的碳化物(主要是M23C6)能阻止晶界滑移，從而改善持久強度，鈷基高溫合金HA-31(X-40)的顯微組織為彌散的強化相為 (CoCrW)6 C型碳化物。

在某些鈷基高溫合金中會出現的拓撲密排相如西格瑪相和Laves等是有害的，會使合金變脆。鈷基合金較少使用金屬間化合物進行強化，因為Co3 (Ti﹐Al)﹑Co3Ta等在高溫下不夠穩定，但使用金屬間化合物進行強化的鈷基合金也有所發展。

性能

鈷基高溫合金中碳化物的熱穩定性較好。溫度上升時﹐碳化物集聚長大速度比鎳基合金中的γ 相長大速度要慢﹐重新回溶於基體的溫度也較高(最高可達1100℃)﹐因此在溫度上升時﹐鈷基合金的強度下降一般比較緩慢。

鈷基合金有很好的抗熱腐蝕性能，一般認為，鈷基合金在這方面優於鎳基合金的原因，是鈷的硫化物熔點(如Co-Co4S3共晶，877℃)比鎳的硫化物熔點(如Ni-Ni3S2共晶645℃)高，並且硫在鈷中的擴散率比在鎳中低得多。而且由於大多數鈷基合金含鉻量比鎳基合金高，所以在合金表面能形成抵抗鹼金屬硫酸鹽(如Na2SO4腐蝕的Cr2O3保護層)。但鈷基高溫合金抗氧化能力通常比鎳基合金低得多。

生產工藝

早期的鈷基合金用非真空冶煉和鑄造工藝生產。後來研製成的合金，如Mar-M509合金，因含有較多的活性元素鋯、硼等，用真空冶煉和真空鑄造生產。

鈷基高溫合金中的碳化物顆粒的大小和分布以及晶粒尺寸對鑄造工藝很敏感，為使鑄造鈷基合金部件達到所要求的持久強度和熱疲勞性能，必須控制鑄造工藝參數。鈷基高溫合金需進行熱處理，主要是控制碳化物的析出。對鑄造鈷基高溫合金而言，首先進行高溫固溶處理，溫度通常為1150℃左右，使所有的一次碳化物，包括部分MC型碳化物溶入固溶體；然後再在870-980℃進行時效處理，使碳化物(最常見的為M23C6)重新析出。

磨損

合金工件的磨損在很大程度上受其表面的接觸應力或衝擊應力的影響。在應力作用下表面磨損隨位錯流動和接觸表面的互相作用特徵而定。對於鈷基高溫合金來說，這種特徵與基體具有較低的層錯能及基體組織在應力作用或溫度影響下由面心立方轉變為六方密排晶體結構有關，具有六方密排晶體結構的金屬材料，耐磨性是較優的。此外，合金的第二相如碳化物的含量、形態和分布對耐磨性也有影響。由於鉻、鎢和鉬的合金碳化物分布於富鈷的基體中以及部分鉻、鎢和鉬原子固溶於基體，使合金得到強化，從而改善耐磨性。在鑄造鈷基合金中，碳化物顆粒尺寸與冷卻速度有關，冷卻快則碳化物顆粒比較細。砂型鑄造時合金的硬度較低，碳化物顆粒也較粗大，這種狀態下，合金的磨料磨損耐磨性明顯優於石墨型鑄造（碳化物顆粒較細），而粘著磨損耐磨性兩者沒有明顯差異，說明粗大的碳化物有利於改善抗磨料磨損能力。