什么是钴基高温合金?

[拼音]：guji gaowen hejin

[外文]：cobalt-base superalloys

含钴量40～65％的奥氏体高温合金，在730～1100℃条件下具有一定的高温强度、良好的抗热腐蚀和抗氧化能力。

20世纪30年代末期，由于活塞式航空发动机用涡轮增压器的需要，开始研制钴基高温合金（以下简称钴基合金）。1942年，美国首先用牙科金属材料Vitallium (Co- 27Cr-5Mo-0.5Ti)制作涡轮增压器叶片取得成功。在使用过程中这种合金不断析出碳化物相而变脆。因此，把合金的含碳量降至0.3％，同时添加2.6％的镍，以提高碳化物形成元素在基体中的溶解度，这样就发展成为HA-21合金。40年代末，X-40和HA-21制作航空喷气发动机和涡轮增压器铸造涡轮叶片和导向叶片，其工作温度可达850～870℃。1953年出现的用作锻造涡轮叶片的S-816，是用多种难熔元素固熔强化的合金。从50年代后期到60年代末，美国曾广泛使用过4种铸造钴基合金：WI-52，X-45，Mar-M509和FSX-414。变形钴基合金多为板材，如L-605用于制作燃烧室和导管。1966年出现的HA-188，因其中含镧而改善了抗氧化性能。苏联用于制作导向叶片的钴基合金Лκ4，相当于HA-21。钴基合金的发展应考虑钴的资源情况。钴是一种重要战略资源，世界上大多数国家缺钴，以致钴基合金的发展受到限制。

钴基合金一般含镍10～22％，铬20～30％以及钨、钼、钽和铌等固溶强化和碳化物形成元素，含碳量高，是一类以碳化物为主要强化相的高温合金。钴基合金的耐热能力与固溶强化元素和碳化物形成元素含量多少有关（见表）。

一般钴基合金缺少共格的强化相，虽然中温强度低（只有镍基合金的50～75％），但在高于980℃时具有较高的强度、良好的抗热疲劳、抗热腐蚀和耐磨蚀性能，且有较好的焊接性（见金属的强化）。适于制作航空喷气发动机、工业燃气轮机、舰船燃气轮机的导向叶片和喷嘴导叶以及柴油机喷嘴等。喷嘴导叶外貌见图1。

钴基合金中最主要的碳化物是 MC、M26C6和M6C。在铸造钴基合金中，M26C6是缓慢冷却时在晶界和枝晶间析出的。在有些合金中，细小的M26C6能与基体γ形成共晶体。MC碳化物颗粒过大，不能对位错直接产生显著的影响，因而对合金的强化效果不明显。而细小弥散的碳化物则有良好的强化作用。位于晶界上的碳化物(主要是M26C6)能阻止晶界滑移，从而改善持久强度。较典型的铸造钴基合金显微组织示于图2。

在某些钴基合金中出现的拓扑密排相如σ、μ和La-ves等是有害的，会使合金变脆(见合金相)。钴基合金很少使用金属间化合物进行强化。因为Co3(Ti，Al)、Co3Ta等在高温下不够稳定。

钴基合金中碳化物的热稳定性较好。温度上升时，碳化物集聚长大速度比镍基合金中的γ┡相长大速度要慢，重新回溶于基体的温度也较高（最高可达1100℃），因此在温度上升时，钴基合金的强度下降一般比较缓慢（图3）。

钴基合金有很好的抗热腐蚀性能。一般认为，钴基合金在这方面优于镍基合金的原因是钴的硫化物熔点（如Co-Co4S3共晶，877℃）比镍的硫化物熔点（如Ni-Ni3S2共晶，645℃）高，并且硫在钴中的扩散率比在镍中低得多。而且由于大多数钴基合金含铬量比镍基合金高，所以在合金表面能形成抵抗碱金属硫酸盐（如Na2SO4腐蚀的Cr2O3保护层。钴基合金抗氧化能力通常比镍基合金低得多。

早期的钴基合金用非真空冶炼和铸造工艺生产。后来研制成的合金，如Mar-M509合金，因含有较多的活性元素锆、硼等，用真空冶炼和真空铸造生产。

钴基合金中的碳化物颗粒的大小和分布以及晶粒尺寸对铸造工艺很敏感，为使铸造钴基合金部件达到所要求的持久强度和热疲劳性能，必须控制铸造工艺参数。钴基合金需进行热处理，主要是控制碳化物的析出。对铸造钴基合金而言，首先进行高温固溶处理，温度通常为1150℃左右，使所有的一次碳化物，包括部分MC型碳化物溶入固溶体;然后再在870～980℃进行时效处理，使碳化物（最常见的为M26C6）重新析出。

参考书目

C.T.Sims，W.C.Hagel，The Superalloys， John Wiley ＆ Sons，New York，1972.C.P.Sullivan， Cobalt base Superalloys， Cobalt Monograph Series， Centre d'Information du Cobalt，Brussels，1970.