航空航天高温结构材料研究资料-精
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材料科学与工程前沿
航空航天高温结构材料
High-Temperature Structural Materials in Aerospace
四、新型Co高温合金
（一）、研究背景
随着我国海洋强国战略的实施，Co基高温合金优异的耐热腐蚀性能就显得
尤为突出，因此，研究和发展具有高强度、高抗氧化和热腐蚀性能的新型Co-
Al-W基高温合金成为一个重要的突破口。 传统Co基高温合金
Co、Ni和Cr为主，辅
Sato J， Science, 2006;
312: 90
以C和W等元素；
奥氏基体相+析出相 (碳化物)组成；
/ ’ coherent Precipitating and Coherent hardening
固溶强化和碳化物强 化为主，M23C6相；
相组相成组；成；
B和Ta可明显改善其
固 溶固强溶化强 、化 沉、淀沉和淀 和 塑形和高温强度。
共格共强格化强为化主为；主；
Alloys
Yield strength
Hale Waihona Puke Baidu
比传比统传C统oC基o合基金合高金 高
Co-9.2Al-9W
473MPa
温 强温度强提度 提升 升一 一倍 倍； ； Co-8.8Al-9.8W-2Ta
固溶处理：真空热处理炉，
1350C/8h
Co-9Al-4.5W-4.5Mo-2Ta-0.02B-0.2Ce
时效处理：Ar气保护下的石英
玻璃管，800C/50h
合金显微组织和试样断口形貌观察 合金物相分析 合金相成分分析 • 晶界处微量元素成分分析 晶粒取向、分布
(二)、研究内容与方法
实验2.3材力料学及行制为备研究
(二)、研究内容与方法
1、研究内容和目标
为了改善多晶体合金塑性，我们在前期Co-9Al-4.5W-4.5Mo-2Ta-0.02B合金 研究的基础上，微合金化掺杂稀土元素Ce(0.01-0.2 at.%)，研究其对合金显微 组织、晶界特征、力学性能影响。
内容与目标 1. 明确稀土元素Ce在γ、γ,相和晶界上的分布规律，确定微量稀土元素Ce对新
Haynes188 在 1143K 下压缩屈服强度仅为 350MPa ；Alloy188 在 1073K 拉 伸 屈 服 强 度 仅190 ~ 300MPa。
Main composition Co-9Al-9W Microstructure -CoSS+’-Co3(Al, W) with an L12 structure
宏观尺度：室温/高温拉伸测试 室温、600C、700C和800C、拉伸应变速率 为3×10-4 s-1，确定合金的高低温力学行为；
微米尺度：SEM原位室温拉伸 对原位拉伸过程中滑移线与γ相、γ,相及晶界的 交互作用进行了跟踪观察； 微观尺度：TEM原位室温拉伸 观察在动态拉伸状态下，位错在γ/γ,组织中的运 动行为。
W Mo Ta Ce
γ
77.82 10.97 4.82 4.59 1.98 0
0.01Ce
Co3(Ta,Me) 65.24 6.34 6.1 10.15 12.08 0.09
γ
77.67 11.15 4.73 4.55 1.89 0.01
0.01Ce
Nominal composition (at.%)
铸态试样：自耗式真空电弧熔炼
Co-9Al-4.5W-4.5Mo-2Ta-0.02B-0.01Ce 炉，~200g
0.05Ce 0.1Ce 0.2Ce
2.2 微观组织观察
SEM XRD EDS AES EBSD
Co-9Al-4.5W-4.5Mo-2Ta-0.02B-0.05Ce Co-9Al-4.5W-4.5Mo-2Ta-0.02B-0.1Ce
晶材料关注较少，且少有报道该类型合金的拉伸力学性能和相关热腐蚀行为。
解决思路
（一）、研究背景
1. 采用微合金化法对对新型Co-Al-W基合金进行改性，尽量避免第三相的
析出；
2. 借鉴稀土元素对Ni基合金力学性能的有利作用，添加稀土元素提高合金
的综合性能；
3. 电弧熔炼制备多晶体Co-Al-W基材料，并对其拉伸性能进行研究。
L12 型 γ -Co3(Al,W)
（一相固）组溶、成强；化研、 沉究淀背和 景
新型新C型oC-Ao-l-AWl-基W合基金合金 共格强化为主；
CoC、oA、l 和AlW和为W主为，主， 比传统 Co 基合金 高
辅以辅T以a和TaB和等B元等素元；素； 温强度提升一倍；
奥 氏奥基氏体基体相+相析+ 出析 出 蠕 变 强 度 超 过镍基 L12L型12 γ型,-γC,-oC3(oA3l(,AWl,)W) 合金IN100；
674MPa
蠕 变蠕强变度强超度 超过 过镍 基镍 基 Co-9.2Al-9W (Hot
合金合I金N1IN001；00；
rolled)
737MPa
B和BT和a可Ta明可显明改显善改其善 其 Haynes188(Co-based)
350MPa
塑形塑和形高和温高强温度强。度。
Waspaloy(Ni-based)
型Co-Al-W合金显微组织、相结构、晶界特征和高低温力学性能的影响；
2. 揭示Ce对γ/γ,共格组织合金宏/微观力学行为、损伤失效机制及随温度变化
的影响规律，探索在室温拉应力条件下，滑移线与共格相、滑移线与晶 界，位错与共格相间的交互作用及变形机制。
(二)、研究内容与方法
2、研究方法
2.1 实验材料及制备 Utilised abbreviations
550MPa
Temperature 850ºC 850ºC 900ºC 850ºC 850ºC
目前存在问题
（一）、研究背景
1. 新型Co-Al-W基合金的γ/γ,共格组织的成分窗口非常窄，常规宏合金化元素稍有过
量，就会形成化合物相，显著降低合金高/低温塑性；
2Ti
2Nb
2Cr
2. 新型Co-Al-W基合金的研究主要集中在单晶材料，蠕变和氧化性能等方面，对于多
1. 铸态合金显微组织 a) 四种合金：灰色基体相-Coss
和白色Co3(Ta, Me)相组成；
b) Co3(Ta, Me)相不连续地分 布在γ相的枝晶间隙；
2. 铸态合金成分分析
铸态Co-9Al-4.5W-4.5Mo-2Ta-0.02B-xCe系列合金成分分析
Casted
Phases
Co
Al
航空航天高温结构材料
High-Temperature Structural Materials in Aerospace
四、新型Co高温合金
（一）、研究背景
随着我国海洋强国战略的实施，Co基高温合金优异的耐热腐蚀性能就显得
尤为突出，因此，研究和发展具有高强度、高抗氧化和热腐蚀性能的新型Co-
Al-W基高温合金成为一个重要的突破口。 传统Co基高温合金
Co、Ni和Cr为主，辅
Sato J， Science, 2006;
312: 90
以C和W等元素；
奥氏基体相+析出相 (碳化物)组成；
/ ’ coherent Precipitating and Coherent hardening
固溶强化和碳化物强 化为主，M23C6相；
相组相成组；成；
B和Ta可明显改善其
固 溶固强溶化强 、化 沉、淀沉和淀 和 塑形和高温强度。
共格共强格化强为化主为；主；
Alloys
Yield strength
Hale Waihona Puke Baidu
比传比统传C统oC基o合基金合高金 高
Co-9.2Al-9W
473MPa
温 强温度强提度 提升 升一 一倍 倍； ； Co-8.8Al-9.8W-2Ta
固溶处理：真空热处理炉，
1350C/8h
Co-9Al-4.5W-4.5Mo-2Ta-0.02B-0.2Ce
时效处理：Ar气保护下的石英
玻璃管，800C/50h
合金显微组织和试样断口形貌观察 合金物相分析 合金相成分分析 • 晶界处微量元素成分分析 晶粒取向、分布
(二)、研究内容与方法
实验2.3材力料学及行制为备研究
(二)、研究内容与方法
1、研究内容和目标
为了改善多晶体合金塑性，我们在前期Co-9Al-4.5W-4.5Mo-2Ta-0.02B合金 研究的基础上，微合金化掺杂稀土元素Ce(0.01-0.2 at.%)，研究其对合金显微 组织、晶界特征、力学性能影响。
内容与目标 1. 明确稀土元素Ce在γ、γ,相和晶界上的分布规律，确定微量稀土元素Ce对新
Haynes188 在 1143K 下压缩屈服强度仅为 350MPa ；Alloy188 在 1073K 拉 伸 屈 服 强 度 仅190 ~ 300MPa。
Main composition Co-9Al-9W Microstructure -CoSS+’-Co3(Al, W) with an L12 structure
宏观尺度：室温/高温拉伸测试 室温、600C、700C和800C、拉伸应变速率 为3×10-4 s-1，确定合金的高低温力学行为；
微米尺度：SEM原位室温拉伸 对原位拉伸过程中滑移线与γ相、γ,相及晶界的 交互作用进行了跟踪观察； 微观尺度：TEM原位室温拉伸 观察在动态拉伸状态下，位错在γ/γ,组织中的运 动行为。
W Mo Ta Ce
γ
77.82 10.97 4.82 4.59 1.98 0
0.01Ce
Co3(Ta,Me) 65.24 6.34 6.1 10.15 12.08 0.09
γ
77.67 11.15 4.73 4.55 1.89 0.01
0.01Ce
Nominal composition (at.%)
铸态试样：自耗式真空电弧熔炼
Co-9Al-4.5W-4.5Mo-2Ta-0.02B-0.01Ce 炉，~200g
0.05Ce 0.1Ce 0.2Ce
2.2 微观组织观察
SEM XRD EDS AES EBSD
Co-9Al-4.5W-4.5Mo-2Ta-0.02B-0.05Ce Co-9Al-4.5W-4.5Mo-2Ta-0.02B-0.1Ce
晶材料关注较少，且少有报道该类型合金的拉伸力学性能和相关热腐蚀行为。
解决思路
（一）、研究背景
1. 采用微合金化法对对新型Co-Al-W基合金进行改性，尽量避免第三相的
析出；
2. 借鉴稀土元素对Ni基合金力学性能的有利作用，添加稀土元素提高合金
的综合性能；
3. 电弧熔炼制备多晶体Co-Al-W基材料，并对其拉伸性能进行研究。
L12 型 γ -Co3(Al,W)
（一相固）组溶、成强；化研、 沉究淀背和 景
新型新C型oC-Ao-l-AWl-基W合基金合金 共格强化为主；
CoC、oA、l 和AlW和为W主为，主， 比传统 Co 基合金 高
辅以辅T以a和TaB和等B元等素元；素； 温强度提升一倍；
奥 氏奥基氏体基体相+相析+ 出析 出 蠕 变 强 度 超 过镍基 L12L型12 γ型,-γC,-oC3(oA3l(,AWl,)W) 合金IN100；
674MPa
蠕 变蠕强变度强超度 超过 过镍 基镍 基 Co-9.2Al-9W (Hot
合金合I金N1IN001；00；
rolled)
737MPa
B和BT和a可Ta明可显明改显善改其善 其 Haynes188(Co-based)
350MPa
塑形塑和形高和温高强温度强。度。
Waspaloy(Ni-based)
型Co-Al-W合金显微组织、相结构、晶界特征和高低温力学性能的影响；
2. 揭示Ce对γ/γ,共格组织合金宏/微观力学行为、损伤失效机制及随温度变化
的影响规律，探索在室温拉应力条件下，滑移线与共格相、滑移线与晶 界，位错与共格相间的交互作用及变形机制。
(二)、研究内容与方法
2、研究方法
2.1 实验材料及制备 Utilised abbreviations
550MPa
Temperature 850ºC 850ºC 900ºC 850ºC 850ºC
目前存在问题
（一）、研究背景
1. 新型Co-Al-W基合金的γ/γ,共格组织的成分窗口非常窄，常规宏合金化元素稍有过
量，就会形成化合物相，显著降低合金高/低温塑性；
2Ti
2Nb
2Cr
2. 新型Co-Al-W基合金的研究主要集中在单晶材料，蠕变和氧化性能等方面，对于多
1. 铸态合金显微组织 a) 四种合金：灰色基体相-Coss
和白色Co3(Ta, Me)相组成；
b) Co3(Ta, Me)相不连续地分 布在γ相的枝晶间隙；
2. 铸态合金成分分析
铸态Co-9Al-4.5W-4.5Mo-2Ta-0.02B-xCe系列合金成分分析
Casted
Phases
Co
Al