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閱讀：135發(fā)布時(shí)間：2017-1-18
溫度相同時(shí)，Ni3Al中Al的擴(kuò)散較Ni慢。考察成分依賴時(shí)，Ni的自擴(kuò)散系數(shù)隨著Ni3Al中Ni成分的增加而降低，且在低溫條件下降低趨勢(shì)趨于明顯，起源于Ni空位濃度隨Ni成分的增加而減少。Al的自擴(kuò)散系數(shù)也隨著Ni成分的增加而降低，這源于在Ni3Al中較高的Ni原子比例抑制了Al反位置缺陷的形成，擴(kuò)散過(guò)程中起主導(dǎo)作用的Al反位置缺陷隨著Ni成分的增加而急劇降低。運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)方法結(jié)合改進(jìn)的分析型嵌入原子勢(shì)(MAEAM)對(duì)于合金元素的固溶強(qiáng)化機(jī)制進(jìn)行了研究。通過(guò)研究Ni基體相中的刃位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，表明固溶原子對(duì)于刃位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)具有阻礙作用。在添加相同濃度替位原子時(shí)，Ru元素對(duì)于刃位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用則比添加Co元素要明顯。而Re元素即使低濃度時(shí)對(duì)于位錯(cuò)的阻礙作用很明顯。對(duì)于合金元素的固溶強(qiáng)化作用，Re元素zui為明顯，其次為Ru元素，zui后為Co元素。其微觀機(jī)制為合金元素通過(guò)與位錯(cuò)滑移面上zui近鄰基體原子成鍵形成相互作用，導(dǎo)致其堆垛層錯(cuò)能升高，使得位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中需要耗費(fèi)更多能量，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)形成固溶強(qiáng)化作用。研究了單晶Ni、Al和Ni3Al的納米壓痕特性?；诮Y(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)Ni和Al的納米壓痕過(guò)程中經(jīng)歷彈性形變與塑形形變，Ni3Al中由于形成微孿晶而存在偽彈性形變過(guò)程。Ni3Al析出相中高的不穩(wěn)定層錯(cuò)能與本征層錯(cuò)能的比值，使得Ni3Al中易于形成分位錯(cuò)，且在晶體中壓頭下方區(qū)域釘扎從而形成微孿晶，推遲了塑形形變的發(fā)生，強(qiáng)化了高溫合金。對(duì)于壓頭的尺寸效應(yīng)發(fā)現(xiàn)，壓頭尺寸越小所需要的塑形形變應(yīng)力越高。結(jié)合蒙特卡洛模擬對(duì)于Re原子分布以及對(duì)Ni/Ni3Al界面結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了研究。Ni/Ni3Al的界面為有序-無(wú)序界面，其界面過(guò)渡區(qū)域?yàn)?-10個(gè)原子層，過(guò)渡界面區(qū)域的寬度隨著溫度的升高而增加。模擬發(fā)現(xiàn)Re原子在Ni3Al析出相中優(yōu)先占據(jù)Al原子位置，沒(méi)有形成Re原子團(tuán)簇。Ni/Ni3Al界面寬度隨著Re元素添加量的增加而減小，確定了Re原子在Ni/Ni3Al界面中的臨界溶解濃度，發(fā)現(xiàn)溶解極限值隨溫度的升高而增加。 傳統(tǒng)沉淀強(qiáng)化機(jī)制認(rèn)為,鈷基高溫合金中γ′強(qiáng)化相易呈脆性形態(tài)沉淀析出,γ′相與合金基體錯(cuò)配度較大,造成鈷基合金不良的高溫性能。Co-Al-W合金是由γ′-Co3（Al,W）相沉淀強(qiáng)化的新型鈷基高溫合金,由于合金具有在某一高溫范圍內(nèi)強(qiáng)度隨溫度升高而增加的“反常”變化現(xiàn)象。對(duì)Co-Al-W合金進(jìn)行成分設(shè)計(jì)和制備,研究合金耐NaCl溶液電化學(xué)腐蝕、耐75%Na2SO4+25%NaCl熔鹽熱腐蝕和空氣中抗800、900℃高溫氧化行為,合金在不銹鋼基體上堆焊性能成為學(xué)者關(guān)注的問(wèn)題。本論文在對(duì)燃燒合成和真空感應(yīng)熔煉制備鈷基Slite 6合金微觀組織、碳化物類型及分布等預(yù)實(shí)驗(yàn)及對(duì)Co-Al-W合金固溶溫度、強(qiáng)化相類型、微觀組織結(jié)構(gòu)、硬度等國(guó)內(nèi)外已有研究工作的基礎(chǔ)上,通過(guò)合金成分設(shè)計(jì),對(duì)燃燒合成和真空感應(yīng)熔煉制備Co-Al-W合金固溶溫度、強(qiáng)化相類型、微觀組織結(jié)構(gòu)、硬度等進(jìn)行研究,進(jìn)而對(duì)合金電化學(xué)腐蝕、熱腐蝕和高溫氧化性能及Co-Al-W合金在不銹鋼基體上堆焊性能研究,為合金設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供理論依據(jù)和科學(xué)指導(dǎo)。研究發(fā)現(xiàn):（1）燃燒合成和真空感應(yīng)熔煉制備Co-Al-W合金微觀組織由γ-Co基體及其上γ′-Co3（Al,W）強(qiáng)化相和少量碳化物組成。鎢含量增加,合金固溶溫度升高,在γ-Co基體上γ′相數(shù)量和體積分?jǐn)?shù)增加。合金元素Ta、N、Mo、Ti與γ-Co基體形成A3型相Co3（Ta,N,Mo,Ti）可提高合金中γ′-Co3（Al,W）相和γ-Co基體的結(jié)晶度,對(duì)Co-Al-W合金中γ′相起到不同程度的穩(wěn)定作用,合金的固溶溫度和硬度適度提高。（2） Co-Al-W合金在NaCl溶液中電化學(xué)腐蝕時(shí),由于Cl-穿透鈍化膜導(dǎo)致“閉塞腐蝕電池”效應(yīng),在晶界處發(fā)生點(diǎn)蝕。加入合金元素Mo、N、Ti和Ta可以提高Co-Al-W合金耐NaCl溶液的電化學(xué)腐蝕能力。（3） Co-Al-W合金在800℃75%Na2SO4+25%NaCl熔鹽中腐蝕后腐蝕膜分三層,即呈蓬松狀由鈷氧化物Co3O4組成的zui外層,由Co、Al、W和合金元素復(fù)雜氧化物組成的中間過(guò)渡層和由Al、Co氧化物組成較致密的zui內(nèi)層。合金元素在氧化性氣氛中形成的腐蝕氧化膜對(duì)基體起良好保護(hù)作用。（4） Co-Al-W合金在800℃和900℃空氣中靜態(tài)氧化后氧化膜大致分為三層,即以鈷氧化物Co3O4形式存在且厚度基本均勻的氧化膜zui外層;基體和表面層間不連續(xù)的中間過(guò)渡層主要由W、Al和合金元素氧化物組成;氧化膜內(nèi)層主要是Co、Al氧化物。Co-Al-W合金中Ta、N、Mo、Ti元素的加入可提高合金在高溫空氣中靜態(tài)氧化的氧化激活能,減少合金氧化增重,提高合金抗高溫氧化能力。（5）在304不銹鋼基體表面用TIG電弧對(duì)Co-8.8Al-9.8W（at.%）合金混合粉末進(jìn)行堆焊,能獲得表面成形及與母材結(jié)合良好的堆焊層。堆焊電流和堆焊速度都會(huì)對(duì)堆焊層熔寬、熔深和稀釋率產(chǎn)生影響。堆焊層合金微觀組織由γ-Co基體及其上碳化物和復(fù)雜Co、Al元素金屬間化合物組成。堆焊層硬度較高,平均硬度約為HRC53.1,顯微硬度zui高Hv50可達(dá)1050。（6）燃燒合成和真空感應(yīng)熔煉方法制備Slite 6合金微觀組織均由γ-Co基體及其上對(duì)基體起強(qiáng)化作用的碳化物組成。由于燃燒合成制備合金時(shí)熱量聚集和散失不均勻,合金并不是過(guò)飽和固溶體,碳化物處于亞穩(wěn)態(tài)且不能均勻析出。燃燒合成制備Slite 6合金耐中性NaCl溶液腐蝕能力較強(qiáng)。綜合以上研究結(jié)果,通過(guò)合金成分設(shè)計(jì)、合金化可顯著提高Co-Al-W合金固溶溫度和硬度,改善合金耐NaCl溶液腐蝕能力,提高合金耐75%Na2SO4+25%NaCl熔鹽熱腐蝕和合金在800、900℃空氣中的抗氧化能力,進(jìn)而根據(jù)需要對(duì)合金進(jìn)行有目的的設(shè)計(jì),為合金廣泛應(yīng)用提供科學(xué)和理論基礎(chǔ)。Co-Al-W合金是一種由γ′-Co3(Al,W)相沉淀強(qiáng)化的新型鈷基高溫合金,為了研究微合金化元素鉭對(duì)Co-8.8Al-9.8W(摩爾分?jǐn)?shù),%)合金強(qiáng)化相和高溫氧化行為的影響,運(yùn)用d電子合金設(shè)計(jì)理論和XRD分析方法研究Co-8.8Al-9.8W-x Ta(x=0、0.5、1、1.5、2)合金的相組成、γ′強(qiáng)化相的數(shù)量及μ相的析出行為;運(yùn)用SEM和EDAX等方法研究合金高溫氧化膜的組成、顯微組織結(jié)構(gòu)和元素分布,并計(jì)算合金的氧化激活能。結(jié)果表明:鉭元素含量增加,合金中γ′強(qiáng)化相的數(shù)量增多,對(duì)μ相析出的抑制程度增加。Co-8.8Al-9.8W-x Ta合金的氧化膜主要由3層組成,zui外層主要為鈷的氧化物,中間過(guò)渡層為鎢、鋁和鉭的復(fù)雜氧化物,zui內(nèi)層主要為鋁的氧化物。鉭元素提高合金氧化膜zui內(nèi)層中鋁氧化物的致密性和穩(wěn)定性。1.5Ta合金的氧化膜具有的致密度和穩(wěn)定性,氧化激活能zui高,抗氧化能力zui強(qiáng)。 鎳基單晶高溫合金具有優(yōu)良的高溫性能,是目前制造*發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)葉片的關(guān)鍵材料。隨著鎳基單晶高溫合金的開(kāi)發(fā),通過(guò)添加大量的難熔元素來(lái)提高高溫合金強(qiáng)度。然而,由于合金呈現(xiàn)很高的過(guò)飽和度,增大了拓?fù)涿芘畔?TCP相)的析出傾向。TCP相的析出不僅消耗了大量的固溶強(qiáng)化元素,往往也作為裂紋的發(fā)源地和裂紋迅速擴(kuò)展的通道,導(dǎo)致單晶高溫合金的持久壽命降低,塑性和韌性明顯惡化,嚴(yán)重地影響了合金的高溫力學(xué)性能。第四代鎳基單晶高溫合金中加入了鉑族元素Ru,能明顯抑制TCP相的析出,進(jìn)而提高單晶合金的高溫蠕變性能,但其作用機(jī)制尚不清楚。有關(guān)Ru元素對(duì)鎳基單晶高溫合金中基體與TCP相界面結(jié)構(gòu)及其合金元素賦存狀態(tài)的研究還非常有限。本文采用電子顯微學(xué)分析方法研究了鎳基單晶高溫合金蠕變斷裂之后γ/γ’界面的精細(xì)結(jié)構(gòu)以及合金元素的分布行為,并探討了Ru元素對(duì)基體與TCP相界面結(jié)構(gòu)及合金元素分布行為的影響規(guī)律。通過(guò)*性原理方法研究了合金元素在γ/γ’界面、γ’相和基體/TCP界面的分配行為及擇優(yōu)占位傾向。(1)1100℃/137MPa蠕變實(shí)驗(yàn)研究表明：合金元素在γ/γ’界面兩側(cè)的分布趨勢(shì)很明顯：Co、Re和Cr元素容易富集在Y相中,而Ni、Al、Ta和W元素較容易向丫’相中偏析。在γ/γ’界面形成的扭結(jié)結(jié)構(gòu)的存在2-3nm的Re原子團(tuán)簇。蠕變過(guò)程中,這種扭結(jié)結(jié)構(gòu)的形成是由于γ/γ’界面附近的重金屬原子團(tuán)簇和界面位錯(cuò)芯部結(jié)構(gòu)的交互作用。γ相和丫’相以共格的臺(tái)階形式相結(jié)合。在高溫和外加應(yīng)力的作用下,丫’相發(fā)生筏排化,γ/γ’相界面處形成了六角形和四邊形的位錯(cuò)網(wǎng)。(2)1100℃/800h熱暴露測(cè)試研究表明：在不含Ru元素合金1中,TCP相呈細(xì)長(zhǎng)的針狀,基體/TCP相界面結(jié)構(gòu)呈不規(guī)律的高度不一的臺(tái)階狀；在含Ru元素合金2中,TCP相呈短棒狀,基體/TCP相界面結(jié)構(gòu)呈規(guī)律的兩個(gè)原子層高度的臺(tái)階狀。Ru元素的添加,改變了合金中其他合金元素在基體和TCP相間的分布行為,減少了TCP相的析出數(shù)量,也改變了基體/TCP相界面的精細(xì)結(jié)構(gòu)以及TCP相的形貌。(3)采用*性原理方法研究了Ru元素在γ/γ’界面和γ’相中對(duì)其他合金元素分配行為的影響規(guī)律,揭示了Ru元素與Re元素之間的強(qiáng)化機(jī)制是由于Re原子和Ru原子間p-p軌道的雜化而產(chǎn)生較強(qiáng)的相互作用。
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