新型Co基合金高温氧化行为及机理研究

The γ' phase precipitation hardening Co-base alloys are a new type high temperature alloys that has great development potential. The alloying method is the main way to improve oxidation resistance of Co-base alloys. Isothermal oxidation behavior of Co-Al-W, Co-Ge-W and Co-Ga-W alloys is investigated by experimental and theoretical methods. The influence and mechanism of Y element on oxidation resistance property of Co-base alloys is also investigated. Oxygen atom adsorption on γ' phase (111) and (100) surface is studied using first principles approach. The nature of oxidation behavior is discussed together with the calculated electronic structure. Scanning electron microscopy, energy dispersive spectroscopy and X-ray diffraction techniques are used to characterize the morphology, composition and structure of the oxides at different temperatures. Our research can provide theoretical basis for optimum design on the Co-base high temperature alloys. We hope that our research can provide guidance for the future development of Co-base high temperature alloys.

γ'相沉淀强化Co基合金是极具发展潜力的一种高温合金。合金化手段是提高该类合金高温抗氧化性能的主要途径。本项目采用实验和理论模拟计算相结合，研究Co-Al-W、Co-Ge-W和Co-Ga-W合金的高温氧化行为和添加稀土元素Y对Co基合金高温抗氧化性能的影响规律及作用机理。采用第一性原理计算方法研究氧原子在γ'相Co3(Al,W)、Co3(Ge,W)和Co3(Ga,W)化合物（111）及（100）表面的吸附性质并结合电子结构计算揭示氧化行为的物理本质。采用扫描电镜、能谱仪和X射线衍射仪对不同温度下Co基合金氧化膜的形貌、成分和相组成进行表征。本项研究不仅为Co基高温合金的优化设计提供理论依据，而且对新型γ/γ'双相Co基高温合金的开发应用具有指导意义。

相比γ'相强化Ni基合金而言，传统的Co基合金具有较低的高温强度。Co基合金中Co3(Al,W) γ'析出相的发现又一次掀起了Co基合金研究的热潮。合金化手段是提高该类合金高温抗氧化性能的主要途径。目前，添加稀土元素对Co基合金高温抗氧化性能的影响规律和作用机理未开展系统研究。对新型Co基合金中的析出相性能的预测研究较少。本项目对γ/γ'强化Co-Al-W-X和Co-Al-W-Cr-X（X=La、Ce、Y和Dy）合金在800℃和900℃的高温氧化行为进行了系统研究。采用第一性原理计算方法对Co基合金中的6种析出相的相稳定性、弹性性质、电子结构和热力学性质进行了理论预测。实验研究结果表明：微量La和Ce元素的添加明显降低了Co-Al-W基合金在900℃的氧化速率，增强了氧化层和基体之间的粘合力，显著提高了合金的抗氧化性能。然而微量稀土元素的添加不能明显提高Co-Al-W基合金在800℃时的抗氧化性能。Co-Al-W基合金在800℃氧化时能形成连续的Al2O3内层氧化层。理论计算研究表明：W5B3和W3B2化合物是亚稳相。L12结构Co3(Al,Mo,Nb)、(Co,Ni)3(Al,Mo,Nb)、Co3(Al,Mo,Ta)和(Co,Ni)3(Al,Mo,Ta) γ'析出相能稳定存在并且都是韧性化合物。Co3(Al,Mo,Nb)、(Co,Ni)3(Al,Mo,Nb)、Co3(Al,Mo,Ta)和(Co,Ni)3(Al,Mo,Ta) γ'析出相的剪切模量和杨氏模量均小于Co3(Al,W)。4种γ'析出相的等压热容、熵和线热膨胀系数均随温度的变化而显著改变。本项目研究结果将为新型Co基合金的设计开发提供依据。