Al⁃W合金燃料的氧化过程及性能提升机理

为阐明Al‐W合金燃料氧化性能的提升机理,结合铝热还原与超高温气雾化法制备Al‐20W与Al‐30W合金燃料,并通过热重/差热热分析、X射线衍射仪、扫描电子显微镜/能量色散谱仪对其氧化过程进行研究。结果表明,Al‐20W与Al‐30W合金燃料均含有亚稳态Al/W合金相,随温度升高Al/W合金相的种类与形态发生转变。2种合金燃料具有优于单质Al燃料的氧化性能,分别在1300℃与1500℃完全氧化,氧化产物WO_(3)全部挥发。W的存在提升了Al‐W合金燃料的氧化性能,机理为WO_(3)的挥发提供O_(2)扩散进入颗粒内部的通道;WO_(3)作为“氧运输船”向单质Al传输O,促进单质Al的氧化;WO_(3)发生进一步的化学反应,最终以气态形式挥发,促进含W相的氧化。

球形Al-25W合金燃料粉末的氧化行为与能量性能

为了获得热氧化与能量释放性能优异的新型合金燃料,采用铝热还原与超高温气雾化结合的方法,制备了球形铝钨合金燃料粉末(Al-25W),对其物相结构、氧化行为及能量性能进行了研究。结果表明,球形Al-25W合金粉末颗粒内部的亚稳态Al/W合金相均匀分布在单质Al基体中,且通过稳定化处理后亚稳态Al/W合金相转变为Al12W相,并对外释放能量。球形Al-25W合金粉末具有比单质Al粉更高的氧化放热量与氧化增重,能在1400℃空气中完全氧化,且W原子全部氧化为WO3并以气态形式挥发,残留氧化产物仅为Al2O3。球形Al-25W合金粉末的实测体积燃烧焓超过单质Al粉的理论体积燃烧焓(83000 J·cm^(-3)),可达(83132.1±608.5)J·cm^(-3),且剧烈燃烧时生成气态燃烧产物WO3。

w(Zn)/w(Mg)对Al-Zn-Mg合金组织和力学性能的影响

借助金相显微镜(OM)、透射电子显微镜(TEM)、维氏硬度计和电子万能试验机研究了w(Zn)/w(Mg)对新型Al-Zn-Mg合金组织和力学性能的影响。研究结果表明:当Zn、Mg总含量相近时,w(Zn)/w(Mg)降低,则Al-Zn-Mg合金的硬度提高,峰值时效时间缩短。当Zn、Mg总量减少,且w(Zn)/w(Mg)减小时,意味着合金中Mg含量相对较高,这同样提高了合金的峰值硬度,缩短了峰值时效时间。随着w(Zn)/w(Mg)从11.4降至6.1,合金晶内η′相数量密度增大,平均直径减小,η′相数量密度从66521μm^(-3)增加至118142μm^(-3),平均直径从4.3 nm降低至3.7 nm,合金的拉伸强度随之提高。当w(Zn)/w(Mg)为6.1时,合金T6态的抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为447 MPa、397 MPa和18.9%。

FeCoNiCrCu高熵合金涂层对复合铸造Al/Mg双金属组织和性能的影响

目的研究不同厚度的FeCoNiCrCu高熵合金涂层对Al/Mg双金属组织和力学性能的影响。方法通过超音速火焰喷涂工艺在A356嵌体表面喷涂不同厚度的FeCoNiCrCu高熵合金涂层,采用消失模复合铸造工艺制备Al/Mg双金属,利用扫描电镜、EDS能谱及XRD衍射仪、维氏硬度测试仪和万能试验机对Al/Mg双金属界面微观组织和力学性能进行测试和分析。结果未喷涂高熵合金涂层的Al/Mg双金属界面由共晶层和金属间化合物层组成,断裂位置主要位于金属间化合物层,裂纹从Al_(3)Mg_(2)扩展至共晶层结束,具有典型的脆性断裂特征,剪切强度仅为30.37MPa。当高熵合金涂层厚度为5μm时,Al/Mg双金属形成了Al_(3)Mg_(2)+Mg_(2)Si/AlxFeCoNiCrCu+FeCoNiCrCu+Al-Mg-Co-Ni混合相/δ-Mg+Al_(12)Mg_(17)共晶组织的复杂界面,断裂发生在高熵合金层与δ-Mg+Al_(12)Mg_(17)共晶组织的交界处,断裂面产生了一定程度的塑性变形,剪切强度为48.46MPa,相对于无涂层的Al/Mg双金属提高了59.56%。当高熵合金涂层厚度为20μm时,铝侧生成了AlxFeCoNiCrCu高熵合金,镁侧则只生成了少量Mg-Ni-Cu混合相,断裂发生在高熵合金涂层与镁基体交界处,剪切强度为39.69 MPa。结论高熵合金涂层可以有效阻碍Al、Mg元素之间的扩散,从而显著抑制或完全阻止Al-Mg脆性金属间化合物的产生,大幅度降低界面层厚度。金属间化合物的减少和混合相对裂纹扩展的阻碍作用显著提高了Al/Mg双金属界面的剪切强度。

元素W,Co对Ni-Al合金层错能的影响

运用置换原子计算层错能的热力学模型,计算了Ni-Al-W,Ni-Al-Co合金的层错能。分析了W,Co元素对Ni-6Al合金,Al元素对Ni-5W,Ni-5Co合金层错能的影响。结果表明:随温度升高,合金的层错能提高。随着W,Co质量分数提高,Ni-6Al-xW,Ni-6Al-xCo合金的层错能均提高;随元素Al质量分数的增加,Ni-5Co,Ni-5W合金层错能降低。

一种W-Ni-Al-Fe系易碎钨合金材料的研究

研究了一种W-Ni-Fe-Al系易碎穿甲弹芯材料,该材料采用冷等静压成型和液相烧结工艺制备。经金相检验和拉伸断口扫描电镜分析,该材料在烧结过程中可形成Al2O3脆性壳体分布于黏结相中,起到降低抗拉强度、提高弹芯破碎性的作用。性能测试表明,该材料与相同钨含量的93W-Ni-Fe合金相比,动态压缩强度相当,而静拉伸强度下降了约200MPa,延伸率下降了约20%。

合金元素对Co-Al-W合金高温氧化行为的影响

研究新型Co-Al-W合金在800和900℃空气中氧化动力学及元素Mo、Nb、Ta和Ti对合金高温氧化行为的影响。结果表明:在800℃氧化100 h后,Co-8.8Al-9.8W(摩尔分数,%)和Co-8.8Al-9.8W-2Ta合金的质量增加较小,表明其抗高温氧化能力较强;在900℃氧化时,Co-8.8Al-9.8W-2Mo、Co-8.8Al-9.8W-2Nb、Co-8.8Al-9.8W-2Ta和Co-8.8Al-9.8W-2Ti合金的质量增加小于Co-8.8Al-9.8W合金的,表明加入合金元素可以提高合金的抗高温氧化能力;在不同温度下,Co-Al-W合金氧化膜表面出现团聚、开裂和脱落现象;氧化膜分为3层,外层为Co3O4氧化物,中间层为W、Al和合金元素的复杂氧化物,内层为Co和Al的氧化物。从合金氧化动力学曲线来看,在800℃时合金元素增强Co-Al-W合金抗高温氧化能力由强至弱依次为Ta、Ti、Mo、Nb;在900℃时按Ti、Ta、Mo、Nb顺序依次减弱。

少量钨对铸态及均匀化处理态Ti-Al-Nb-B-W合金微观组织的影响

对铸态及经过热等静压和均匀化处理后Ti-Al-Nb-B-W合金的微观组织进行了观察和分析,研究了元素钨对Ti-Al-Nb-B-W合金的铸态及均匀化处理态微观组织的影响。结果发现:随着钨含量的增加,Ti-Al-Nb-B-W合金铸态组织中的非平衡状态加剧,网状组织和胞状组织越来越发达;随着钨含量的增加,Ti-Al-Nb-B-W合金铸态组织中的显微缩松有增多的趋势;在Ti-Al-Nb-B-W合金的均匀化处理过程中发生了非连续粗化,钨不影响γ等轴晶的形核位置与尺寸,但影响其形核率,随着钨含量的增加,γ等轴晶的体积分数有增加的趋势;Ti-Al-Nb-B-W合金经过均匀化处理后,随着钨含量的增加,其片层组织更加完善,片层间距更加细小;Ti-Al-Nb-B-W合金经过均匀化处理后,随着钨含量的增加,β(B2)相析出的量更多。

合金元素钨对新型Co-Al-W合金热腐蚀行为的影响

研究Co-Al-W和商用MAN900合金在800℃75%Na2SO4+25%NaCl混合熔盐中的腐蚀动力学及热腐蚀行为。结果表明:7.5 W、9.8 W和10.7 W合金经热腐蚀后质量增加量比MAN900合金的质量增加量少,Co-Al-W合金的耐热腐蚀能力比MAN900合金的耐热腐蚀能力强。Co-Al-W合金在熔盐中腐蚀膜结构分成3层,即呈蓬松状由富钴氧化物Co3O4组成的腐蚀膜最外层,由Co、Al、W复杂氧化物组成的中间过渡层和主要由Al及Co氧化物组成较致密的腐蚀膜内层。随着腐蚀时间的增加,合金腐蚀膜最外层由于脱落逐渐变薄;中间过渡层厚度逐渐增加,该层中各元素分布趋于均匀、稳定;腐蚀膜内层致密性增加使该层增厚不明显。

Al-W二元系的机械合金化

用机械合金化方法由元素粉末制备了Ａｌ１ － ｘ Ｗｘ（ ｘ ＝ ０ ．１ ，０ ．２ ，０ ．５ ，０ ．９） 合金。用Ｘ 射线衍射法对球磨后的粉末进行了分析， 并用扫描电镜和透射电镜观察了形貌并研究了晶相结构。结果表明， 球磨后Ａｌ 在Ｗ 中的固溶度大大扩展， 但球磨到２５０ｈ 该系统仍未形成非晶； Ａｌ０ ．５ Ｗ０ ．５ 粉末经２５０ ｈ球磨后出现一结构为体心四方的新相。

Al-W合金粉末冷热压制坯工艺与坯块热变形行为研究

试验研究Al、W粉末按比例混合,冷压、热压制成Al-W粉末合金坯块的工艺,确定冷压、热压工艺参数,压制坯块的致密度达到99.5%以上。采用Gleeble-1500热模拟试验机,对Al-W合金粉末压制坯块在变形温度420℃~570℃、应变速率0.001 s^-1~5 s^-1、最大变形程度为60%的条件下进行热压缩试验。分析变形温度和应变速率对Al-W粉末合金坯块高温塑性变形应力的影响,确定不同变形温度、不同变形速率下的峰值应力,计算Al-W粉末合金的变形激活能,为制定Al-W粉末合金塑性成形工艺提供理论依据。

挤压工艺参数对Al-W合金致密化和硬度的影响

通过Al-W粉末合金压制坯挤压变形,试验研究了挤压温度和挤压比对Al-W合金致密化和硬度的影响。结果表明:挤压温度升高和挤压比增大均对Al-W合金的致密化有积极作用,相对密度从热挤压前的0.943提升到0.9975,达到近致密状态。挤压温度和挤压比对Al-W合金硬度的影响较为复杂,挤压温度一定时,硬度随着挤压比的增大而增大;挤压比一定时,在较低的挤压比下,硬度随着挤压温度的升高先增大后减小,在较高的挤压比下,硬度随着挤压温度的升高先减小后增大。显微组织分析进一步表明,热挤压塑性变形显著提高了Al-W合金的致密度,在挤压温度为540℃,挤压比为35时得到平均晶粒细小的挤压态Al-W合金,其平均晶粒尺寸约为5μm。

304不锈钢基体激光熔敷Co-Al-W合金工艺优化

采用正交试验法研究了激光熔敷对304不锈钢基体上Co-Al-W合金熔敷层质量的影响,通过极差分析和方差分析,评价了激光熔敷工艺参数对熔敷层质量影响的显著程度,并对激光熔敷工艺参数进行了优化。结果表明,激光输出功率、扫描速度对熔敷层成形的影响显著,而搭接率的影响程度较小。对于Co∶Al∶W(原子比)为78∶12∶10的混合粉末,本试验条件下能够获得较好成形的激光熔敷工艺参数是:输出功率3 kW、扫描速度3 mm/s、搭接率10%。

Al 量对 Ni-Al-Hf-Cr-W 系合金显微组织结构的影响

研究了Ｎｉ－２０Ｈｆ－８Ｃｒ－８Ｗ－（４～６）Ａｌ系列合金的显微组织以及Ａｌ含量对共晶组织的影响，结果表明：此系列合金中，随着Ａｌ含量的微小变化，会析出不同的共晶组织；当Ａｌ含量大于５．５ｗｔ％时，出现（β－ＮｉＡｌ＋Ｎｉ７Ｈｆ２）或（γ′＋β－ＮｉＡｌ＋Ｎｉ７Ｈｆ２）共晶：当Ａｌ量小于５．５ｗｔ％时，会出现（γ′＋Ｎｉ７Ｈｆ２）、（γ＋γ′＋Ｎｉ７Ｈｆ２）或（γ＋Ｎｉ７Ｈｆ２）共晶组织。并且得出（Ｎｉ－２０Ｈｆ－８Ｃｒ－８Ｗ－５．３Ａｌ）ｗｔ％的合金具有（γ′＋Ｎｉ７Ｈｆ２）共晶，适宜选做为以Ｎｉ７Ｈｆ２增强的共晶复合材料的合金成份。

添加W对Ti-Al-Cr-Nb铸态合金高温变形的影响

通过非自耗电弧熔炼及氩气保护浇铸方法,合成不同W含量的Ti-Al-Cr-Nb合金。采用高温拉伸测试及显微组织观察,研究添加W对Ti-Al-Cr-Nb铸态合金的显微组织及其高温变形影响。研究结果表明:W的添加使Ti-Al-Cr-Nb合金的铸态组织得到细化;在800℃时基体合金的伸长率从0.62%提高到90%;在高温变形过程中,添加W使Ti-Al-Cr-Nb铸态合金的最大伸长率从620%降低到200%,而最大伸长率相应的温度从850℃增大到1 050℃。不同W含量的Ti-Al-Cr-Nb铸态合金在800～1100℃的高温变形机制主要是晶粒滑动,而添加W使晶粒滑动的协调过程由晶界扩散转化为体扩散。

挤压工艺参数对Al-W合金棒材强度和组织的影响

试验研究不同挤压温度和挤压比对Al-W合金棒材强度和微观组织的影响。结果表明:热挤压塑性变形能够显著提高Al-W合金棒材的致密度;在一定范围内提高挤压温度,试样在挤压过程中发生动态再结晶现象,晶粒得到显著细化;挤压比的增加使合金变形程度增大,变形流线细密,晶粒细化;在挤压温度540℃、挤压比35情况下得到平均晶粒细小的挤压态Al-W合金棒材,其平均晶粒约为5μm,抗拉强度达到479N/mm^2。并建立Al-W合金棒材的抗拉强度与挤压工艺参数的数学模型,该模型计算值与试验值的相对误差均小于5%,具有一定的工程应用价值。

TC4合金表面磁控溅射W-Al-N复合膜的摩擦磨损和高温抗氧化性能

目前,在WN中加入Al制备多元复合膜的研究国内外报道较少。通过射频磁控溅射法,以不同Al靶功率在Si(100)和TC4合金上制备了不同Al含量的W-Al-N复合膜。采用扫描电镜、能谱仪、X射线衍射仪、纳米压痕仪(CSM)、摩擦磨损试验机、高温氧化试验研究了W-Al-N复合膜的微结构、力学性能、摩擦磨损性能及高温抗氧化性能。结果表明:随着Al含量的增加,W-Al-N复合膜的择优取向发生变化,(111)和(220)衍射峰逐渐消失,复合膜主要呈(200)择优取向生长;复合膜的硬度先增加后减小,当Al含量为32.40%(原子分数,下同)时硬度达到最大值37 GPa,此时表征复合膜抵抗塑性变形能力的变量H^3/E^(*2)也达到最大值0.308;室温下,随Al含量的增加,W-Al-N复合膜的摩擦系数与单层WN薄膜的相比变化不大,磨损率先降低后增大,在硬度最大处得到磨损率最低值9×10^(-9)mm^2/N;W_(0.676)Al_(0.324)N复合膜的摩擦系数在200℃时降低,随后随温度的升高先增大后减小;Al的加入提高了复合膜的高温抗氧化性能,起始氧化温度由WN单层膜的400℃提高到复合膜的800℃。

Ni-Al-Hf-Cr-W系合金中相的金相显示

针对 Ni- Al- Hf- Cr- W系合金 ,对体系中会出现的各种相进行研究 ,根据它们的化学特性 ,寻找单相显示的不同方法 ,为合金设计及相的鉴别、分布以及相的定量分析提供条件。

温度对Co-8.8Al-9.8W-1.5Ta合金γ′相形貌和结构的影响

为了研究温度对Co-8.8Al-9.8W-1.5Ta合金中强化相γ′相形貌结构的影响,利用SEM、XRD、TEM等表征手段,对不同固溶温度下制备的合金Co-8.8Al-9.8W-1.5Ta中强化相γ′-Co3(Al,W)相的形貌以及结构进行研究。结果表明:不同温度下制备的合金析出物相相同,主要包括γ-Co、γ′-Co3(Al,W)、Co3Ta和CoCx相;合金的制备温度不影响其物相组成,但对合金强化相的形貌有很大的影响。制备温度为1300℃时,合金中γ′相的组织形貌保持高度立方状,温度过高或过低时都使γ′相形貌偏向于圆形;固溶温度会影响合金中晶体取向和Ta元素的分布。固溶温度为1300℃时,γ′-Co3(Al,W)相中Al和W的原子比趋向于1,而温度过高或过低时,都会加大W在γ′-Co3(Al,W)相中的原子占比,并且Ta元素主要分布在强化相γ′上。

Co-Al-W基高温合金发展概述

传统Co基高温合金的强化机制为固溶强化与碳化物强化,强化效果弱于Ni基高温合金中的有序相γ′强化,从而使得Co基高温合金的应用受到限制。直到2006年,在Co-Al-W三元相图中发现稳定的L12相——Co3(Al,W),这种新型γ′相强化的Co-Al-W基高温合金有以下特点:(1)含Ta合金熔点高于Waspaloy合金;(2)硬度与屈服强度不低于Ni基高温合金;(3)γ/γ′两相之间的晶格错配度与Ni基高温合金在数值上接近,符号上相反,而正的晶格错配度更有利于蠕变性能。综上所述,Co3(Al,W)相的发现为Co基高温合金的发展开辟了新道路。自2006年以来,针对Co-Al-W基高温合金的组织与性能进行了大量研究。Co-Al-W基高温合金的微观组织为γ/γ′两相,此外还会存在一些二次相,其中包括富集Al和Ti元素的B2-CoAl相、富集难熔元素的拓扑密堆相m-Co7 W6以及易在时效过程析出的c-Co3 W相。这些二次相通常在晶界析出,容易成为裂纹的发源地,同时会弱化固溶强化效果,对合金的高温性能不利。虽然Co-Al-W基高温合金得到了立方形态的γ′相共格析出,但由于γ′-Co3(Al,W)相高温稳定性差,需要对其进行合金化,因此,这种γ′相强化的Co基高温合金正在由简单的Co-Al-W三元合金发展成为复杂的多元合金。综合来看,主要添加的合金化元素有Ta、Ti、Nb、V、Mo、Ni和Cr。其中,γ′相形成元素包括Ta、Ti、Nb、V、Mo,这些元素的分配系数均大于1,且能有效提高γ′相固溶温度与体积分数;Cr、Fe、Re的分配系数小于1,是γ相形成元素,添加后均降低γ′相固溶温度,其中Cr会提高γ′相的体积分数。众多合金元素中,Cr、Mo和Ni元素的过量添加会降低γ/γ′两相间的晶格错配度,从而改变γ′相形态甚至破坏γ/γ′两相组织。合金的组织与性能密切相关,γ/γ′两相、γ′相为立方形态且γ′相高温稳定性高的合金具有优异的性能。Co-Al-W基高温合金的流变应力随温度变化分为三个阶段:首先随温度升高而降低;然后随温度升高而异常升高;最后再次随温度升高而降低。故而存在峰值温度与峰值强度,Co基高温合金多应用在峰值温度下,以便获得最高的屈服强度。此外,由于Co-Al-W基高温合金中γ/γ′两相晶格错配度为正,在蠕变过程中会出现平行于拉应力的筏化,对合金的高温性能有利。除了Ta、Ti等元素能强化合金外,少量B元素的添加有晶界强化作用,可以提高合金的力学性能。添加Cr元素的Co-Al-W基高温合金在高温氧化过程中会形成三层氧化层,分别是最外层的Al2 CoO4、富Cr并含有Cr2 O和Cr2 O3的中间层以及最内层的Al2 O3。其中Cr2 O3和Al2 O3氧化层均致密且具有保护作用,可显著提高合金的抗氧化能力。本文简单介绍了Co-Al-W基高温合金的发现与发展,综述了近年来Co-Al-W基高温合金的研究现状,并指明了未来Co基高温合金的发展方向。