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2023

稀土元素在高温合金中的应用

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对未添加和添加稀土元素 Y、Ce的K444合金返回料的研究表明，与未加稀土的返合金回料相比，加入 Y、Ce的合金枝晶组织明显细化，如图 4所示。这是因为 Y、Ce 是活性元素，能与O、P、S、N形成高熔点化合物，这些化合物可作为合金凝固结晶的核心，提高合金凝固时的形核率，从而细化合金组织。而且未添加稀土元素的合金晶界碳化物较多且呈不规则大块状，而添加 Y、Ce的合金晶界碳化物多呈条状、小块状或链状，这些碳化物也起强化晶界的作用。

对M951合金的研究发现，富稀土元素的第二相颗粒能阻止晶粒长大、细化枝晶和晶粒，改变碳化物的尺寸和分布，改善合金组织，合金的初生MC碳化物形貌也发生明显变化，即从针状或片状变为以不连续的块状为主，共晶体含量随Y含量的增加而增加。

赵志龙等依据熔点、密度相近和晶格匹配等原则，利用自制的高温合金细化剂选取系统，分别甄选出 YNi2Si2和CeCo4B两种三元稀土细化剂。对1470℃浇注的 K4169合金铸件的试验表明，含上述混合三元稀土细化剂的合金的平均晶粒尺寸从3.57mm减小到了0.92mm，如图5所示。

含稀土元素(Ce+Y) 的K465合金的研究表明，热处理后合金中γ相均发生了不同程度的粗化、聚集和溶解。稀土元素含量较少时，合金枝晶间γ相的粗化不明显; 含0.06%稀土元素的合金枝晶间γ相发生了明显的粗化和聚集，数量减少，而大块初生γ相数量增加，从而减少了起强化作用的二次γ相数量，如图6所示。此外，含0.06%稀土的合金枝晶间大块γ相的边缘出现富(Ce+Y) 的区域，而且添加适量稀土对碳化物变质处理后，K465合金中的碳化物从汉字形变为球形或块状。

对添加 Y 和 La 元素的第二代单晶高温合金CMSX-4的研究表明，稀土元素能减少氧化物的剥落、提高合金的抗氧化性能; 添加稀土元素Y 和 La 对主要合金元素的分配比没有明显影响，合金的初熔温度降低; 加入总量为350*10-6 的 Y 和 La 合金的初始熔点降低了10℃。如图8所示，在相同的固溶温度下，随着稀土含量的增加，合金中的初熔孔洞增多。研究还发现，稀土含量影响合金的高温长期时效组织的稳定性，如图9所示，加入稀土元素的合金 TCP相的析出倾向增大，含20*10-6 和 65*10-6 稀土元素的合金TCP 相含量增加，含350*10-6稀土的合金 TCP 相含量又减少。研究发现，添加 100*10-6 Y 对一种第四代单晶高温合金的组织稳定性没有影响。