EB-PVD制備的Ni-Co-Cr-Al合金薄板組織演化及高溫氧化行為.pdf

1、本文采用X射線衍射(XRD)、掃描電鏡(SEM)、原子力顯微鏡(AFM)和透射電子顯微鏡(TEM)以及力學(xué)測(cè)試方法深入系統(tǒng)地研究了采用電子束物理氣相沉積(EB-PVD)制備的0.3mm厚的Ni20.3Cr4.6Co2.1Al合金薄板制備態(tài)和熱處理態(tài)組織演變規(guī)律和力學(xué)性能。并研究了制備態(tài)和經(jīng)800℃/16h處理的合金薄板在800℃、900℃和1000℃空氣中的氧化行為，采用SEM對(duì)氧化試樣的表面和截面形貌進(jìn)行研究，采用小角XRD、XPS和

2、EDAX對(duì)其相組成和成分分布進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明：
　　制備態(tài)Ni20.3Cr4.6Co2.1Al合金薄板相組成為γ-Ni基固溶體，不存在第二相。組織致密均勻，晶粒尺寸為500nm左右；亞結(jié)構(gòu)主要為孿晶，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)位錯(cuò)存在。制備態(tài)合金薄板的納米硬度為5.57GPa，彈性模量E為221.33GPa；常溫拉伸抗拉強(qiáng)度σb為1033MPa，合金薄板伸長(zhǎng)率δ為0.6％，呈脆性斷裂。800℃時(shí)拉伸抗拉強(qiáng)度σb為107MPa，合金薄板伸長(zhǎng)率δ

3、為1.02%。
　　經(jīng)600℃長(zhǎng)時(shí)間熱處理后，Ni20.3Cr4.6Co2.1Al合金薄板仍為γ-Ni基固溶體單相組織，亞結(jié)構(gòu)仍然為孿晶，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)位錯(cuò)存在。晶粒隨保溫時(shí)間的延長(zhǎng)而長(zhǎng)大，而TEM像中的應(yīng)變條紋消失，XRD分析表明存在(220)晶面的擇優(yōu)生長(zhǎng)。熱處理溫度達(dá)到800℃，晶粒明顯長(zhǎng)大，亞結(jié)構(gòu)為孿晶和位錯(cuò)，1000℃處理后發(fā)現(xiàn)有第二相析出。
　　薄板在600℃以下溫度處理時(shí)，其斷裂強(qiáng)度隨處理溫度升高而降低，其伸長(zhǎng)率隨溫

4、度升高而稍微有些增加。600℃處理16h，斷裂強(qiáng)度σb為780MPa，伸長(zhǎng)率δ僅為4%。800℃保溫16h時(shí)，合金薄板的常溫?cái)嗔褟?qiáng)度σb增加到825MPa，伸長(zhǎng)率δ增加到14%，屬于延性斷裂；隨后其斷裂強(qiáng)度隨處理溫度升高而降低，其伸長(zhǎng)率隨溫度升高而稍微有些增加。
　　合金薄板在不同溫度下保溫16h后，在800℃拉伸時(shí)，伸長(zhǎng)率是隨著保溫溫度的升高拉伸強(qiáng)度越來(lái)越大，其拉伸性能在800℃保溫16h時(shí)的800℃拉伸強(qiáng)度σb值最高，為63M

5、Pa，其伸長(zhǎng)率δ達(dá)246%。但在900℃保溫16h處理后合金薄板的800℃拉伸強(qiáng)度σb卻開(kāi)始下降24MPa，而伸長(zhǎng)率δ卻增加到336%，均為延性斷裂。
　　細(xì)晶Ni20.3Cr4.6Co2.1Al薄板高溫氧化動(dòng)力學(xué)與常規(guī)鎳基合金的氧化動(dòng)力學(xué)不同，800℃氧化時(shí)，初期氧化動(dòng)力學(xué)近似符合拋物線規(guī)律，而長(zhǎng)期氧化動(dòng)力學(xué)符合立方規(guī)律；合金900℃氧化時(shí)，氧化初始階段動(dòng)力學(xué)符合三次方規(guī)律，而氧化后期動(dòng)力學(xué)符合四次方規(guī)律；合金1000℃氧化時(shí)，

6、氧化初始階段動(dòng)力學(xué)近似的近似符合拋物線規(guī)律，而氧化后期動(dòng)力學(xué)近似符合立方規(guī)律。
　　制備態(tài)Ni20.3Cr4.6Co2.1Al合金800℃初期氧化階段的氧化產(chǎn)物主要是NiO和少量的Cr2O3；長(zhǎng)時(shí)間氧化時(shí)氧化產(chǎn)物主要是NiO、NiCr2O4以及Cr2O3。合金900℃初始氧化階段的氧化產(chǎn)物主要是NiO、Cr2O3和NiCr2O4；長(zhǎng)時(shí)間氧化以后氧化膜外層的氧化產(chǎn)物主要是NiO，氧化初期在氧化膜的晶界處形成了富Al區(qū)域。合金1000

7、℃初始氧化階段的氧化產(chǎn)物主要是NiO和Cr2O3，而在長(zhǎng)期氧化時(shí)氧化膜主要是由NiO為主，Cr2O3和NiCr2O4為輔的復(fù)合層。
　　經(jīng)800℃/16h退火處理后的細(xì)晶Ni20.3Cr4.6Co2.1Al合金薄板，在800℃空氣中氧化動(dòng)力學(xué)氧化初期符合四次方規(guī)律，隨后氧化非常緩慢，長(zhǎng)時(shí)間暴露后合金薄板氧化增重不明顯。氧化產(chǎn)物主要是NiO、Cr2O3和NiCr2O4。900℃空氣中氧化動(dòng)力學(xué)符合立次規(guī)律，氧化產(chǎn)物主要是NiO、Cr

8、2O3和NiCr2O4。1000℃空氣中暴露時(shí)存在脫落，退火處理后薄板1000℃暴露空氣中表面生成的氧化產(chǎn)物是單一的針狀A(yù)l2O3。
　　研究發(fā)現(xiàn)細(xì)晶Ni20.3Cr4.6Co2.1Al在800℃、900℃和1000℃空氣中氧化動(dòng)力學(xué)與經(jīng)典的拋物線規(guī)律存在明顯的偏差，主要由于細(xì)晶化后氧化物形核率極大提高，形成微晶態(tài)氧化膜,氧化膜中的擴(kuò)散由晶格擴(kuò)散為主變?yōu)橐跃Ы缍搪窋U(kuò)散為主,改變了氧化膜的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)，對(duì)細(xì)晶合金高溫氧化動(dòng)力學(xué)規(guī)律進(jìn)行