稀土元素對高性能金屬結構材料組織與性能影響機理.pdf

1、隨著科學技術的日新月異，傳統(tǒng)金屬結構材料的性能已難以滿足實際應用的要求，材料的強度、塑性以及耐高溫腐蝕、耐磨損等性能亟待提高，尤其服役于高溫、高應力等復雜環(huán)境的結構材料，容易發(fā)生高溫氧化或者塑性變形，以致?lián)p傷、失效。稀土元素以其具有的特殊性質，即使添加微量便可明顯地改善材料組織和性能。因此，本文添加稀土至兩種典型的金屬結構材料(Ni-22Cr-14W-2Mo、Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr)，研究稀土元素對材料組織結構和性能的影響

2、規(guī)律，探尋稀土元素的作用機理，旨在開辟改善金屬結構材料組織、提高強度和疲勞壽命以及高溫抗氧化性能的有效途徑。
　　將稀土La加入Ni-22Cr-14W-2Mo合金，考察了La在合金中的存在方式，研究了La對合金晶粒尺寸、碳化物及拉伸性能的影響規(guī)律。結果表明:微量的La(＜0.026％)固溶于基體中;當La含量為0.026％時，由于La-S具有較高熔點和較低的形成能，La優(yōu)先與S結合，形成彌散分布的質點，其可以成為初生碳化物M6C異

3、質形核的核心，從而細化了M6C碳化物，提高了合金的塑性。La-S化合物可以促進初生M6C周圍細小M6C的生成，細小M6C與基體保持半共格關系，提高了碳化物與基體的界面結合強度。含0.026％La合金具有最優(yōu)的屈服強度和延伸率的綜合力學性能。當La含量大于0.048％時，形成較多的La-Ni金屬間化合物，反而造成合金力學性能下降。
　　模擬Ni-22Cr-14W-4Mo合金實際使用條件，研究了稀土La對合金1173 K～1373 K

4、溫度范圍內高溫抗氧化能力的影響規(guī)律，探討了La對合金氧化行為的改善機理。結果表明:1173 K～1273 K內，La對合金耐氧化性能的改善效果主要取決于其在合金中的固溶量。固溶的La在氧化過程中形成LaCrO3，其在氧化膜晶界處的偏聚阻礙了Mn2+、Cr3+的擴散，改變了離子的傳質方式，以氧離子向內擴散為主;同時，LaCrO3可作為MnCr2O4異質形核的核心，生成的MnCr2O4晶粒細小而彌散的分布于Cr2O3之間，提高了氧化膜的粘附

5、性。1373 K下，合金的抗氧化能力大小不僅僅取決于固溶的La，亦取決于合金中La-Ni化合物的含量。固溶的La和La-Ni化合物在氧化過程中被氧化生成La2O3。一方面，La2O3在氧化膜晶界的偏聚阻礙了金屬陽離子Cr3+、Mn2+向外擴散，提高了合金的抗氧化能力;另一方面，較多La-Ni化合物被氧化生成的La2O3又加劇了合金的氧化。
　　研究了添加稀土氧化物Y2O3對Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr合金晶粒細化的影響，為

6、了降低合金成本，亦研究了以TiB2替代Y2O3對合金組織細化的作用。結果表明:添加TiB2、Y2O3均可以細化晶粒，但兩者對晶粒細化的作用機制不同。高熔點的Y2O3彌散質點可以作為β相非均勻形核的核心，增加β相的形核率、細化β晶粒，β相的細化效果取決于彌散質點Y2O3的大小和分布。而添加TiB2合金在凝固時，基體β相首先從液相中形核析出，因此，后析出的第二相TiB不能成為β相非均勻形核的質點。一方面，由于B在合金中的固溶度很小，其始終富

7、集在固-液相界面前沿，增大了成分過冷，增加了β相形核的驅動力，另一方面，固-液相界前沿過多的B富集阻礙了β相晶粒長大，從而細化了晶粒。因此，TiB2添加對合金晶粒細化的效果主要取決于B的量。
　　研究了TiB2或Y2O3添加對Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr合金楊氏模量、拉伸性能及疲勞性能的影響。結果表明:添加TiB2或Y2O3均對Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr合金楊氏模量的影響不大。合金的拉伸性能雖然提高不明顯，但合金

8、的疲勞壽命有了顯著改善，含0.10％Y合金的疲勞壽命提高了約64％，含0.10％B合金的疲勞壽命提高了約67％。合金的塑性隨著TiB相的增多而逐漸降低，但Y2O3的添加并未造成Ti-29Nb-13 Ta-4.6Zr合金塑性的劣化。合金的疲勞壽命隨著Y/B含量的增加先升高而后降低。一方面，Y2O3/TiB可以釘扎位錯，阻礙位錯的滑移，抑制裂紋的萌生，降低裂紋的擴展速率，改變裂紋擴展的方向，增加裂紋擴展的路徑;另一方面，隨著Y2O3/TiB

9、的尺寸和體積分數(shù)的逐漸增加，位錯在Y2O3/TiB與基體界面處的堆積導致應力集中，Y2O3/TiB斷裂或者其與基體界面處產生微裂紋發(fā)展成主裂紋，微裂紋的產生亦為裂紋的擴展提供了優(yōu)先路徑，加速了裂紋的擴展。Y2O3/TiB對合金疲勞壽命的影響是上述兩種作用綜合的結果。
　　研究表明:Ni-22Cr-14W-4Mo合金中，適宜La添加量在0.026％～0.048％之間;Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr合金中，適宜Y添加量為0.10