新型抗氧化低膨脹高溫合金設計

【摘 要】 通過對現有低膨脹高溫合金成分和性能的研究，結合對合金相圖的研究，提出了具有更低熱膨脹系數和組織穩定性的Fe-Co-Ni基體元素范圍。根據高溫合金強化體系的近年研究結果，提出了利用Co-Al-W進行強化的合金化方向，以保證材料的高溫性能。據此提出了具有新型抗氧化低膨脹高溫合金成分的展望。

【關鍵詞】 抗氧化 低膨脹 高溫合金

【DOI編碼】 10.3969/j.issn.1674-4977.2016.03.003

Fe-Co-Ni系低膨脹高溫合金具有低膨脹、強度高、抗氫環境脆性等特點，在國外廣泛用于作航空發動機中的密封環、外環、機匣等零部件。

Carpenter公司對Fe-Co-Ni-6.5Cr系CTE的研究顯示了Ni/Co=0.4～0.5，Ni+Co≈50%時，CTE最低； Ni+Co>54%提高后，CTE升高很快（如圖1）。然而，現有合金并未在具有最低CTE的Fe-Co-Ni配比下設計，因為需要足夠的Ni，以解決（Ni3（Nb，Ti，Al））相強化和組織穩定性等因素的制約。近年來，國內外對Co-Al-W系新型鈷基高溫合金做了較多研究。利用這一強化體系有可能解決高Co低Ni合金的強化體系問題，從而設計出CTE更低的低膨脹高溫合金。因此提出了Co-Fe-Ni-Al-W系低膨脹高溫合金設計思路。

1 Co-Fe-Ni基體

表1給出了現有低膨脹高溫合金的成分，當不考慮其他強化元素，只考慮Fe-Co-Ni體系后，如果合金的Ni/Co=0.43，Ni+Co≈62%時，可能具有與Kovar合金相當的CTE。

2 基體組織穩定性

根據圖4，現有低CTE合金都存在（Co（HT），Fe（HT2），Ni）+（Fe）→（Co（HT），Fe（HT2），Ni）相變（圖2）。當Ni由10%增加到30%時，最高相變溫度由860℃降低到約680℃。相同Ni含量時，Co/Fe=1時具有最高的相變溫度。新合金的Fe-Co-Ni元素配比應該具有與現有合金相當的基體穩定性。

3 強化體系

對Co-Al-W系研究（圖3）顯示合金850℃壓縮蠕變性能與IN713C相當。在新的Co-Fe-Ni基低膨脹高溫合金中，如果能夠利用（Co3（Al，W））相強化，就有可能保證新合金的強化效果。

對CTE研究顯示，W明顯提高CTE，Al、Co、Fe降低CTE（圖4）。在新設計的Co-Fe-Ni體系中，加入9Al+9W強化，有可能得到高強度且CTE適中的新合金，同時高Al有利于改善合金的抗氧化性。研究顯示Mo有可能替代W從而降低合金密度并不影響強化效果，但會降低（Co3（Al，W））相的固溶溫度。如果能用Mo取代一部分W可降低合金密度，并且Mo對CTE影響較小可以使CTE的損失減少，合金的熱變形抗力也能減少。

4 展望

調整Co-Fe-Ni體系配比為38Fe-43Co-19Ni，使Ni/Co≈0.4，可保證低CTE；加入9at%Al、10at%W可形成（Co3（Al，W））相強化；此外，Al降低CTE，W提高CTE，二者有可能實現CTE的平穩，并且高Al有利于改善合金的抗氧化性；由于晶內強化程度較大，需要加入Zr、B強化晶界，以保證足夠的強韌化效果。提高（Co3（Al，W））相強化效果和穩定性，可考慮加入少量Ti。增加Fe，降低Ni+Co含量，可以得到更低的熱CTE；但對Fe-Co-Ni體系的強化程度可能有影響。綜合考慮以上因素，設計合金為Fe-32Co-15Ni-21W-3.7Al。

作者簡介

宋篪，工程師，碩士，現于遼寧省產品質量監督檢驗院從事檢測研究。