鈷基高溫合金

鈷基高溫合金，含鈷量40～65％的奧氏體高溫合金,在730～1100℃條件下具有一定的高溫強度、良好的抗熱腐蝕和抗氧化能力。

鈷基高溫合金

發展過程 20世紀30年代末期，由於活塞式航空發動機用渦輪增壓器的需要，開始研製鈷基高溫合金（以下簡稱鈷基合金）。1942年，美國首先用牙科金屬材料Vitallium (Co- 27Cr-5Mo-0.5Ti)製作渦輪增壓器葉片取得成功。在使用過程中這種合金不斷析出碳化物相而變脆。因此,把合金的含碳量降至0.3％,同時添加2.6％的鎳，以提高碳化物形成元素在基體中的溶解度，這樣就發展成為HA-21合金。40年代末，X-40和HA-21製作航空噴氣發動機和渦輪增壓器鑄造渦輪葉片和導向葉片，其工作溫度可達850～870℃。1953年出現的用作鍛造渦輪葉片的S-816,是用多種難熔元素固熔強化的合金。從50年代後期到60年代末,美國曾廣泛使用過4種鑄造鈷基合金：WI-52，X-45，Mar-M509和fsx-414。變形鈷基合金多為板材,如L-605用於製作燃燒室和導管。1966年出現的HA-188，因其中含鑭而改善了抗氧化性能。蘇聯用於製作導向葉片的鈷基合金Лκ4，相當於HA-21。鈷基合金的發展應考慮鈷的資源情況。鈷是一種重要戰略資源，世界上大多數國家缺鈷，以致鈷基合金的發展受到限制。
成分和性能 鈷基合金一般含鎳10～22％，鉻20～30％以及鎢、鉬、鉭和鈮等固溶強化和碳化物形成元素，含碳量高，是一類以碳化物為主要強化相的高溫合金。鈷基合金的耐熱能力與固溶強化元素和碳化物形成元素含量多少有關（見表）。

鈷基高溫合金

一般鈷基合金缺少共格的強化相，雖然中溫強度低（只有鎳基合金的50～75％）,但在高於980℃時具有較高的強度、良好的抗熱疲勞、抗熱腐蝕和耐磨蝕性能，且有較好的焊接性（見金屬的強化）。適於製作航空噴氣發動機、工業燃氣輪機、艦船燃氣輪機的導向葉片和噴嘴導葉以及柴油機噴嘴等。噴嘴導葉外貌見圖1。

鈷基高溫合金

碳化物強化相 鈷基合金中最主要的碳化物是 MC、M26C6和M6C。在鑄造鈷基合金中，M26C6是緩慢冷卻時在晶界和枝晶間析出的。在有些合金中,細小的M26C6能與基體γ形成共晶體。MC碳化物顆粒過大，不能對位錯直接產生顯著的影響,因而對合金的強化效果不明顯。而細小彌散的碳化物則有良好的強化作用。位於晶界上的碳化物(主要是M26C6)能阻止晶界滑移,從而改善持久強度。較典型的鑄造鈷基合金顯微組織示於圖2。

鈷基高溫合金

在某些鈷基合金中出現的拓撲密排相如σ、μ和La-ves等是有害的,會使合金變脆(見合金相)。鈷基合金很少使用金屬間化合物進行強化。因為Co3(Ti,Al)、Co3Ta等在高溫下不夠穩定。
鈷基合金中碳化物的熱穩定性較好。溫度上升時，碳化物集聚長大速度比鎳基合金中的γ┡相長大速度要慢，重新回溶於基體的溫度也較高（最高可達1100℃），因此在溫度上升時，鈷基合金的強度下降一般比較緩慢（圖3）。

鈷基高溫合金

鈷基合金有很好的抗熱腐蝕性能。一般認為,鈷基合金在這方面優於鎳基合金的原因是鈷的硫化物熔點（如Co-Co4S3共晶,877℃）比鎳的硫化物熔點（如Ni-Ni3S2共晶,645℃）高，並且硫在鈷中的擴散率比在鎳中低得多。而且由於大多數鈷基合金含鉻量比鎳基合金高，所以在合金表面能形成抵抗鹼金屬硫酸鹽（如Na2SO4腐蝕的Cr2O3保護層。鈷基合金抗氧化能力通常比鎳基合金低得多。
製造工藝 早期的鈷基合金用非真空冶煉和鑄造工藝生產。後來研製成的合金，如Mar-M509合金，因含有較多的活性元素鋯、硼等，用真空冶煉和真空鑄造生產。
鈷基合金中的碳化物顆粒的大小和分布以及晶粒尺寸對鑄造工藝很敏感，為使鑄造鈷基合金部件達到所要求的持久強度和熱疲勞性能，必須控制鑄造工藝參數。鈷基合金需進行熱處理，主要是控制碳化物的析出。對鑄造鈷基合金而言，首先進行高溫固溶處理，溫度通常為1150℃左右，使所有的一次碳化物，包括部分MC型碳化物溶入固溶體;然後再在870～980℃進行時效處理,使碳化物（最常見的為M26C6）重新析出。
參考書目
　C.T.Sims,W.C.Hagel,The Superalloys, John Wiley ＆ Sons,New York,1972.
　C.P.Sullivan, Cobalt Base Superalloys, Cobalt Monograph Series, Centre d'Information du Cobalt,Brussels,1970.

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