Al2O3对MoWCo高温合金力学性能的影响

钟建华,江志平,余向阳,刘　芳

(江西理工大学 材料科学与工程学院, 江西 赣州　341000)



钟建华,江志平,余向阳,刘芳

(江西理工大学 材料科学与工程学院, 江西 赣州341000)

摘要：通过改变Mo-W-Co高温合金中Al2O3的含量,研究Al2O3对Mo-W-Co高温合金硬度和耐磨性能的影响.采用球磨、压制成形和真空烧结等工艺制备Mo-W-Co-Al2O3高温合金,利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和金相显微镜(OM)对制备好的合金的相结构、形貌和粒度进行分析,并测试合金的硬度和耐磨性能.结果表明:添加Al2O3能提高Mo-W-Co高温合金的硬度和耐磨性能,当wAl2O3为5%时,Mo-W-Co高温合金的硬度和耐磨性能达到最佳效果;在真空烧结时,Al2O3在合金中形成了γ-Al2O3相,是影响合金组织和性能的关键相.

关键词：Al2O3; Mo-W-Co; 高温合金; 硬度; 耐磨性能; γ-Al2O3

目前,在高温耐磨领域应用的钼合金主要是TZM(钼锆钛)合金,但由于TZM合金中硬质耐磨相很少,其高温耐磨性有限,已经难以满足科技的快速发展对高温耐磨件的性能要求[1-3].常规钼合金在高温耐磨领域的发展受到了限制,含高耐磨硬质相的钼基复合材料可以提高钼合金在高温条件下的耐磨性能,故开发在高温条件下,仍具有高硬度和强耐磨性能的钼基复合材料显得十分必要和迫切.其中Mo-W-Co系高温合金具备钼基合金的优良性能,且在Mo-W-Co系高温合金中添加Al2O3可以改善该合金的高温耐磨性能.因此,研究Mo-W-Co-Al2O3高温合金的力学性能具有巨大的市场价值和潜力.

Mo-W-Co系高温合金不仅保持了W和Mo元素高熔点的优良特性,而且Mo具有与W相同的体心立方晶格,它可以固溶于W,从而起到固溶强化、细化晶粒的作用.Co与W、Mo都具有良好的浸润性和很高的互溶度,因此可作为一种良好的协同强化元素改善合金的耐高温性能.同时Co元素在Mo-W合金中能形成强化黏结相,其在粉末压制成形过程中又起到黏结剂的作用,且可避免Mo-W合金在真空烧结过程中产生金属间化合物和晶面空洞而导致合金的强度和硬度降低[4-6].在钼基合金中添加一定量的Al2O3能够提高钼基合金的硬度及改善合金的耐磨性能[7].以γ-Al2O3相为高耐磨硬质相,采用球磨工艺使硬质相和Mo-W-Co合金基体实现均匀混合的工艺及其控制条件,Al2O3掺杂到钼基合金粉末中,为提高该合金的耐磨性能的研究提供指导[8-9].

结合Mo-W-Co系高温合金的本身优点及Al2O3对钼基合金有良好的力学性能,Mo-W-Co-Al2O3高温合金是前景十分广阔的一种高温合金,具有很大的研究价值和市场潜力.

1试验方法

称取6组相同质量的Mo、W、Co和Al2O3混合粉末各20 g,Mo-W-Co高温合金中的Mo、W和Co元素是按一固定比例添加配置的.试验只改变混合粉末中Al2O3的含量,其中Al2O3的质量分数(wAl2O3)分别配置为:0%、0.5%、1.25%、2%、5%和7% 6组成分,每组成分都配置两份并相应标记序号为:1#,2#,3#,4#,5#和6#,对应关系见表1.

表1　标记序号对应Al2O3的含量

试验采用球磨、压制成形和真空烧结等传统工艺制备不同Al2O3含量的Mo-W-Co-Al2O3高温合金试样.球磨工艺具体参数见表2.

表2　粉末冶金球磨工艺参数

粉末压制成形工艺具体参数见表3.

表3　粉末压制成形过程参数

真空烧结工艺具体参数见表4.

表4　试样真空烧结工艺参数

合金粉末在表2～表4的具体参数下,经过球磨、粉末压制成形和真空烧结工艺最终得到6组不同Al2O3含量的Mo-W-Co-Al2O3合金试样.

用QG-700高温气氛摩擦试验机对合金试样进行耐磨性能测试.试验环境温度为200 ℃,利用电阻丝加热,摩擦为干摩擦.本试验中摩擦试验机的速度为1 m/s,力的大小为9.5 N,摩擦行程为7 200 m.摩擦试验后,把试样放到精度为0.1 mg的电子天平上称重,在相同时间内(20 min),通过试样磨损量来确定试样耐磨性能的优劣,磨损量越小,耐磨性能就越好.

2结果与讨论

2.1合金金相组织和硬度

对1#～6#合金试样进行金相组织分析,金相组织照片如图1所示.从图1中可以看出,Al2O3颗粒较为粗大且形状不规则,主要分布于晶界处和烧结孔周围,少量分布于晶内,且颗粒与基体合金结合较紧密,无空隙和裂痕,结合处无明显相互扩散的过渡层.分析图1发现,1#合金试样的晶界和晶内几乎没有空洞或黑色颗粒.而当Mo-W-Co合金中添加了Al2O3之后,出现了明显的孔洞和黑色颗粒,且随着Al2O3含量的增加,3#～5#合金试样的孔洞和黑色颗粒随之增多.当wAl2O3>5%时,即6#合金试样的孔洞和黑色颗粒较5#合金试样有所减少.最后得出,试样金相组织中的黑色颗粒绝大部分是Al2O3颗粒,只存在少量孔洞.这些孔洞形成的原因主要是黏结剂的熔化挥发以及试样在砂纸打磨和抛光时Al2O3的脱落[10].

金相组织还表明,Mo-W-Co-Al2O3合金晶粒随Al2O3含量的增加而逐渐减小.这是由于在烧结时,Al2O3颗粒能够钉扎晶界,阻碍晶界运动,抑制晶粒长大,从而保持晶粒的高温稳定性,且效果随Al2O3颗粒的增加而更加明显,最终提高了Mo-W-Co合金基体的硬度和耐磨性[11].

图1　不同Al2O3含量合金试样金相组织

图2是不同Al2O3含量试验合金的洛氏硬度值(HRC)的变化.结果表明:6组不同Al2O3含量合金试样的洛氏硬度值呈现先增后减的趋势.当wAl2O3为0%～2%时,对合金试样的硬度影响非常明显,随Al2O3含量的增加硬度明显提高;在wAl2O3>2%后,合金试样硬度随Al2O3含量的增加而增加的幅度减缓;当wAl2O3=5%时,合金试样硬度达到最高值.随后合金试样硬度随Al2O3含量的增加而呈现下降趋势.通过上述分析得出:在一定范围内,Al2O3的掺入提高了合金的硬度.随着Al2O3含量的增加,合金硬度逐渐增加.其强化机制包括:(1) Al2O3的加入细化了晶粒,起到了细晶强化的效果;(2) Al2O3颗粒能增加钼基体的位错密度,在其周围产生应力场,引起应力集中,钉扎位错,阻碍位错的运动,从而对基体起到强化作用[12].而当Al2O3含量过高时,Al2O3颗粒会出现偏聚富集,使合金脆性增大,硬度减小.

图2　不同Al2O3含量合金试样硬度曲线图

2.2XRD分析

图3为不含Al2O3及含Al2O3的试验合金的XRD图谱.对比图3(a)和(b)可以看出,添加Al2O3的合金试样生成了γ-Al2O3相,且峰强度较未添加Al2O3的合金试样明显降低.在对比Mo元素的标准峰时发现,图3(a)中Mo的峰值向左有一定的偏离.由布拉格方程2dsinθ=nλ可知,当θ减小时,d必定增大.由Mo、W、Co元素的原子半径关系(rCo

图3　不含Al2O3及含Al2O3 的试验合金试样XRD图谱

2.3SEM和EDS分析

图4为1#和5#合金试样的SEM图和能谱分析图.从图4(a)中可以看出,黑色颗粒成分主要是Mo、W和O三种元素,不含Al元素,故不存在Al2O3.不出现Co元素是由于Co与W形成了Co-W固溶相(μ相),而基体组织的成分主要是Mo、W两种元素.从图4(b)中可以看出,试样的基体为Mo-W固溶体,颗粒为γ-Al2O3相,没有其他相.且γ-Al2O3相主要分布在合金的晶界处和烧结孔周围,极少分布在晶内.晶界组织的成分主要是Mo、O、W和Al四种元素,基体组织的成分主要是Mo、W和O三种元素,不出现Co元素是由于Co与W形成了Co-W固溶相(μ相),在SEM图中不能显现出来.

图4　1#和5#合金试样SEM照片及能谱分析

通过上述测试及分析可知,这些孔洞是试样在抛光过程中Al2O3的剥落造成的,2#～6#试样也出现了这一现象.另外,试样在真空烧结过程中也会因球磨时添加的黏结剂受热挥发而残留少量孔洞[14],如图1(a)所示.经金相组织观察、XRD、EDS分析,最终确定1#合金试样金相照片中黑色颗粒或孔洞是Co或黏结剂熔化挥发形成的;5#合金试样金相照片中黑色颗粒或孔洞是Al2O3颗粒或Al2O3脱落后留下的孔洞.

2.4Al2O3对合金耐磨性的影响

图5是不同Al2O3含量的合金试样,在相同试验条件下干摩擦20 min内进行耐磨损测试的试验结果.由图5可知,合金试样在没添加Al2O3时,其磨损量最多;当合金中添加了一定量的Al2O3之后,试样磨损量有明显降低.其中wAl2O3为0.5%～2.0%时,合金磨损量随Al2O3含量的增加而下降;wAl2O3为2.0%～5.0%时,合金磨损量随Al2O3含量的增加而下降趋于平缓,且在wAl2O3=5%时,合金磨损量最少;当合金中wAl2O3>5%时,合金磨损量随Al2O3含量的增加而增多.

图5　不同Al2O3含量合金试样磨损量分布曲线图

这是因为随着Al2O3含量(一定范围内)的增加,Al2O3颗粒使得摩擦表面的支撑点增多,支撑点承受了较多载荷,减少了摩擦副之间的直接摩擦,降低了材料的摩擦系数[15-16].

3结论

(1) 在Mo-W-Co合金中添加Al2O3能够提高合金的硬度.

(2) 在一定范围内提高合金中Al2O3的含量,合金的硬度随Al2O3含量的增加而提高,在wAl2O3<5%时,合金的硬度随Al2O3含量的增加而提高;当wAl2O3>5%时,合金的硬度达到最大值;当Al2O3的含量超过5%时,合金的硬度随Al2O3含量的增加而降低.

(3) Al2O3能提高Mo-W-Co合金材料的耐磨性能,在一定范围内随着Al2O3含量的增加,合金材料的耐磨性能越好,在wAl2O3=5%时,合金材料的耐磨性能达到最佳.

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Effect of Al2O3on Mechanical Properties of Mo-W-Co Superalloy

ZHONG Jianhua, JIANG Zhiping, YU Xiangyang, LIU Fang

(School of Material Science and Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China)

Abstract：This paper aims to study the effect of Al2O3 on Mo-W-Co super alloy’s hardness and wear ability by changing the percentage of Al2O3in Mo-W-Co super alloy.Mo-W-Co-Al2O3super alloy was prepared by ball milling,press forming and vacuum sintering,the phase structure,profile and particle size of which were analyzed by XRD,SEM and metallographic microscope,and the hardness and wear ability of which were tested.The results showed that the addition of Al2O3 into Mo-W-Co super alloy can improve its hardness and wear ability.When the percentage of Al2O3increased to 5%wt,its hardness and wear ability reached the highest level.During vacuum-sintering,Al2O3turns into γ-Al2O3 phase in super alloy,which acts as the key phase to exert an effect on the microstructure and mechanical properties of the super alloy.

Keywords：Al2O3; Mo-W-Co; super alloy; hardness; wear ability; γ-Al2O3

中图分类号：TG 135.5

文献标志码：A

作者简介：钟建华(1956—),男,教授,主要从事难熔金属和表面处理等方面的研究. E-mail: 164703323@qq.com

基金项目：国家国际科技合作专项(2011DFR50970)

收稿日期：2015-05-17