為進(jìn)一步提高燃燒效率、降低整機(jī)質(zhì)量、減少碳排放量，先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)渦輪前進(jìn)氣和燃?xì)廨啓C(jī)透平溫度不斷提高，這對機(jī)組結(jié)構(gòu)部件的力學(xué)性能和承溫能力提出了更高的要求。鎳基高溫合金因其具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度、良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能等特點，在現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)和燃機(jī)中得到廣泛應(yīng)用，用材重量占比達(dá)到50%以上。自19世40年代前后鎳基合金研發(fā)至今，成分優(yōu)化始終是鎳基高溫合金性能提升的重要技術(shù)途徑之一。鑄造鎳基合金成分演化可歸結(jié)為3個方向：其一，適當(dāng)降低Cr含量和提高W、Mo等奧氏體強(qiáng)化元素含量，以鑄造葉片用高溫合金為代表；其二，大幅降低Cr含量，提高Al、Ti、Nb、Ta等g￠相形成元素含量、添加Re和Ru等高熔點元素，以定向凝固和單晶高溫合金為典型代表；其三，低偏析合金，以K438G為代表。在有據(jù)可查的197種鑄造高溫合金中，添加Co元素的合金達(dá)到158種。目前發(fā)展而成的定向凝固和單晶高溫合金中均含有Co元素，且其含量4%~11%。

      通常認(rèn)為，Co通過固溶強(qiáng)化、降低g相基體的堆垛層錯能等作用提高鎳基高溫合金的強(qiáng)度。Co還可以通過降低溶解度和錯配度來降低粗化速率，增加g￠強(qiáng)化相的穩(wěn)定性。新近研究顯示，在高Ti/Al比的K4750合金中添加4%的Co可延緩MC的退化，抑制h相形成。然而，Co元素的電子空位數(shù)(Nv)為1.71，約為Ni的電子空位數(shù)(Nv=0.61)的2.8倍，因此過量添加Co促進(jìn)s、Laves等拓?fù)涿芘畔?TCP)相析出，降低了鎳基合金的組織穩(wěn)定性�？紤]到承壓部件對合金抗大氣氧化和熱腐蝕性能的要求，以Ni-(15-20)%Cr合金為基礎(chǔ)發(fā)展承溫能力優(yōu)于K4169合金(對應(yīng)于Inconel718合金)是我國先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)渦輪和燃?xì)廨啓C(jī)用鑄造高溫合金重要發(fā)展方向。

隨著鎳基合金應(yīng)用的深入發(fā)展，Ni、Co、Cr、W、Mo、Re等關(guān)鍵元素價格逐步提升，使得部件制造成本提高。如何降低制造成本成為鑄造鎳基高溫合金應(yīng)用的關(guān)鍵問題之一。鑒于Co對鑄造鎳基合金組織影響的雙重性，如何高效、合理利用Co的有益作用，消除或減小Co的不利影響，是鑄造鎳基合金成分優(yōu)化的重要研究課題。

      太原科技大學(xué)&中國科學(xué)院金屬研究所聯(lián)合研究團(tuán)隊在2023年第43卷第08期《特種鑄造及有色合金》期刊上發(fā)表了“Co對鑄造鎳基高溫合金影響研究進(jìn)展”的文章。文章指出鎳基高溫合金擁有優(yōu)異的熱強(qiáng)性和服役穩(wěn)定性，是使用最廣泛的高溫合金。鎳基合金發(fā)展初期便加入鈷(Co)元素來改善合金性能，但目前Co在鎳基合金中的作用仍存在爭議。通過匯總分析Co對鎳基高溫合金顯微組織、相析出特征、組織穩(wěn)定性及力學(xué)性能的影響，從直接作用和間接作用兩個角度對Co作用機(jī)制進(jìn)行了探討，并討論節(jié)Co和代Co的可能性，以期為新型鎳基高溫合金的研發(fā)以及含鈷鎳基高溫合金的應(yīng)用提供參考。

【研究內(nèi)容】

1 Co對鑄造鎳基合金電子空位數(shù)的影響

采用電子空穴理論分析了我國研制的37種含Co的鑄造鎳基合金電子空位數(shù)，高Cr、W、Mo含量的鑄造鎳基合金的Nv值隨著Co含量增加而明顯增大，超過了臨界值(2.45~2.50)，使得合金組織中形成TCP相的概率增大，組織穩(wěn)定性降低。在多數(shù)低Cr含量的定向和單晶鎳基合金也具有較高的TCP相析出傾向，除了W、Mo元素本身的影響外，添加Co是引起的Nv值增加是主要原因。在保持Cr含量不變時，降低Co含量是高穩(wěn)定性的單晶鎳基合金的潛在發(fā)展方向。

對于Ni-(15~20) Cr基合金，降低Co含量不僅有助于減小Nv而提高組織穩(wěn)定性，也為W、Mo等固溶強(qiáng)化元素含量提升創(chuàng)造了條件。以Inconel939等軸晶鑄造合金為例，當(dāng)Cr、Ti、Al、W、Ta、Nb、B和C含量分別為20%、3.65%、2.0%、2%、1.45%、1.0%、0.01%和0.15%時，隨著Co含量從20%降低到10%，Nv從2.49減小到2.30。為了抑制TCP相形成，以Nv低于2.45為判據(jù)，適宜的Co含量應(yīng)當(dāng)控制在16%以下，低于Inconel939合金現(xiàn)行的18.0-20.0%控制范圍。當(dāng)Co含量降低到10%以下時，固溶元素W的添加量可以提高到4%以上而不引起TCP相形成，這對增加奧氏體基體的高溫強(qiáng)度有利。鑒于30%~45%的W元素進(jìn)入g￠相，且W的擴(kuò)散速率較小，因此通過提高合金中W含量來促進(jìn)g￠相體積分?jǐn)?shù)增加和降低粗化速率，有助于彌補(bǔ)Co含量降低對長時高溫強(qiáng)度的不利影響。

2 Co對堆垛層錯能的影響

Co與Ni原子直徑差僅為1%，因此Co進(jìn)入Ni基固溶體中，產(chǎn)生的晶格畸變較小。但Co可以顯著降低基體的堆垛層錯能，增加晶面發(fā)生錯排的幾率，從而促進(jìn)基體中層錯的形成。MA S等指出，蠕變過程中UMF單晶合金(成分為Ni-6Al-5.7Ru-8Ta-4.5Re-3W-6.7Cr)中的層錯密度隨著Co含量增加而增大。隨著Co含量增大，Ni合金、Ni-13.5%Cr合金和Ni-20Cr-20W合金室溫層錯能減小，見圖2。層錯密度增大使得位錯的運動阻力升高，從而提升了合金固溶強(qiáng)化效果。其次，層錯能降低使得層錯區(qū)的寬度增加，寬度區(qū)較大的層錯會阻礙位錯交滑移的進(jìn)行，延緩持久滑移帶的形成，顯著提高合金的持久壽命和蠕變性能。

應(yīng)當(dāng)指出的是，Co對Ni和鎳基合金高溫錯層能得影響與其在室溫下的表現(xiàn)存在差異。計算模擬指出，在427~827 oC范圍內(nèi)，Co對純Ni錯層能的影響減小，不同Co含量的Ni-Co合金層錯能與純Ni的層錯能(約127.37 mJ/m2)接近。隨著溫度從760 oC升高到1 080 oC，Ni-6Al-1Co合金的層錯能從73.1 mJ/m2增加到193.2 mJ/m2。高溫條件下，具有復(fù)雜化學(xué)成分的Ni基合金層錯能變化規(guī)律與Co含量的關(guān)系未見文獻(xiàn)報道。開展不同Co含量的Ni-(15~20) Cr基鑄造高溫合金高溫層錯能理論分析和試驗研究，有助于理解層錯能對鎳基合金高溫組織演化和蠕變強(qiáng)度的影響，豐富鎳基合金成分設(shè)計理論。

3 Co對高溫合金中相析出行為的影響

不同鑄造鎳基合金中g(shù)￠相尺寸與Co含量關(guān)系見圖3。在GTB-111、Inconel738和Refractoloy26等鑄造合金中Co同樣表現(xiàn)出細(xì)化g￠相的有益影響。KORTHAMNIWET W認(rèn)為Co通過減小g￠相臨界成核半徑而使g￠相尺寸減小。另一方面，Co通過降低g￠相溶解溫度，促使低Co合金中g(shù)￠相在高溫析出，使得g￠相生長時間相對延長而獲得較大的顆粒尺寸。Co的添加使得W、Mo、Cr、Re等固溶元素在奧氏體基體中的溶解度減小，且使W和Re向g￠相內(nèi)富集，從而降低了g￠/g的錯配度，因此高Co含量的合金中g(shù)￠相立方度降低。

Co影響合金中g(shù)￠相析出量。TIAN C G等通過測量3種Co含量鎳基合金g￠體積分?jǐn)?shù)得出，大尺寸g￠體積分?jǐn)?shù)減少，而兩種小尺寸g￠的體積分?jǐn)?shù)增加，結(jié)果見表1。這是由于Co降低了g￠相的溶解溫度，因此形成大量未溶解的g￠相長大為粗大的一次g￠相。在Mar-M247合金中，g￠相的析出量是隨Co含量的增加而增加的。然而，史振學(xué)等關(guān)于DD15單晶合金組織的影響研究顯示出Co對g￠相析出的抑制作用，隨著Co含量增加，g￠相析出量減少。g￠相的析出量主要取決于Al、Ti在基體的溶解度和Ni的含量，添加Co降低了Al和Ti在基體中的溶解度，從而增加了g￠相的沉淀。然而，合金中加入大量Co使得Ni含量相對降低，而引起Ni對g￠相析出和長大的促進(jìn)作用減小，因此Co對g￠相體積分?jǐn)?shù)的影響取決于其與Ni的交互作用。

Co對g￠相溶解溫度的影響與合金體系相關(guān)。在g￠相體積分?jǐn)?shù)較低的合金中，Co可降低Al在基體的溶解度，使更多Al進(jìn)入g￠相而提升其溶解溫度。對于g￠相體積分?jǐn)?shù)較大的合金，特別是定向凝固和單晶合金，Co進(jìn)入g￠相后的影響更大，因此會降低溶解溫度。因此在這種交叉影響下，就出現(xiàn)3種情況,在g￠相體積分?jǐn)?shù)較低的Nimonic80合金中添加19.5%Co促使Al進(jìn)入g￠相，使得g￠相溶解溫度從840~880 oC升高到900~940 oC；g￠相體積分?jǐn)?shù)適中的鎳基合金處于交叉影響的結(jié)合點，加Co對g￠相的固溶溫度不明顯。但李玉清等發(fā)現(xiàn)，Co進(jìn)入g￠相置換出Ni可提高其固溶溫度。

在第3代鎳基單晶合金和IN738合金中，Co降低溶質(zhì)原子在基體的擴(kuò)散系數(shù)，延緩g￠相的粗化生長。SHI Q Y等在研究Co對含Ru鎳基單晶合金相穩(wěn)定性時發(fā)現(xiàn)，Co通過降低Cr、Mo、W、Re的分配比而使晶格錯配度減小，進(jìn)而降低g￠相粗化傾向。然而，WANG W Z等研究顯示相反的影響效果，含Re單晶鎳基合金中添加Co使擴(kuò)散系數(shù)增大而促進(jìn)g￠相粗化速率增大。

Co減少了Rene26合金中碳化物析出總量和晶界M23C6析出量，提高了MC型碳化物的穩(wěn)定性。BERTHOD P等發(fā)現(xiàn)，Co使Ni-Cr-Ta合金中TaC與Cr7C3析出量的比值增大，且這種現(xiàn)象隨著時效而趨于顯著。LI X X等關(guān)于K4750合金的研究顯示發(fā)現(xiàn)，添加4%Co使Ti在基體中的溶解度增大，從而延遲了時效過程中MC分解引起的h相形成，不僅提高了組織穩(wěn)定性，而且使持久性能提高。

如前所述，Co的電子空位數(shù)(Nv)比Ni的大，降低鎳基合金中Co的加入水平對其顯微組織穩(wěn)定性有益。BüRGEL R等指出，不含Co的定向鎳基合金中無TCP相形成，而含4%Co合金具有組織失穩(wěn)傾向。與此相反，SHI Q Y等和NARARAK A等發(fā)現(xiàn)，添加Co通過改變Cr、Mo和W等TCP形成元素在基體和g￠相之間的分配行為，降低了上述元素在單晶合金g基體中的過飽和度，進(jìn)而抑制了TCP相的形成。Co可以使g基體中更多元素反向進(jìn)入g￠相。WANG W Z 等認(rèn)為Co的加入促進(jìn)擴(kuò)散過程，抑制了TCP相形成。Co可以加速高溫下的擴(kuò)散過程。

Co對TCP相的形成也與合金體系密切相關(guān)，圖4為兩種合金體系中1.0 pct體積分?jǐn)?shù)TCP沉淀物的TTT曲線�？梢钥闯�，Ni-Cr-Mo合金中Co促進(jìn)m相形成，Ni-Cr-Re合金中Co抑制s相沉淀。顯然在不同合金體系添加Co元素，結(jié)果可能截然相反。

4 Co對高溫合金力學(xué)性能的影響

隨著Co含量提高，IN713LC鑄造合金室溫屈服強(qiáng)度(YS)和抗拉強(qiáng)度(UTS)降低，而延性增加了。YUAN Y等指出，添加Co對U720Li合金650℃以下的屈服強(qiáng)度沒有明顯影響，但使650~800 ℃屈服強(qiáng)度提高。Co對Mar-M247合金649~982 oC下的拉伸性能沒有明顯影響。在一些研究表明，合金中Co含量較高時會在中溫下形成微孿晶，表現(xiàn)出屈服強(qiáng)度提升和中溫脆性(ITB)。

Co對鑄造鎳基合金高溫蠕變性能有益。隨著Co含量增加，Mar-M247合金中g(shù)￠相體積分?jǐn)?shù)增大，晶界碳化物由薄膜狀向顆粒狀轉(zhuǎn)變，使得添加10%Co的Mar-M247合金在760oC/690MPa、871oC/414MPa和871oC/359MPa條件下的穩(wěn)態(tài)蠕變速率比不含Co的合金明顯減小，相應(yīng)地蠕變斷裂壽命比不含Co的合金提高約1.9倍、2.8倍和3.2倍。在Refractoloy26合金中，隨著Co含量從0增大到20%，565oC/608-726MPa條件下的穩(wěn)態(tài)蠕變速率減小3.5~4.5倍，相應(yīng)的蠕變斷裂壽命延長約4倍，見圖5。添加4%Co通過促進(jìn)g￠相中Al、Ti和Nb濃度升高而使得K4750合金在750oC/430MPa添加下的蠕變斷裂壽命比無Co合金增加約100 h。在新型Ni-18%Cr-Ti-Al鑄造合金中，隨著Co含量增加，合金在870 oC/255 MPa添加的持久壽命按照8h/1%Co速率遞增，見圖6。

FCC結(jié)構(gòu)金屬材料的穩(wěn)態(tài)蠕變速率方程可以表示為，

式中，是穩(wěn)態(tài)蠕變速率，A、m和n是常數(shù)，g是堆垛層錯能，s是外加應(yīng)力，E是楊氏模量，D是擴(kuò)散系數(shù)。通常認(rèn)為，添加Co使鎳基合金層錯能降低，使層錯或微孿晶穿過g基質(zhì)和g￠相沉淀，提高合金的蠕變阻力，蠕變有效應(yīng)力減小，是含Co合金蠕變速率減小和蠕變斷裂壽命增加的主要原因。圖7為Co對Refractoloy26合金和K4750合金楊氏模量的影響�？梢钥闯觯�隨著Co含量增加，Refractoloy26合金和K4750合金室溫和高溫楊氏模量(E)增大，使得蠕變內(nèi)摩擦力增加，也是含Co合金蠕變斷裂壽命增加的原因。此外，MAURER G E等發(fā)現(xiàn)，添加Co的合金中g(shù)￠相體積分?jǐn)?shù)增加，晶界碳化物形貌發(fā)生變化，是waspaloy合金蠕變性能提高的重要原因。

目前，對無Co合金的研制也越來越多。法國研制的無Co合金MN-NG為第4代鎳基單晶，除保持較高的高溫強(qiáng)度外，其特定條件下的蠕變性能與第3代單晶合金CMSX-10和René N6相當(dāng)。之前的研究表明，無Co單晶鎳基合金TMS-6與TMS-12具有優(yōu)異的蠕變壽命，且比同為第1代鎳基單晶合金Nasair100的蠕變壽命高出2-3倍。同時，TMS-12合金的蠕變壽命只比含8%Co合金TMS-35略低，Co在中溫蠕變性能提升并不明顯。目前，第6代鎳基單晶合金TMS-238的改性研究中表明，無Co的TMS-238改性合金的蠕變壽命比TMS-238合金更長，但Co對蠕變壽命的影響機(jī)制尚不明確。由此可見，由此可見Co元素對改善合金蠕變壽命和蠕變性能并不總是必須的。

【結(jié)論與展望】

Co對鎳基合金組織和力學(xué)性能的影響及其作用機(jī)制還存在不足之處，尤其是關(guān)于Co與層錯能關(guān)系的研究有待擴(kuò)展到高溫。通常認(rèn)為的Co對鎳基合金基體層錯的減小作用可能只適合于中低溫下，在高溫下起到的作用就變小了。同時，Co的固溶強(qiáng)化作用弱于W、Mo，而其對晶界碳化物的影響也較B、Hf等小。在延緩g￠相粗化方面，錸(Re)作用比Co更為明顯。最后，隨著合金體系的不同，Co對TCP相的影響也會出現(xiàn)明顯差別。雖然Co在鑄造鎳基合金蠕變性能的有益得到廣泛認(rèn)同，然而由于Co元素儲量較少、價格昂貴，在確保合金性能的前提下，降低Co含量或開發(fā)低Co含量的鑄造鎳基合金，是高性能鑄造鎳基合金設(shè)計、制造和應(yīng)用的發(fā)展方向之一。得出如下結(jié)論：

 (1)在減小Nv來提高組織穩(wěn)定性方面，降低合金中Co含量是有益的。保持Cr含量不變時，降低Co含量有助于抑制TCP相析出，提高W、Mo、Re等強(qiáng)化元素含量上限。此外，Co對TCP相的形成與合金體系及其Co含量密切相關(guān)。

(2)Co降低鎳基合金室溫層錯能，提高了固溶強(qiáng)化效果。而其對高溫層錯能的影響未有明確定論，尤其是復(fù)雜成分鎳基合金中Co與層錯能的關(guān)系有待系統(tǒng)研究工作。

(3)Co使g￠相顆粒細(xì)化，立方度略降低，形貌趨于球化。在Ni含量較高時，少量Co可提高g￠相的析出量。同時，Co可影響其他元素分配或擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)而影響g￠相粗化速率。此外，Co對g￠相溶解溫度的影響與合金體系相關(guān)，在體積分?jǐn)?shù)較低的合金中添加Co使g￠相溶解溫度升高，體積分?jǐn)?shù)較大的定向凝固和單晶合金中Co降低了g￠相溶解溫度，g￠相體積分?jǐn)?shù)適中的鎳基合金中相溶解溫度不隨Co含量變化而明顯增減。

(4)Co使MC型碳化物含量增加，晶界M23C6等其他碳化物析出量減少。此外添加少量Co可延緩了MC分解反應(yīng)，提高M(jìn)C穩(wěn)定性。

(5)Co對拉伸性能的影響較小，而對高溫持久蠕變性能具有有益影響。添加Co降低層錯能、促進(jìn)g￠相析出和改善晶界碳化物形貌是鎳基合金持久蠕變性能提高的主要原因。但一些無Co單晶合金仍具有較好的蠕變性能，可見開發(fā)無Co合金是可行的。