稀土氧化物弥散强化

稀土在氧化物弥散强化合金中的应用传统高温合金的热强性由Y】相的沉淀强化和W、Mo等元素的固溶强化产生，但高于1000°C时它们的作用急剧减退。为了得到能在1100C和更高温度工作的飞机发动机材料，研制了以稳定氧化物的弥散强化为主要强化手段的氧化物弥散强化高温合金（ODS合金）。在这类合金中，氧化物质点的尺寸必须小于0・1卩m,数量一般在lvol%以上。弥散氧化物在室温和中温的强化效果虽然不及传统强化手段的效果，但由于它们在高温下极为稳定，所以其强化作用随温度升高和时间延长而衰减的趋势很小，使ODS合金具有极优异的高温热强性（图4中曲线a、b）。2M6O壮20HtJO1650200022002M6O壮20HtJO165020002200罔4铸逍禅基氐谧台金（a）商单锲堆ODS合金（b）和见扫镣基ODS合金（时的黒强性C39；早期的ODS合金大多用ThO2作为弥散相。由于稀土氧化物具有更咼的热力学稳定性和ThO2具有放射性,所以新研制的ODS合金已全部用Y2O3和其它稀土氧化物作为弥散相了。稀土氧化物不仅提高合金的热强性，也显著增强合金的高温腐蚀抗力。例如，02-03vol%Y2O3、La2O3或ThO2,可使Ni一15Cr—6A1合金在1100°C500h循环氧化后的减重减至无氧化物合金的五十分之一；0・5vol%CeO2或La2O3能使TRW一VIA合金在940C的热腐蚀层减至原合金的二十分之一。这些优点，使ODS合金成为目前使用温度最高的实用高温材料（图5）。各

HOG1300ItH1IH1000先进国家对这种合金的发展十分重视，目前已出现了几十个牌号（表HOG1300ItH1IH1000ODS音1970 199fl1950ODS音1970 199fl1950TiDAaOTT.YDNlCrAlMA7SI(带矗亞1pWAZ-lBCffftS】h(AR—M509不冈类型飞机发动机材料的服役年代和使用温度託〕普通粉末冶金方法生产的简单ODS合金美国从1962年开始用粉末冶金的方法生产TDNi（Ni—2vol%ThO2）。为了改善合金的高温腐蚀抗力，后来又发展了以Ni—Cr、Ni—Cr—Al、Fe一Cr一Al和Co一Ni一Cr为基体的ODS合金（表6a）。它们中的弥散相大多用ThO2。合金的生产工艺包括用化学沉淀法制取粉末混合物，真空热压密实及形变热处理等几个步骤。这类合金的1100°C102h破断强度达5kg/mm2,与3W435合金800C1O2h的破断强度相当。机械合金化法生产的简单ODS合金机械合金化是美国在1969年发展的一种新材料技术,它利用机械手段使合金各组元在固态下实现合金化，为生产成分复杂的ODS合金提供了可能。此方法的工艺包括:a.利用氩气雾化、旋转电极等方法生产合金原料（金属、预合金和氧化物）粉；b.在高能球磨机（转速达300转/分，研磨效率为普通球磨机的十倍）中研磨原料粉，粉末的反复挤压、破碎、冷焊使合金组元达到了原子尺度的结合。为避免氧化，研磨在真空或惰性气体的保护下进行；c.将合金化的粉末装入钢套，真空密封后挤压成棒材；d.利用形变热处理（中温轧制后高温退火）或定向结晶使合金具有纤维状的粗大晶粒组织（晶粒的长度达10mm,纵横比达10:1）,进一步强化合金基体。简单合金仍以Ni—Cr、Ni—Cr一Al、Fe—Cr一AI和Co—Ni一Cr一Al合金为基体,氧化物则主要用Y2O3（表6b）。其中,镍基合金的1100°C102-102h破断应力，均达1Okg/mm?的水平,MA754合金达14kg/mm2。两类简单ODS合金均主要用来制造飞机发动机的涡轮导向叶片和燃烧室,其中HDA8077、YDNiCrAl和MA754合金可用至1220C,而性能最好的镍基铸造合金MAR一M509和WAZ一16（带涂层），最高工作温度分别为1070C和1100C。机械合金化的复杂ODS合金这类合金的基体成分大多按镍基铸造合金来设计，它不仅含有较多的Y】相形成元素Al和Ti,还含有相当数最的W、Mo、Co、Ta等固溶强化元素。氧化物相仍采用Y2O3。合金用机械合金化的方法制备（表6c）。这种合金使固溶强化、沉淀强化、弥散强化和形变强化相结合，不仅产生极高的高温强度,也具有很高的中温、低温强度（图4的曲线C）。它们的1100°C10Oh破断强度一般大于l0kg/mm2,其中0DSWAZ—D和MA6000E合金的1150C103h破断强度达10.5kg/mm2,可在1150C工作，而成分与ODSWAZ一D相似的铸造合金WAZ一20,最高工作温度仅为970C。这类合金主要用于制造飞机发动机的动叶片ODS合金新制备方法的探索机械合金化的发展虽然使ODS合金的生产成本有所降低,但仍为传统高温合金生产成本的五倍。为降低成本，日本等国正在研究较经济的方法，例如用喷吹冶炼的方法产生弥散氧化物。在感应炉冶炼时喷吹ThO2等氧化物粉的研究,可使镍中产生2-5vol%Th02质点，其尺寸约600A，间距约2000A，与ODS合金的情况相近。其中含2vol%ThO2的Ni,1000°C103h破断强度达4.8kg/mm2,与TDNi的相同，超过了HastelloyX（2kg/mm）和Ineone1617（3kg/mm2的水平）向SUS304钢喷吹Al203、ZrO2粉,可使700C的强度极限由27提高到36kg/mm2,蠕变强度增高得更为突出。钢中氧化物的尺寸小于1400A。文献研究了内氧化的方法：将Ni一O.32Ti放在装有NiO一Ni粉的密封真空石英管中，在1273-1573k加热使Ti内氧化成TiO2。发现1473k处理可得到尺寸小于1pm的弥散［io?质点，处理温度降低时Ti。2将沿晶界析出使合金变脆。W 号组 成特久豪度.kg/mm>(■定条件〉a.用普通粉末冶金法生产的AU单ODS合金TDNiNi-2ThO«5.6C10WC,100h)YDNiNi-iY.Oi6.3(1093°C,450h)TDNiCrNi—20C—2TbO,6.3(1093*C,100h)TDNiCrAlNi—16Cr—4〜5A1—2ThO,4.9(1093°C»>100h,TDNiCrAlYNi—166—4〜5A1—0.2Y—ThOt同 上GE2541+Al,OiFe—25Cr—4A1—1Y—1Al»0j】・7(1093°C,162h)TDCoCo—20Ni—18Cr—2ThO,TDCoCo—20Ni—18Cr—4ThO,TDCoCo—20Ni—30Cr—2ThO»I1b.用机械令金化法生产的他单ODS合金MA754ENi-20Cr-0.6Y,Os10.4<1100oC,10*h)MA7640•>.0*1Ni—20Cr— Al—Ti—Y»O>0»«1•>1••14(U47*C,100h)MA753CIN—853)Ni—20Cr—l・5Al—2・5Ti—l・3Y,O$10.5(1038*C.100h)MA757EN：—15Cr—6A1—0.5Ti—0.6YiOj10,4(1100*Ct10#h)ODSNiCrAlNi—16Cr—4A1~~0.86~3YjOs7.0(1100°C,56h)HDA8077Ni—16Cr—4A1—YiOj10.4(1100°Ct10«h)N：-16Cr-5Al-lY,O>MA956EFe—20Cr—4.5A1—0・5Ti—0.6Y$0$10.4(HO0*C»10*h)Fe—26Cr—4A1—1Y—3~5YGA5.0<982°Ct10*h)Fe—25Cr—Al—Y一3〜8(Y・0・*A1*O>》11 i6.5(1100。。，100hCo—20Ni—16Cr—4A1—1Y,O»-一一—5.6(1093*C100h)Co—25Ni—22Cr—5A1—lYtOi同 上C.用机械合金化法生产的复杂ODS合金MA755ENi-15Cr—4.5Al—3Ti—2・5Ta—3.6Mo—5・5W-1・1Y,O.9.8(1038*C,10>h)MA6000ENi—15Cr—4.5A1—2.5Ti—4W—2Mo—2T®~Zr»B—1.1Y,O.10,5(U50*C»10'h〉ODSB—1900Ni~8.3Cr—10.2C。—B・8Al—1*2Ti—4.2Ta-~5♦4Mo—•0.68Y.O,7.0(1095aC,143h)ODSWAZ-DNi—16.6W—4.3Fe—7Al—0・8Zr—2Y$O・10.5<1150°C,10*h)IN738+Y.O.Ni—16Cr—8.5Co—3,4Al—3.4Ti—1.75Ta—1.75Mo—2・6W—0.9Nb—1.6Y.O.U.SCIOO