原文
，卷:14(13)
碳化钛增强富铬钴基合金铸态组织与硬度研究
- *通信:
- Berthod P， Jean Lamour研究所CP2S系(固体与表面化学与物理)206研究组，B.P. 70239, 54506 Vandoeuvre-lès-Nancy，法国，电话:+ 33 - 3-87-54-77-77 (0);电子邮件: (电子邮件保护)
收到:2016年7月13日;接受:2016年8月22日;发表:2016年9月14日
引用:李志强，李志强，李志强，等。富铬钴基合金的显微组织和硬度。工业科学学报，2016;14(13):102。
摘要
通过铸造厂合成了三种钴基合金，其中铬在高温下具有良好的耐化学性，碳和钛的数量足够大，有望在高温下形成显著的TiC网络，以机械增强它们。Co-25Cr-0.25C或0.50C-1Ti或2Ti(均以wt%为单位)均在惰性气氛中进行了熔合和凝固，得到了较好的Co-25Cr-0.25C或0.50C-1Ti或2Ti。显微组织主要由枝晶基体和枝晶间碳化物组成，在三种合金中主要是TiC成分，但也存在铬碳化物，尤其是Co-25Cr-0.50C-1Ti。碳化钛呈脚本状形态，在树枝晶间隙与基体叠瓦状，似乎与基体形成共晶化合物。碳含量越高，无论其性质如何，碳化物数量越多;钛含量越高，钛碳化物数量越多。含0.25 c的合金硬度约为300Hv10 Kg，两个含0.5 c的合金硬度约为370Hv10 Kg。一些颗粒看起来或多或少像碳化钛，而不是碳氮化钛钛(C,N)等，在大块的一些位置观察到钛氧化物的存在。很明显，阐述协议使用商用氩气不适应钛与O和N发生强烈反应的倾向。
关键字
钴合金；钛的碳化物；铸造；惰性气氛；铸态组织；硬度；钛碳氮化物
简介
除了著名的γ / γ素数单晶镍基高温合金[1-3.]，一些常规铸造的等轴高温合金也值得考虑，因为最近证明，其中一些合金能够高温机械[4，5]和化学[6，7]具有与镍基单晶相同的性能。值得注意的是，钴基合金含有共晶脚本状共晶MC碳化物，在高温下几乎无论形成M碳化物的元素- Ta, Nb, Hf, Zr…8-在高温下可提供高水平的机械性能，并最终具有耐化学性。含tac的钴基高温合金首次发现了这种有趣的高温性能[9]，在机械[10]，{熔融物质}诱发腐蚀[11]或空气氧化[12]字段。由铪(IV)碳化物(HfC)强化的钴基合金有望具有良好的高温性能[13]，在机械领域[14]以及氧化的[15］．还考虑了铌碳化物(NbC)，最近在Co合金中进行了测试[16］．
钛，通常被认为是轻型航空合金的基本元素[1-3.]或牙齿矫正弓丝[17]作为例子，或可用于核领域，因为它与熔融玻璃接触时的特定行为[LD乐动体育官网18，19]，也可以考虑利用其强碳化物形成特性来增强高温合金。它比Ta和Zr轻，比Hf在地球上更有效，比Nb更耐高温氧化，值得对mc -前元素的这种作用进行试验。这就是在这项工作中所做的，通过铸造三种含有0.25 wt%到0.5 wt% C的钴基合金(通常用于高温合金的碳范围的优越平均水平)，25 wt% Cr在高温下抗氧化和抗腐蚀，和1wt %或2wt % Ti，以获得纯TiC碳化物(0.25 wt% C+ 1wt % Ti和0.50 wt% C+ 2wt % Ti)或一半由TiC组成的碳化物和另一半由铬碳化物组成的混合碳化物。
实验
这三种合金(Co- 25cr -0.25C或0.50C-1Ti或2Ti，重量百分比)是由纯元素(来自Alfa Aesar的Co、Cr和Ti，纯度为99.9 wt%， C:来自Sigma-Aldrich的纯石墨棒，纯度为99.99 wt%)在惰性熔炼下合成的大气(纯Ar 300 mbars，总杂质(O2H2O, N2): < 5ppm)使用高频感应炉(CELES)。用金相锯(BUELHER)切割得到的钢锭(每块约40克，高度为20毫米，底直径为20毫米的锥形几何)。
在铸锭中心附近取每个合金的零件来表征铸态组织。它们被埋入冷树脂/硬化剂混合物(ESCIL)中，用等级从120到1200不等的含sic纸连续研磨，超声波清洗，然后用富含1 μm氧化铝颗粒的纺织盘抛光。利用JSM-6020LA型JEOL公司的扫描电子显微镜(SEM)在背散射电子(BSE)模式下对得到的镜状金相样品进行了扫描，以控制三种合金的显微组织。的能源分散光谱法(EDS)装置配有扫描电镜，可控制其化学成分。
三种合金的硬度以10公斤载荷下的维氏压痕来确定。每种合金使用Testwell Wolpert机进行10个压痕。计算平均值和标准差。
结果与讨论
第1种合金Co-25Cr-0.25C-1Ti铸态显微组织通过SEM/BSE显微照片进行了表征图1，一张给出总体视图(120倍)，另一张更详细地描述了微观结构(500倍)。从总体上看，微观结构明显是树枝状的，在详细的观察中，有一些黑色的颗粒，似乎有一种脚本状的趋势。人们必须注意到，也有罕见的较粗的暗粒子(一般视图)。在三个不同的位置进行EDS测量，得到Co, Cr和Ti的平均含量表1(C不能用这种方法测量:元素太轻，含量太低)。从全局上有效地得到了目标组分。
图1:用扫描电镜在BSE模式下观察铸态Co-25Cr-0.25C-1Ti合金(wt%)的总体(A)和详细(B)视图。
| 0.25 c-1ti | 有限公司(wt %) | Cr (wt %) | Ti (wt %) |
|---|---|---|---|
| 平均 | 73.60 | 25.59 | 0.83 |
| SD | 0.53 | 0.42 | 0.11 |
表1:Co-25Cr-0.25C-1Ti合金的化学成分。
Co-25Cr-0.50C-1Ti合金铸态组织显示在图2，带有两张SEM/BSE显微照片(120倍的一般视图，500倍的更详细的视图)。深色的粒子明显更多(还有粗糙的深色粒子)。我们可以认为是碳化物的那些也揭示了矩阵的树枝状特征。在最高倍率下，除粗球状颗粒外，深色(黑色)颗粒似TiC，由其呈文字状的趋势可见。其他粒子也出现了，稍微清楚一点:它们可能是我们所期望的碳化铬，因为在这种合金中，碳原子比钛原子多两倍。这里的化学成分与目标成分太一致(表格2)．
图2:在BSE模式下用SEM观察铸态Co-25Cr-0.50C-1Ti合金(wt%)的总体(A)和详细(B)视图。
| 0.5 c-1ti | 有限公司(wt %) | Cr (wt %) | Ti (wt %) |
|---|---|---|---|
| 平均 | 73.27 | 25.87 | 0.86 |
| SD | 0.06 | 0.08 | 0.03 |
表2:Co-25Cr-0.50C-1Ti合金的化学成分。
第三种合金Co-25Cr-0.50C-2Ti也是枝晶合金，含有大量TiC碳化物(图3一)，与其他两种合金(图3 b)．还存在许多粗糙的黑色颗粒。还可以注意到一些碳化铬。在这里，所需的化学成分也差不多得到了(表3)．
图3:在BSE模式下用SEM观察铸态Co-25Cr-0.50C-2Ti合金(wt%)的总体(A)和详细(B)视图。
| 0.5 c-2ti | 有限公司(wt %) | Cr (wt %) | Ti (wt %) |
|---|---|---|---|
| 平均 | 72.31 | 25.82 | 1.87 |
| SD | 0.32 | 0.40 | 0.12 |
表3:Co-25Cr-0.50C-2Ti合金的化学成分。
在基质中多个位置实现了现场EDS分析，以了解该相的化学成分。计算结果如下表4．铬的主要部分逻辑上以固溶体的形式存在于合金基体中，但该元素的重量百分比是缺乏的，这可以用一些铬碳化物的存在来解释。在1wt %含钛合金的基体中也存在约0.3 wt%的钛，但在2wt %含钛合金的基体中几乎是这个值的3倍。显然，在形成碳化物方面，铬和钛之间的竞争比在含ta或含hf的富铬钴基合金中更激烈，即使钛捕获了更多的碳来形成碳化物。
| 0.25 c-1ti | 有限公司(wt %) | Cr (wt %) | Ti (wt %) |
|---|---|---|---|
| 平均 | 73.60 | 25.59 | 0.83 |
| SD | 0.53 | 0.42 | 0.11 |
| 0.5 c-1ti | 有限公司(wt %) | Cr (wt %) | Ti (wt %) |
| 平均 | 73.27 | 25.87 | 0.86 |
| SD | 0.06 | 0.08 | 0.03 |
| 0.5 c-2ti | 有限公司(wt %) | Cr (wt %) | Ti (wt %) |
| 平均 | 72.31 | 25.82 | 1.87 |
| SD | 0.32 | 0.40 | 0.12 |
表4:三种合金基体的化学成分。
尽管它们的尺寸小或形状薄，但也尝试对深色粒子进行斑点EDS分析。计算结果如下表5而且6．可以看出，单独确定粒子的化学成分是很困难的。由于它们的体积小，相互作用梨包含了一部分基质，结果钴和铬含量显著。然而，高含量的钛与碳，碳和氮，或与氧，表明存在钛碳化物，碳氮化钛，有时氧化钛。
| 0.25 c-1ti | 有限公司(wt %) | Cr (wt %) | Ti (wt %) | C (wt %) | O (wt %) | N (wt %) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 抽搐 | 50.47 | 25.81 | 16.55 | 7.17 | - | - |
| Ti (C, N) | 40.54 | 15.54 | 30.10 | 6.80 | 0.48 | 6.53 |
| Ti (C, N) | 49.63 | 17.10 | 18.44 | 3.62 | - | 11.21 |
| 锡 | 29.37 | 11.40 | 39.31 | 1.03 | - | 18.89 |
表5:Co-25Cr-0.25C-1Ti合金碳化物的EDS斑点分析。
| 0.5 c-1ti | 有限公司(wt %) | Cr (wt %) | Ti (wt %) | C (wt %) | O (wt %) | N (wt %) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 抽搐 | 50.47 | 25.81 | 16.55 | 7.17 | - | - |
| Ti (C, N) | 46.28 | 18.87 | 25.78 | 5.97 | 0.06 | 3.04 |
| 锡 | 24.49 | 9.61 | 44.10 | 2.06 | 0.74 | 19.01 |
| 锡 | 29.37 | 11.40 | 39.31 | 1.03 | - | 18.89 |
| 二氧化钛 | 0.66 | 1.54 | 62.72 | 1.17 | 31.47 | 2.43 |
表6:Co-25Cr-0.5C-1Ti合金碳化物的EDS斑点分析。
所获得的硬度值(维氏法，负载:10公斤)为表7．由于钴的固有硬度和碳化物的存在，这些值都相当高(300Hv10 Kg以上)。但是双重的碳化物(0.5 wt% C而不是0.25 wt% C的合金)导致额外的60 Hv到70 Hv。
| 合金 | 有限公司- 25 - cr - 0.25 - c - 1 - ti | 有限公司- 25 - cr - 0.50 - c - 1 - ti | 有限公司- 25 - cr - 0.50 - c - 2 - ti |
|---|---|---|---|
| 平均 | 306 | 372 | 364 |
| SD | 21 | 40 | 12 |
表7:维氏压痕结果(10次/合金，载荷10公斤)。
讨论
钛是比铬更强的碳化物形成元素。基本得到了碳化钛，但铬的含量远高于钛。钛在{Co-25 wt% Cr}基中起着与钽、铌、铪或锆相同的作用，有利于MC碳化物的凝固而不是铬碳化物的出现。后者的一些似乎被观察到，在凝固时出现的这种碳化物的常见形态[1-3.］．但没有一项现场分析显示cr含量较高。as TaC, NbC, HfC和ZrC，碳化钛的形貌为先前几篇文章报道的脚本型[20.，21]位于树突空间之间，并与矩阵叠瓦。这可能有利于在高温下具有较高的抗蠕变能力，就像之前观察到的其他MC碳化物一样。其中一些颗粒也是碳氮化钛，甚至是氮化钛，可能具有相同的脚本状形态，但这些颗粒的性质可能会以错误的方向影响强化效率。这些氮化物和碳氮化物，以及也观察到的钛氧化物，是由钛与所用氩气中存在的N2和O2中的痕量反应产生的，在氩气中加热和熔化合金。
结论
在铸态富铬钴基合金中，由于M元素为钛而非钽、铌、铪或锆，显然成功地获得了枝晶间晶状的MC碳化物。然而，该元素与氧和氮反应的高度倾向导致存在，与所希望的TiC碳化物，到Ti(C,N)碳氮化物，甚至TiN氮化物，其对力学性能的影响可能是有害的力学性能。这一优点将很快得到验证。TiC碳化物在高温下的体积分数和形貌的稳定性也必须通过在高温下长时间暴露来测试，以及所有这些颗粒对高温行为的可能影响。目前正在进行工作以取得这些领域的资料。
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