燃烧合成CoCrMo、Stellite6合金的初步研究

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钴基合金具有良好的高温性能,优异的热强性、耐蚀性及耐热疲劳性能,特别是在热态下具有优越的耐擦伤性能。钴基合金优异的性能使其广泛应用于条件比较恶劣,抗磨损、抗腐蚀性能要求较高的领域,如航空、航天、核能、动力、医学等。钴基合金熔点很高,传统熔炼过程中需要高耗能(高温和很长的加热时间),寻求一种能节约成本、降低能耗、缩短材料制备周期的制备方法是本文的出发点。本文中采用燃烧合成法以Co3O4和Al粉为主要原料,再添加一些合金化元素,如Cr、Mo、W等,制备出两种钴基合金CoCrMo、Stellite6。在研究CoCrMo合金过程中,主要分析了合金的显微结构、凝固过程以及工艺参数(坩埚材质、反应气氛、点火方式、冷却速度等)对实验结果的影响。在研究CoCrMo合金的基础上,本文制备了Stellite6合金,主要研究其微观组织的特点,并与市场上同类铸态产品HS111进行微观组织的对比。结果表明,通过燃烧合成法能够制备CoCrMo、Stellite6合金,并且合金与渣基本分离,XRD分析显示两种合金中的渣的主相为Al2O3。同时,合金中各化学成分的变化趋势基本得到控制,其中,Cr含量稍微偏低于理论含量,而铝含量偏高,经分析其主要是以Al2O3形式存在。用燃烧合成法制备的CoCrMo合金主要由面心立方(fcc)的γ-Co固溶体和密排六方(hcp)的ε-Co相固溶体组成,经计算得合金中ε-Co相达到88%以上,远高于传统的熔炼方法。由金相分析可知合金的显微结构为铸态树枝晶,枝晶上富钴,枝晶间富钼,铬分布比较均匀。研究工艺参数对实验的影响过程中发现石墨坩埚、反应气氛、点火方式均未对试验结果造成很明显的影响,但是冷却速度的快慢影响了合金显微结构的变化。随炉冷却的ε-Co相含量要比空冷时高。未添加合金化元素制备的纯钴主要相为ε-Co相,其衍射峰相对于CoCrMo合金向高角度偏移。用燃烧合成法制备的纯钴晶粒粗大,晶粒内部存在孪晶现象。用燃烧合成法制备Stellite6合金主要相为γ-Co固溶体和铬的碳化物。在比较连续铸造方法制备HS111与燃烧合成法制备Stellite6合金时,发现用这两种方法制备的HS111和Stellite6合金具有相似的微观结构,都是由富钴基体和大量的碳化物共同组成。通过XRD、SEM及EPMA的微区分析得出合金中的碳化物大部分是铬的碳化物,形貌类似于岛状的碳化物为M23C6和M6C共晶体,铅字状形貌的为MC碳化物。用燃烧合成法制备的Stellite6合金中碳化物比较粗大,大约为HS111大小的3倍,这与其特殊的工艺过程有关。总之,用燃烧合成法制备钴基合金具有节约成本、降低能耗、缩短材料制备周期等优点。虽然合金中含有少量的未分离的Al2O3杂质,但是从理论上说由于其密度的差异,在合金的二次熔炼中应该可以提高其纯度,故某一程度上用燃烧合成法代替合金的一次熔炼是可取的。
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