發(fā)展歷程
鈷基高溫合金發(fā)展過(guò)程 20世紀(jì)30年代末期，由于活塞式航空發(fā)動(dòng)機(jī)用渦輪增壓器的需要，開(kāi)始研制鈷基高溫合金。1942年﹐美國(guó)首先用牙科金屬材料Vitallium (Co-27 Cr-5 Mo-0.5Ti)制作渦輪增壓器葉片取得成功。在使用過(guò)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(shí)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(fā)展成為HA-21合金。40年代末，X-40和HA-21制作航空噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪增壓器鑄造渦輪葉片和導(dǎo)向葉片，其工作溫度可達(dá)850-870℃。
1953年出現(xiàn)的用作鍛造渦輪葉片的S-816，是用多種難熔元素固溶強(qiáng)化的合金。從50年代后期到60年代末，美國(guó)曾廣泛使用過(guò)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用于制作燃燒室和導(dǎo)管。1966年出現(xiàn)的HA-188，因其中含鑭而改善了抗氧化性能。蘇聯(lián)用于制作導(dǎo)向葉片的鈷基合金∏K4﹐相當(dāng)于HA-21。鈷基合金的發(fā)展應(yīng)考慮鈷的資源情況。鈷是一種重要戰(zhàn)略資源，世界上大多數(shù)國(guó)家缺鈷，以致鈷基合金的發(fā)展受到限制。
分類(lèi)
按使用用途分類(lèi)，鈷基合金可以分為鈷基耐磨損合金，鈷基耐高溫合金及鈷基耐磨損和水溶液腐蝕合金。一般使用工況下，其實(shí)都是兼有耐磨損耐高溫或耐磨損耐腐蝕的情況，有的工況還可能要求同時(shí)耐高溫耐磨損耐腐蝕，而越是在這種復(fù)雜的工況下，才越能體現(xiàn)鈷基合金的優(yōu)勢(shì)。
熱處理
鈷基合金中的碳化物顆粒的大小和分布以及晶粒尺寸對(duì)鑄造工藝很敏感，為使鑄造鈷基合金部件達(dá)到所要求的持久強(qiáng)度和熱疲勞性能，必須控制鑄造工藝參數(shù)。鈷基合金需進(jìn)行熱處理，主要是控制碳化物的析出。對(duì)鑄造鈷基合金而言，首先進(jìn)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；然后再在870-980℃進(jìn)行時(shí)效處理，使碳化物重新析出。
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(qiáng)度、良好的抗熱腐蝕和抗氧化能力。適于制作航空噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)、艦船燃?xì)廨啓C(jī)的導(dǎo)向葉片和噴嘴導(dǎo)葉以及柴油機(jī)噴嘴等。
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(dāng)數(shù)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(lèi)合金。根據(jù)合金中成分不同，它們可以制成焊絲，粉末用于硬面堆焊，熱噴涂、噴焊等工藝，也可以制成鑄鍛件和粉末冶金件。
鈷基高溫合金的典型牌號(hào)有:Hayness188，Haynes25(L-605),Alloy S-816,UMCo-50，MP-159，F(xiàn)SX-414，X-40，Stellite6B等，中國(guó)相應(yīng)牌號(hào)有:GH5188(GH188)，GH159，GH605，K640，DZ40M等。我國(guó)對(duì)鈷基高溫合金研究比較深入(國(guó)內(nèi)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(jié)合的有序沉淀相來(lái)強(qiáng)化，而是由已被固溶強(qiáng)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(qiáng)化。純鈷晶體在417℃以下是密排六方(hcp)晶體結(jié)構(gòu)，在更高溫度下轉(zhuǎn)變?yōu)閒cc。為了避免鈷基高溫合金在使用時(shí)發(fā)生這種轉(zhuǎn)變，實(shí)際上所有鈷基高溫合金由鎳合金化，以便在室溫到熔點(diǎn)溫度范圍內(nèi)使組織穩(wěn)定化。鈷基高溫合金具有平坦的斷裂應(yīng)力-溫度關(guān)系，但在1000℃以上卻顯示出比其他高溫下具有優(yōu)異的抗熱腐蝕性能，這可能是因?yàn)樵摵辖鸷t量較高，這是這類(lèi)合金的一個(gè)特征。
20世紀(jì)30年代末期，由于活塞式航空發(fā)動(dòng)機(jī)用渦輪增壓器的需要，開(kāi)始研制鈷基高溫合金。1942年﹐美國(guó)首先用牙科金屬材料Vitallium (Co-27Cr-5Mo-0.5Ti)制作渦輪增壓器葉片取得成功。在使用過(guò)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(shí)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(fā)展成為HA-21合金。40年代末，X-40和HA-21制作航空噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪增壓器鑄造渦輪葉片和導(dǎo)向葉片，其工作溫度可達(dá)850-870℃。1953年出現(xiàn)的用作鍛造渦輪葉片的S-816，是用多種難熔元素固溶強(qiáng)化的合金。從50年代后期到60年代末，美國(guó)曾廣泛使用過(guò)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用于制作燃燒室和導(dǎo)管。1966年出現(xiàn)的HA-188，因其中含鑭而改善了抗氧化性能。蘇聯(lián)用于制作導(dǎo)向葉片的鈷基合金∏K4﹐相當(dāng)于HA-21。鈷基合金的發(fā)展應(yīng)考慮鈷的資源情況。鈷是一種重要戰(zhàn)略資源，世界上大多數(shù)國(guó)家缺鈷，以致鈷基合金的發(fā)展受到限制。
一般鈷基高溫合金缺少共格的強(qiáng)化相，雖然中溫強(qiáng)度低(只有鎳基合金的50-75%)，但在高于980℃時(shí)具有較高的強(qiáng)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。適于制作航空噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)、艦船燃?xì)廨啓C(jī)的導(dǎo)向葉片和噴嘴導(dǎo)葉以及柴油機(jī)噴嘴等。
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(shí)在晶界和枝晶間析出的。在有些合金中，細(xì)小的M23C6能與基體γ形成共晶體。MC碳化物顆粒過(guò)大，不能對(duì)位錯(cuò)直接產(chǎn)生顯著的影響，因而對(duì)合金的強(qiáng)化效果不明顯，而細(xì)小彌散的碳化物則有良好的強(qiáng)化作用。位于晶界上的碳化物(主要是M23C6)能阻止晶界滑移，從而改善持久強(qiáng)度，鈷基高溫合金HA-31(X-40)的顯微組織為彌散的強(qiáng)化相為 (CoCrW)6 C型碳化物。
在某些鈷基高溫合金中會(huì)出現(xiàn)的拓?fù)涿芘畔嗳缥鞲瘳斚嗪蚅aves等是有害的，會(huì)使合金變脆。鈷基合金較少使用金屬間化合物進(jìn)行強(qiáng)化，因?yàn)镃o3 (Ti﹐Al)﹑Co3Ta等在高溫下不夠穩(wěn)定，但使用金屬間化合物進(jìn)行強(qiáng)化的鈷基合金也有所發(fā)展。
鈷基高溫合金中碳化物的熱穩(wěn)定性較好。溫度上升時(shí)﹐碳化物集聚長(zhǎng)大速度比鎳基合金中的γ 相長(zhǎng)大速度要慢﹐重新回溶于基體的溫度也較高(最高可達(dá)1100℃)﹐因此在溫度上升時(shí)﹐鈷基合金的強(qiáng)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(rèn)為，鈷基合金在這方面優(yōu)于鎳基合金的原因，是鈷的硫化物熔點(diǎn)(如Co-Co4S3共晶，877℃)比鎳的硫化物熔點(diǎn)(如Ni-Ni3S2共晶645℃)高，并且硫在鈷中的擴(kuò)散率比在鎳中低得多。而且由于大多數(shù)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堿金屬硫酸鹽(如Na2SO4腐蝕的Cr2O3保護(hù)層)。但鈷基高溫合金抗氧化能力通常比鎳基合金低得多。
早期的鈷基合金用非真空冶煉和鑄造工藝生產(chǎn)。后來(lái)研制成的合金，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(chǎn)。
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(duì)鑄造工藝很敏感，為使鑄造鈷基合金部件達(dá)到所要求的持久強(qiáng)度和熱疲勞性能，必須控制鑄造工藝參數(shù)。鈷基高溫合金需進(jìn)行熱處理，主要是控制碳化物的析出。對(duì)鑄造鈷基高溫合金而言，首先進(jìn)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;然后再在870-980℃進(jìn)行時(shí)效處理，使碳化物(最常見(jiàn)的為M23C6)重新析出。
合金工件的磨損在很大程度上受其表面的接觸應(yīng)力或沖擊應(yīng)力的影響。在應(yīng)力作用下表面磨損隨位錯(cuò)流動(dòng)和接觸表面的互相作用特征而定。對(duì)于鈷基高溫合金來(lái)說(shuō)，這種特征與基體具有較低的層錯(cuò)能及基體組織在應(yīng)力作用或溫度影響下由面心立方轉(zhuǎn)變?yōu)榱矫芘啪w結(jié)構(gòu)有關(guān)，具有六方密排晶體結(jié)構(gòu)的金屬材料，耐磨性是較優(yōu)的。此外，合金的第二相如碳化物的含量、形態(tài)和分布對(duì)耐磨性也有影響。由于鉻、鎢和鉬的合金碳化物分布于富鈷的基體中以及部分鉻、鎢和鉬原子固溶于基體，使合金得到強(qiáng)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(guān)，冷卻快則碳化物顆粒比較細(xì)。砂型鑄造時(shí)合金的硬度較低，碳化物顆粒也較粗大，這種狀態(tài)下，合金的磨料磨損耐磨性明顯優(yōu)于石墨型鑄造(碳化物顆粒較細(xì))，而粘著磨損耐磨性?xún)烧邲](méi)有明顯差異，說(shuō)明粗大的碳化物有利于改善抗磨料磨損能力。
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