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随着航空航天领域的不断发展,对航空发动机材料的要求得到进一步的提高。Ni基高温合金优异的高温力学性能(高强度和高蠕变寿命)得益于球形或方形L12-γ’相在面心立方FCC-γ固溶体基体上的共格析出。尤其方形γ’相的溶解温度在铸造和单晶高温合金中超过了 1200℃,展现出高的高温组织稳定性,因此广泛用作发动机涡轮盘及单晶叶片等高温部件材料。相比之下,Co基高温合金由于具有更高的熔点温度(~1450℃)、更好的抗热腐蚀性及抗热机疲劳性,成为近些年来的研究热点。然而,Co基高温合金中γ/γ’共格组织高温稳定性相对较低,如Co-Al-W三元合金中获得的方形γ’-Co3(Al,W)相在900℃以上长期时效后会发生相分解,转变为β-CoAl(B2-NiAl型)、χ-Co3W(D019-Ni3Sn型)和μ-Co7W6(D85-Fe7W6型)等多种非共格相,由此破坏了原有的γ/γ’共格关系,从而降低了合金的高温力学强度和承温能力。因此研究新型Co基高温合金在高温下的组织稳定性,开发出具有高γ/γ’共格组织稳定性的材料是至关重要的。本工作通过设计W/Mo和Ti/Nb/Ta合金化的Co-Ni-Al-W/Mo-Cr-Ti/Nb/Ta合金,重点研究合金化元素添加对γ/γ’共格组织在高温下的组织稳定性和物理力学性能的影响,从而建立了合金成分-组织-性能之间的内在联系,揭示了合金在高温下γ’相粗化与晶格错配度的关系,主要研究内容和结论如下:(1)利用团簇成分式方法设计了低W系列γ/γ’共格组织强化的新型Co基高温合金[Al-(Co8Ni4)]((Al0.5(Ti/Nb/Ta)0.5MoO.5W0.5Cr0.5Co0.5)(=Co8.5Ni4Al1.5 Mo0.5W0.5Cr0.5(Ti/Nb/Ta)0.5),分别为 N1-TNT、N2-TN 和 N3-TT 合金。本工作重点研究了系列合金中γ’相在高温下的组织稳定性。采用真空非自耗电弧炉制备合金铸锭,并对其在1300℃固溶15 h和在900℃下进行长期时效处理,进而对时效态样品进行微观组织表征和力学性能测试。结果表明,在我们设计的低W系列Co基高温合金中均发现了立方形的γ’-Co3(Al,W)相均匀地析出在FCC-γ基体上,这种共格组织具有高的热力学稳定性,即使在长期时效1000 h后仍可以保持这种共格结构,在晶界处没有其他相的析出。如在N1-TNT合金中,900℃时效50h时r~103 nm,到时效500h时r~223 nm,表现出非常缓慢的粗化速率。这主要归因于N1-TNT合金中适中的γ/γ’晶格错配度(ε=0.40~0.43%)。当用(TiNb)0.5和(TiTa)0.5取代(TiNbTa)0.5后,可以稍微改变γ/γ’晶格错配度,变成ε~0.33%和ε~0.43%,但是由于改变幅度不大,方形γ’相的形状和尺寸大小相似,如N2-TN和N3-TT合金在时效500h时γ’相的尺寸为r~228 nm和r~225 nm。并且,我们设计的高体积分数立方形γ’相析出的低W系列Co基高温合金具有高的显微硬度(HV)和力学强度。系列合金在不同时效状态下的显微硬度值都很高(~310HV),当用(TiNb)0.5取代(TiNbTa)0.5后会使合金的显微硬度值略有下降,而用(TiTa)0.5取代(TiNbTa)0.5后则没有明显地变化,这是因为在N1-TT和N3-TNT合金中γ/γ’晶格错配度、γ’相的体积分数和尺寸在时效的每个阶段都相当。此外,N1-TNT、N2-TN和N3-TT合金在900℃时的抗压屈服强度分别为σYS=438 MPa,σYS=445 MPa,和σYS=443 Mpa。(2)为了进一步降低合金的密度,我们将低W系列Co基高温合金中的W元素完全用Mo元素取代,设计得到了无W系列低密度Co基高温合金[Al-(Co8Ni4)]((Al0.5(Ti/Nb/Ta)0.5Mo0.5)(Mo0.5Cr0.5Co0.5))(=Co8.5Ni4Al1.5Mo1.0Cr0.5(Ti/Nb/Ta)0.5),分别为S1-TNT、S2-TN和S3-TT合金。结果表明,当Ti/Nb/Ta、Ti/Nb和Ti/Ta以等摩尔比例匹配时,三种合金的微观组织均表现为立方形γ’相均匀地分布在γ基体中,这取决于合金适中的γ/γ’点阵错配度(ε=0.27~0.34%)。在900℃长期时效过程中,三种合金中的γ’相均具有较慢的粗化速率,且合金的显微硬度随时效时间基本不发生变化(275~296 HV);尤其(Ti/Ta)0.5合金具有最高的γ/Y’共格组织稳定性,时效500 h后γ’相粗化最慢。与低W系列相比,虽然该系列合金中密度得到了进一步的降低,但在高温长期时效过程中,无W系列合金中γ’相的热力学稳定性发生了降低,如500 h时效后,在S1-TNT和S2-TN合金的晶界处γ’相分解成为针状的χ相和颗粒状的μ相。