钽含量对Co-Al-W合金强化相和高温氧化行为的影响

徐仰涛，沙岐振，夏天东



钽含量对Co-Al-W合金强化相和高温氧化行为的影响

徐仰涛1, 2，沙岐振1, 2，夏天东1, 2

(1. 兰州理工大学 省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室，兰州 730050；2. 兰州理工大学 材料科学与工程学院，兰州 730050)

Co-Al-W合金是一种由′-Co­3(Al,W)相沉淀强化的新型钴基高温合金，为了研究微合金化元素钽对Co-8.8Al-9.8W(摩尔分数，%)合金强化相和高温氧化行为的影响，运用d电子合金设计理论和XRD分析方法研究Co-8.8Al-9.8W-Ta (=0、0.5、1、1.5、2)合金的相组成、′强化相的数量及相的析出行为；运用SEM和EDAX等方法研究合金高温氧化膜的组成、显微组织结构和元素分布，并计算合金的氧化激活能。结果表明：钽元素含量增加，合金中′强化相的数量增多，对相析出的抑制程度增加。Co-8.8Al-9.8W-Ta合金的氧化膜主要由3层组成，最外层主要为钴的氧化物，中间过渡层为钨、铝和钽的复杂氧化物，最内层主要为铝的氧化物。钽元素提高合金氧化膜最内层中铝氧化物的致密性和稳定性。1.5Ta合金的氧化膜具有最佳的致密度和稳定性，氧化激活能最高，抗氧化能力最强。

Co-Al-W合金；高温氧化；激活能；氧化膜；钽

高温氧化行为是判断高温合金使用性能和服役寿命重要而直接的依据。钴基合金具有良好的抗高温氧化、耐热腐蚀和耐高温磨损能力，常用于制造燃气涡轮机叶片，在汽化煤装置、发电系统等环境中使用且满足极端使用要求。传统钴基高温合金的强化方式主要是碳化物及质点的弥散强化和合金元素的固溶强化，而新型Co-Al-W合金是由′-Co3(Al,W)沉淀强化的钴基高温合金。自SATO等[1]发现具有L12 结构且较为稳定的′-Co3(Al,W)沉淀强化相的新型Co-Al-W 合金以来，该合金逐渐成为高温合金研究者关注的热点[2−17]，但对合金高温性能的研究较少。国内外学者对合金的制备方法、高温强度、显微组织、强化相类型、液相线温度以及微合金化元素对合金性能的影响研究发现，微合金化元素可以提高合金的液相线温度，增加强化相的类型和数量，改善合金的高温性能。

难熔元素Ta可以提高高温合金中′相的数量、析出温度，细化′相颗粒，增加′相长期时效的稳定性，扩大合金固溶处理温度范围，便于′强化相均匀析出，降低′相粗化动力学，在基体相中形成团簇结构，阻碍位错运动，进而提高合金的高温性能。随着对高温合金使用要求的不断提高，合金中微合金元素的种类和含量也逐渐增加[18]。本文作者对电弧熔炼Co-8.8Al-9.8W-Ta (=0、0.5、1、1.5、2(摩尔分数，%))合金强化相及钽元素对合金高温氧化性能的作用机理进行研究，为合金的广泛应用提供理论指导。

1 实验

用WS−4非自耗电弧熔炼炉(氩气保护)制备Co-8.8Al-9.8W-Ta合金的原料为钴块(纯度99.9%(质量分数)，5~10 mm)，铝粉(纯度99.5%，3.59 μm)，钨粉(纯度99.9%，0.98 μm)和钽粉(纯度99.9%，48 μm)，按表1所列Co-8.8Al-9.8W-Ta合金名义组分用METTLER AE240 型电子天平称量配比，经QM−1SP4型行星式球磨机混合均匀后(球料比1.3:1，转速400 r/min，球磨3 h)，在岛津万能材料试验机上压制成试验试样(模具自制，压力90 MPa)，再连同钴块一起置于石墨坩埚中制备合金。用能量色散X荧光光谱仪(EDXRF)对制备合金的化学成分分析如表1所列。为表述方便，本研究中以钽元素摩尔分数表示合金，如表1所列。合金高温氧化试验试样规格为15 mm×12 mm×3 mm，用800号金相砂纸打磨抛光后放进装有乙醇和丙酮溶液的KQ−250D型超声波清洗仪清洗干净，干燥后备用。将洗净的瓷舟在预定温度下烘烤至质量不变并称量质量后入炉，并按照航空工业标准HB 5258−2000《钢及高温合金的抗氧化性测定试验方法》进行氧化实验。