不同氧化物增强钼合金棒材组织与力学性能的研究

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钼及其合金具有高熔点,较好的导电及导热性,较低的膨胀系数,良好的抗热震性能和抗磨损性能等特性,在冶金、金属加工、航空航天和核能等领域广泛应用。然而,纯钼的强度、塑性较低,限制了钼作为结构材料的进一步应用。金属氧化物Al2O3、ZrO2、La2O3的硬度和熔点高,是提升钼合金力学性能的有潜力的增强相。本文通过液-液掺杂法,以四钼酸铵、硝酸铝、硝酸锆、硝酸镧为原料,分别制备出Al2O3、ZrO2和La2O3掺杂的三类钼合金粉体,并通过压坯成型、无压烧结、旋锻加工等工艺制备出直径为8mm的钼合金棒材。测试钼合金在经不同温度退火后的室温压缩、室温拉伸性能,以及不同温度和应变速率条件下高温压缩性能,并分析了不同氧化物掺杂对钼合金力学性能的影响。在粉体制备阶段,钼粉体的相转变过程为:(NH42Mo4O13×2H2O→MoO3×(H2O)0.333→h-MoO3→b-MoO3→a-MoO3→MoO2→Mo。三种氧化物的添加均能细化粉体,且随着氧化物含量的增加,复合粉体尺寸逐渐减小,并出现团聚现象。Al2O3、ZrO2的掺杂对钼粉末形貌不产生影响,钼粉为球状颗粒,La2O3的掺杂改变了钼粉形貌,钼粉呈多面体状。纳米级或亚微米级的氧化物颗粒弥散分布在钼基体中,均能细化钼晶粒尺寸,提高钼合金的密度和硬度。当Al2O3含量为2.0vol%时,钼合金的相对密度达到了98.5%,此时硬度最大;而La2O3掺杂钼合金的密度和硬度最小。旋锻钼合金经850℃退火后微观组织没有明显变化,经1200℃退火后,纯钼发生了完全再结晶,而掺杂氧化物的钼合金晶粒细小,为刚开始再结晶或未发生再结晶。三种氧化物掺杂均能提高钼合金的抗压屈服强度,提高的效果与含量和温度有关。对于旋锻态和850℃退火态的钼合金,其抗压屈服强度随Al2O3含量的增加先增大后减小,当Al2O3含量为1.2vol%时,钼合金的抗压屈服强度最大;掺杂ZrO2的钼合金随ZrO2含量的增加而最大,当ZrO2含量为2.0vol%时,钼合金的抗压屈服强度最大;掺杂La2O3的钼合金随La2O3含量的增加达到最大后处于平缓趋势,表明微量La2O3便能改善钼合金的压缩性能,进一步增加La2O3含量,钼合金室温压缩性能的提升作用有限。当退火温度为1200℃,钼合金的抗压屈服强度随氧化物含量的增加均增大,当氧化物含量为2.0vol%时,三种氧化物掺杂的钼合金抗压屈服强度均达到最大,较纯钼分别提升了56.03%、61.53%、33.76%。压缩过程中的强化机制表现为细晶强化、形变强化和位错强化共同作用,压缩过程中由于位错缠结形成位错墙(DDWs),割裂较大的钼晶粒形成亚晶粒,也有助于提高屈服强度。基体中的La2O3颗粒尺寸较Al2O3和ZrO2大,因此La2O3掺杂的钼合金细晶强化不如Al2O3和ZrO2掺杂效果好,在宏观上表现为屈服强度较低。三种氧化物掺杂均能提高钼合金的抗拉强度,但强化效果有差异。对于旋锻态、850℃退火态和1200℃退火态的钼合金,Mo-Al2O3合金抗拉强度随Al2O3含量增加先增大后减小,当Al2O3含量为1.2vol%时,合金的抗拉强度达到最大,分别为726.30MPa、679.60MPa和662.88MPa;当ZrO2含量为2.0vol%时,Mo-ZrO2合金的抗拉强度达到最大,分别为743.27MPa、717.40MPa和702.87MPa;当La2O3含量为0.4%时,Mo-La2O3合金的抗拉强度达到最大,分别为743.26MPa、641.51MPa和626.95MPa。比较发现ZrO2的掺杂对钼合金室温拉伸性能改善最为显著。纯钼和微量的Al2O3、ZrO2掺杂的钼合金断口表现为脆性断口,随着这两种氧化物含量的增加脆性断口转变为韧性断口。而微量的La2O3掺杂钼合金断口表现为韧性断口。三种氧化物含量达到最大时,钼合金的断口均为韧-脆混合型断裂。三种氧化物均能改善钼合金的高温力学性能,其抗压强度随着氧化物含量的增加而增大,当ZrO2的含量为2.0vol%时对钼合金高温压缩性能改善最为显著。Mo-2.0vol%ZrO2合金高温压缩变形的应力值随温度的升高和应变速率的减小而降低,与纯钼相比,ZrO2的引入降低了钼合金的热激活能,从而提升钼合金的塑性。
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