Al2O3對MoWCo高溫合金力學性能的影響

鐘建華,江志平,余向陽,劉　芳

(江西理工大學 材料科學與工程學院, 江西 贛州　341000)

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鐘建華,江志平,余向陽,劉芳

(江西理工大學 材料科學與工程學院, 江西 贛州341000)

摘要：通過改變Mo-W-Co高溫合金中Al2O3的含量,研究Al2O3對Mo-W-Co高溫合金硬度和耐磨性能的影響.采用球磨、壓制成形和真空燒結等工藝制備Mo-W-Co-Al2O3高溫合金,利用X射線衍射儀(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)和金相顯微鏡(OM)對制備好的合金的相結構、形貌和粒度進行分析,并測試合金的硬度和耐磨性能.結果表明:添加Al2O3能提高Mo-W-Co高溫合金的硬度和耐磨性能,當wAl2O3為5%時,Mo-W-Co高溫合金的硬度和耐磨性能達到最佳效果;在真空燒結時,Al2O3在合金中形成了γ-Al2O3相,是影響合金組織和性能的關鍵相.

關鍵詞：Al2O3; Mo-W-Co; 高溫合金; 硬度; 耐磨性能; γ-Al2O3

目前,在高溫耐磨領域應用的鉬合金主要是TZM(鉬鋯鈦)合金,但由于TZM合金中硬質(zhì)耐磨相很少,其高溫耐磨性有限,已經(jīng)難以滿足科技的快速發(fā)展對高溫耐磨件的性能要求[1-3].常規(guī)鉬合金在高溫耐磨領域的發(fā)展受到了限制,含高耐磨硬質(zhì)相的鉬基復合材料可以提高鉬合金在高溫條件下的耐磨性能,故開發(fā)在高溫條件下,仍具有高硬度和強耐磨性能的鉬基復合材料顯得十分必要和迫切.其中Mo-W-Co系高溫合金具備鉬基合金的優(yōu)良性能,且在Mo-W-Co系高溫合金中添加Al2O3可以改善該合金的高溫耐磨性能.因此,研究Mo-W-Co-Al2O3高溫合金的力學性能具有巨大的市場價值和潛力.

Mo-W-Co系高溫合金不僅保持了W和Mo元素高熔點的優(yōu)良特性,而且Mo具有與W相同的體心立方晶格,它可以固溶于W,從而起到固溶強化、細化晶粒的作用.Co與W、Mo都具有良好的浸潤性和很高的互溶度,因此可作為一種良好的協(xié)同強化元素改善合金的耐高溫性能.同時Co元素在Mo-W合金中能形成強化黏結相,其在粉末壓制成形過程中又起到黏結劑的作用,且可避免Mo-W合金在真空燒結過程中產(chǎn)生金屬間化合物和晶面空洞而導致合金的強度和硬度降低[4-6].在鉬基合金中添加一定量的Al2O3能夠提高鉬基合金的硬度及改善合金的耐磨性能[7].以γ-Al2O3相為高耐磨硬質(zhì)相,采用球磨工藝使硬質(zhì)相和Mo-W-Co合金基體實現(xiàn)均勻混合的工藝及其控制條件,Al2O3摻雜到鉬基合金粉末中,為提高該合金的耐磨性能的研究提供指導[8-9].

結合Mo-W-Co系高溫合金的本身優(yōu)點及Al2O3對鉬基合金有良好的力學性能,Mo-W-Co-Al2O3高溫合金是前景十分廣闊的一種高溫合金,具有很大的研究價值和市場潛力.

1試驗方法

稱取6組相同質(zhì)量的Mo、W、Co和Al2O3混合粉末各20 g,Mo-W-Co高溫合金中的Mo、W和Co元素是按一固定比例添加配置的.試驗只改變混合粉末中Al2O3的含量,其中Al2O3的質(zhì)量分數(shù)(wAl2O3)分別配置為:0%、0.5%、1.25%、2%、5%和7% 6組成分,每組成分都配置兩份并相應標記序號為:1#,2#,3#,4#,5#和6#,對應關系見表1.

表1　標記序號對應Al2O3的含量

試驗采用球磨、壓制成形和真空燒結等傳統(tǒng)工藝制備不同Al2O3含量的Mo-W-Co-Al2O3高溫合金試樣.球磨工藝具體參數(shù)見表2.

表2　粉末冶金球磨工藝參數(shù)

粉末壓制成形工藝具體參數(shù)見表3.

表3　粉末壓制成形過程參數(shù)

真空燒結工藝具體參數(shù)見表4.

表4　試樣真空燒結工藝參數(shù)

合金粉末在表2～表4的具體參數(shù)下,經(jīng)過球磨、粉末壓制成形和真空燒結工藝最終得到6組不同Al2O3含量的Mo-W-Co-Al2O3合金試樣.

用QG-700高溫氣氛摩擦試驗機對合金試樣進行耐磨性能測試.試驗環(huán)境溫度為200 ℃,利用電阻絲加熱,摩擦為干摩擦.本試驗中摩擦試驗機的速度為1 m/s,力的大小為9.5 N,摩擦行程為7 200 m.摩擦試驗后,把試樣放到精度為0.1 mg的電子天平上稱重,在相同時間內(nèi)(20 min),通過試樣磨損量來確定試樣耐磨性能的優(yōu)劣,磨損量越小,耐磨性能就越好.

2結果與討論

2.1合金金相組織和硬度

對1#～6#合金試樣進行金相組織分析,金相組織照片如圖1所示.從圖1中可以看出,Al2O3顆粒較為粗大且形狀不規(guī)則,主要分布于晶界處和燒結孔周圍,少量分布于晶內(nèi),且顆粒與基體合金結合較緊密,無空隙和裂痕,結合處無明顯相互擴散的過渡層.分析圖1發(fā)現(xiàn),1#合金試樣的晶界和晶內(nèi)幾乎沒有空洞或黑色顆粒.而當Mo-W-Co合金中添加了Al2O3之后,出現(xiàn)了明顯的孔洞和黑色顆粒,且隨著Al2O3含量的增加,3#～5#合金試樣的孔洞和黑色顆粒隨之增多.當wAl2O3>5%時,即6#合金試樣的孔洞和黑色顆粒較5#合金試樣有所減少.最后得出,試樣金相組織中的黑色顆粒絕大部分是Al2O3顆粒,只存在少量孔洞.這些孔洞形成的原因主要是黏結劑的熔化揮發(fā)以及試樣在砂紙打磨和拋光時Al2O3的脫落[10].

金相組織還表明,Mo-W-Co-Al2O3合金晶粒隨Al2O3含量的增加而逐漸減小.這是由于在燒結時,Al2O3顆粒能夠釘扎晶界,阻礙晶界運動,抑制晶粒長大,從而保持晶粒的高溫穩(wěn)定性,且效果隨Al2O3顆粒的增加而更加明顯,最終提高了Mo-W-Co合金基體的硬度和耐磨性[11].

圖1　不同Al2O3含量合金試樣金相組織

圖2是不同Al2O3含量試驗合金的洛氏硬度值(HRC)的變化.結果表明:6組不同Al2O3含量合金試樣的洛氏硬度值呈現(xiàn)先增后減的趨勢.當wAl2O3為0%～2%時,對合金試樣的硬度影響非常明顯,隨Al2O3含量的增加硬度明顯提高;在wAl2O3>2%后,合金試樣硬度隨Al2O3含量的增加而增加的幅度減緩;當wAl2O3=5%時,合金試樣硬度達到最高值.隨后合金試樣硬度隨Al2O3含量的增加而呈現(xiàn)下降趨勢.通過上述分析得出:在一定范圍內(nèi),Al2O3的摻入提高了合金的硬度.隨著Al2O3含量的增加,合金硬度逐漸增加.其強化機制包括:(1) Al2O3的加入細化了晶粒,起到了細晶強化的效果;(2) Al2O3顆粒能增加鉬基體的位錯密度,在其周圍產(chǎn)生應力場,引起應力集中,釘扎位錯,阻礙位錯的運動,從而對基體起到強化作用[12].而當Al2O3含量過高時,Al2O3顆粒會出現(xiàn)偏聚富集,使合金脆性增大,硬度減小.

圖2　不同Al2O3含量合金試樣硬度曲線圖

2.2XRD分析

圖3為不含Al2O3及含Al2O3的試驗合金的XRD圖譜.對比圖3(a)和(b)可以看出,添加Al2O3的合金試樣生成了γ-Al2O3相,且峰強度較未添加Al2O3的合金試樣明顯降低.在對比Mo元素的標準峰時發(fā)現(xiàn),圖3(a)中Mo的峰值向左有一定的偏離.由布拉格方程2dsinθ=nλ可知,當θ減小時,d必定增大.由Mo、W、Co元素的原子半徑關系(rCo

圖3　不含Al2O3及含Al2O3 的試驗合金試樣XRD圖譜

2.3SEM和EDS分析

圖4為1#和5#合金試樣的SEM圖和能譜分析圖.從圖4(a)中可以看出,黑色顆粒成分主要是Mo、W和O三種元素,不含Al元素,故不存在Al2O3.不出現(xiàn)Co元素是由于Co與W形成了Co-W固溶相(μ相),而基體組織的成分主要是Mo、W兩種元素.從圖4(b)中可以看出,試樣的基體為Mo-W固溶體,顆粒為γ-Al2O3相,沒有其他相.且γ-Al2O3相主要分布在合金的晶界處和燒結孔周圍,極少分布在晶內(nèi).晶界組織的成分主要是Mo、O、W和Al四種元素,基體組織的成分主要是Mo、W和O三種元素,不出現(xiàn)Co元素是由于Co與W形成了Co-W固溶相(μ相),在SEM圖中不能顯現(xiàn)出來.

圖4　1#和5#合金試樣SEM照片及能譜分析

通過上述測試及分析可知,這些孔洞是試樣在拋光過程中Al2O3的剝落造成的,2#～6#試樣也出現(xiàn)了這一現(xiàn)象.另外,試樣在真空燒結過程中也會因球磨時添加的黏結劑受熱揮發(fā)而殘留少量孔洞[14],如圖1(a)所示.經(jīng)金相組織觀察、XRD、EDS分析,最終確定1#合金試樣金相照片中黑色顆粒或孔洞是Co或黏結劑熔化揮發(fā)形成的;5#合金試樣金相照片中黑色顆粒或孔洞是Al2O3顆粒或Al2O3脫落后留下的孔洞.

2.4Al2O3對合金耐磨性的影響

圖5是不同Al2O3含量的合金試樣,在相同試驗條件下干摩擦20 min內(nèi)進行耐磨損測試的試驗結果.由圖5可知,合金試樣在沒添加Al2O3時,其磨損量最多;當合金中添加了一定量的Al2O3之后,試樣磨損量有明顯降低.其中wAl2O3為0.5%～2.0%時,合金磨損量隨Al2O3含量的增加而下降;wAl2O3為2.0%～5.0%時,合金磨損量隨Al2O3含量的增加而下降趨于平緩,且在wAl2O3=5%時,合金磨損量最少;當合金中wAl2O3>5%時,合金磨損量隨Al2O3含量的增加而增多.

圖5　不同Al2O3含量合金試樣磨損量分布曲線圖

這是因為隨著Al2O3含量(一定范圍內(nèi))的增加,Al2O3顆粒使得摩擦表面的支撐點增多,支撐點承受了較多載荷,減少了摩擦副之間的直接摩擦,降低了材料的摩擦系數(shù)[15-16].

3結論

(1) 在Mo-W-Co合金中添加Al2O3能夠提高合金的硬度.

(2) 在一定范圍內(nèi)提高合金中Al2O3的含量,合金的硬度隨Al2O3含量的增加而提高,在wAl2O3<5%時,合金的硬度隨Al2O3含量的增加而提高;當wAl2O3>5%時,合金的硬度達到最大值;當Al2O3的含量超過5%時,合金的硬度隨Al2O3含量的增加而降低.

(3) Al2O3能提高Mo-W-Co合金材料的耐磨性能,在一定范圍內(nèi)隨著Al2O3含量的增加,合金材料的耐磨性能越好,在wAl2O3=5%時,合金材料的耐磨性能達到最佳.

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Effect of Al2O3on Mechanical Properties of Mo-W-Co Superalloy

ZHONG Jianhua, JIANG Zhiping, YU Xiangyang, LIU Fang

(School of Material Science and Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China)

Abstract：This paper aims to study the effect of Al2O3 on Mo-W-Co super alloy’s hardness and wear ability by changing the percentage of Al2O3in Mo-W-Co super alloy.Mo-W-Co-Al2O3super alloy was prepared by ball milling,press forming and vacuum sintering,the phase structure,profile and particle size of which were analyzed by XRD,SEM and metallographic microscope,and the hardness and wear ability of which were tested.The results showed that the addition of Al2O3 into Mo-W-Co super alloy can improve its hardness and wear ability.When the percentage of Al2O3increased to 5%wt,its hardness and wear ability reached the highest level.During vacuum-sintering,Al2O3turns into γ-Al2O3 phase in super alloy,which acts as the key phase to exert an effect on the microstructure and mechanical properties of the super alloy.

Keywords：Al2O3; Mo-W-Co; super alloy; hardness; wear ability; γ-Al2O3

中圖分類號：TG 135.5

文獻標志碼：A

作者簡介：鐘建華(1956—),男,教授,主要從事難熔金屬和表面處理等方面的研究. E-mail: 164703323@qq.com

基金項目：國家國際科技合作專項(2011DFR50970)

收稿日期：2015-05-17