摘要
钴基高温合金由于优异的耐高温腐蚀、耐热疲劳和焊接性能而广泛应用于航空喷气发动机、各种工业燃气轮机最热端部件。但传统钴基高温合金由于依靠固溶强化与碳化物强化的机制，导致其高温下承温能力较镍基合金差而限制了其应用。自2006年在Co-Al-W三元体系中发现具有与镍基高温合金相似的A3B型结构的γ′-Co3(Al,W)相以来，这一新型钴基高温合金开始受到国内外各学者的广泛研究。在长期的研究中发现，由于纯钴在常温下为密排六方晶体结构，独立滑移系较少而导致其室温塑性低。因此如何改善钴基高温合金的脆性本质，提高合金的加工变形能力是一个亟待解决的问题。 稀土元素由于其独特的电子结构和物化性能，目前已在镁铝合金和高熵合金中得到应用并显著改善合金的机械力学性能。基于此，本工作选择Co-8.8Al-9.8W为基础合金，从稀土元素的荷质比、极化程度、晶体结构和应用成本等四个方面综合考虑选择了Nd和Ce。通过真空电弧熔炼的方法制备目标合金Co-8.8Al-9.8W-x(Nd/Ce)(x=0,0.05,0.1,0.5,1,2,3at.%)。利用光学显微镜(OM)、X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱仪(EDS)、电子背散射衍射(EBSD)、透射电子显微镜(TEM)，研究微量稀土元素Nd和Ce加入后，Co-8.8Al-9.8W基础合金γ/γ''两相微观组织的演变、晶粒尺寸变化和晶界特征分布以及稀土元素在合金中的元素分布、存在形式和作用机理，并通过压缩实验了解合金在室温下的压缩行为。研究结果发现： Co-8.8Al-9.8W基础合金具有典型的γ/γ′两相组织结构，γ′相以立方状在Co基体上均匀析出。稀土元素Nd和Ce的加入不会改变合金的γ/γ′两相组织结构，合金晶界处的相组成为γ+Co3W+Co7W6。 稀土元素Nd和Ce在Co-8.8Al-9.8W合金中的存在形式主要有两种情况：一、Nd和Ce都会在合金晶界处有部分富集，从而对合金晶界起到净化作用。二、稀土Nd还以纳米氧化物Nd2O3的形式存在于合金γ/γ''两相中起弥散强化作用，而在掺Ce合金中，稀土Ce则显示出向γ''相中分配的趋势。 稀土元素Nd和Ce的加入均会细化Co-8.8Al-9.8W合金晶粒，从细化程度来看，Ce的细化效果更好。同时，Nd和Ce的加入也会改变Co-8.8Al-9.8W合金的晶界特征分布，Co-8.8Al-9.8W-x(Nd/Ce)各合金都显示出以Σ3为主的晶界特征分布，在掺杂稀土Ce的合金中Σ3晶界的频率随着Ce含量的增加而呈现出增加的趋势。 在室温压缩下，Co-8.8Al-9.8W合金的最大塑性应变量达到38.5%，极限抗压强度为2255.22MPa，合金以解离模式断裂。Co-8.8Al-9.8W-xNd(x=0.05,0.1,0.5,1,2,3at.%)合金的压缩应力-应变曲线显示，稀土Nd的加入提高了基础合金的弹性模量。各合金的极限抗压强度随Nd含量的增加先降低后上升，但与基础合金相比，整体呈现下降趋势。在Nd含量较高的0.5Nd，1Nd，2Nd和3Nd合金中，合金的断裂模式由单一的解离断裂转变为解离断裂加滑移分离的混合断裂模式。同样，掺杂稀土元素Ce的各合金弹性模量也明显大于基础合金。在屈服阶段，随着Ce含量的增加，各合金塑性阶段的应变量先增大后减少，在1Ce合金中的应变量最大，为48.4%。各合金的极限抗压强度随Ce含量的增加先上升，在1Ce合金中达到最大，为2364.24MPa，后随Ce含量增加而降低。合金的断裂模式以解离断裂为主。
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