铁基、镍基和钴基高温合金的沉淀强化与固溶强化的实质基本一样,都是讨论运动位错与障碍物之间的交互作用,只不过前者的障碍物是从γ固溶体析出的沉淀相,如铁基和镍基高温合金中析出的γ'相或γ''相,钴基合金中析出的M23C6相和少量低牌号铁基合金中析出的 VC等。由于合金中沉淀相的性质、数量、尺寸及其与基体的错配度等不同,以及所处温度的高低差别使运动位错与沉淀相之间的交互作用机理存在差异。下面小编将带领大家分别了解不同沉淀强化元素的作用。


1.1、铝(Al)元素的作用

金属元素Al是形成γ'-Ni3Al相的基本组成元素(图1),加入高温合金中的Al,约有20%进入γ固溶体,起固溶强化作用。而80%的Al,与Ni形成Ni3Al,进行沉淀强化。Al对沉淀强化的作用首先是形成γ'相,而且随着Al含量增加,γ'相数量增加,从而使各种强化机制都增强。其次Al的加入改变γ'相中各元素的溶解度,随着Al含量增加,Al和Ni进入γ'相的数量增多(也影响其他合金元素如Ti、Mo、Fe等进入γ'相的数量增多)。从而进一步增加γ'相的数量,增加强化效应。同时也改变γ' 的反相畴界能,通常都增加反相畴界能而反相畴界能的增加,使切割机制的强化效果增强。第三, Al 含量增加,改变γ'与γ相之间的错配度。通常是增加错配度的绝对值,引起γ'相周围共格应变场增强,从而增加强化效果。图片

高温合金中各种元素的作用—沉淀强化元素


1.2、钛(Ti)元素的作用

合金元素Ti加入镍基和铁基高温合金中,约10%进入γ固溶体,起一定固溶强化作用。约90%进入γ'相,Ti原子可以代替γ'-Ni3Al相中的Al原子,而形成Ni3(Al, Ti)。在一定Al含量条件下,随着Ti含量增加,γ'相数量增加,导致合金室温和高温强度增加,同时γ'相中存在的Ti原子明显提高反相畴界能,研究表明,Ti/Al之比增加,γ'的反相畴界能提高。不含Ti的γ'的反相畴界能为150 erg/cm2。Ti/Al之比为1时,γ'相的反相畴界能增加到240 erg/cm2。Ti/Al之比为8时,γ'相的反相畴界能达到300 erg/cm2反相畴界能的提高,可强化切割机制引起的强化效应,但Ti/Al过高,使γ'晶格常数差别太大,将加速γ'相长大,使γ'相在热力学上不稳定,有向η-Ni3Ti转变的倾向。研究表明GH2901合金室温和650℃拉伸性能随着Ti含量增加,屈服强度成直线增加(图2)。这显然是由于γ'相的数量随Ti含量增加而增加所致。另外,由于运动位错与γ'相的作用属于切割机制,反相畴界能随Ti含量增加也起重要作用。由于Al和Ti对高温合金沉淀强化的重要性,接下来将介绍Al+Ti之和和Ti/Al之比对 GH2135合金力学性能和组织结构的影响。图片


1.3、Al+Ti只和和Ti/Al之比的影响

铁、镍基高温合金中γ'相的数量通常随Al+Ti之和增加而增加。但Ti/A1之比对γ'相数量影响不太大。正如前面介绍的,Ti/Al之比提高,反相畴界能明显增加。然而在关于GH4099合金的报道中提到,随着γ'中铝含量增多,γ'相的反相畴界能也增加。


Al+Ti含量的增加还影响γ'相的尺寸,在GH2135合金中,γ'相的大小随Al+Ti量的增加而减小,但Ti/Al 比基本不影响γ'的尺寸。同时Al+Ti之和及Ti/Al 之比还明显影响 GH2135合金中γ'和γ相的点阵错配度。γ'相的点阵常数随合金中Ti含量及Ti/Al 比而成正比增加。奥氏体的点阵常数随Ti/Al之比的增加而减小,随Al+Ti的增加而增大,γ'相的错配度直线增加,而当Al+Ti一定时,错配度随Ti/Al比的增加而降低。然而,对合金沉淀强化起作用的是错配度的绝对值,错配度的绝对值随Ti/Al比及Al+Ti含量的变化是复杂的,都存在一个错配度为零的成分,这应该是相最稳定的状态,因而对高温持久性能显然是有利的。


1.4、铌(Nb)元素的作用 

我国14种镍基高温合金的统计结果(表1)表明,Nb在γ相中约占90%。因此,加入高温合金中的Nb,主要进入γ相,形成 Ni3(A1, Ti, Nb),使γ'相数量增多,γ相反相畴界能增大,γ相颗粒尺寸增大,有序度增加,从而引起γ相的沉淀强化作用增强。我国研制和生产的GH4033镍基变形高温合金,由于室温和工作温度屈服强度较低,制成的涡轮盘在台架试车后有50%以上伸长量超过技术条件允许值,成为严重的生产质量问题。我国科技工作者在GH4033合金中加入l.5%左右铌,发展成一种新合金GH4133。它的屈服强度明显提高,而且也明显改善了持久蠕变性能,


相分析结果表明,合金中加入的Nb,有50%进入γ基体,比表1中统计的14种镍基合金要高。另有30%进入γ'相,还有10%进入碳化物。由于γ'相的数量只有10%左右,所以Nb在γ相中的浓度较Nb在γ基体中的浓度要高3倍。由于Nb原子占据位于γ相中的A1和Ti原子的位置,被Nb原子代替的A1和Ti原子再次形成新的γ'。同时,在基体中Nb还降低A1和Ti的溶解度,从而造成γ'相的数量明显增加由不含Nb的11.74%,增加到14%左右。γ'相数量增加,使运动位错阻力增加,从而提高合金的瞬时拉伸强度和持久强度。


TEM观察表明,位错通过切割机制越过γ'相,所以γ'相的反相畴界能对强化起重要作用。不同Nb含量 GH4133 合金的γ'相的反相畴界能随合金中Nb含量的增加而增大。因为Nb原子进入γ'相改变了其成分,使其变为 Ni3(A1,Ti,Nb)。γ'相反相畴界能增加,使位错切割γ'相需要更大的应力,合金的屈服强度相应增大,见图5。可见,合金的屈服强度与反相畴界能成正比增加。这反映了γ'相反相畴界能的明显作用。但屈服强度的增加,还与Nb对γ固溶体的强化和晶界作用等因素有关。


高温合金中的Nb含量进步提高,直至超过4%,如GH4169 合金中Nb含量达4.5%至5.75%。Nb不仅进入γ相,使γ相的成分变为 Ni3(Al, Ti ,Nb),起着类似于GH4133 金中Nb的强化作用。而且还生成γ"-NixNb相,一种有序的体心四方结构相,其晶格常数a=0.3624nm, c=0.7406 nm, c/α=2.04。 γ"相是GH4169合金的主要强化相,其作用超过γ'。标准热处理状态的γ"相呈圆盘状,平均直径约60 nm ,厚度约5~9nm,合金γ'+γ"的数量约 15%~20%。γ的强化作用是通过共格畸变而实现的。因为进入γ"相中的Nb原子,造成γ"相之间形成错配度很大的共格应变,位错与共格应变场发生交互作用。共格应变愈大,强化作用愈强。除GH4169外,还有GH2706等合金,也是γ'+γ"相进行沉淀强化的高温合金。


1.5、钽(Ta)元素的作用

Ta也是主要强化γ'相的合金元素,加入合金中的Ta有90%以上进入γ'相,但有些合金如 K409只有80%左右进入γ'相。Ta进入γ'相,提高其数量和溶解温度,改变其组成,从而提高γ'相的反相畴界能,相应提高合金的强度和抗蠕变性能。同时,还可以改善γ'相的稳定性,使γ'相在长期时效和长期使用过程中不易长大。


K409 合金的研究结果表明,不含Ta的合金与含4.3 % Ta的合金相比,γ'相的数量由 57.6%提高到61.5%。γ'相的溶解温度由1180℃提高至1270℃,提高了90℃。γ'相的尺寸有减小趋势。同时,γ'相的化学成分因Ta原子进入而发生改变,部分Al、 Cr、Mo和Ti被Ta所置换,它们的化学式对无钽合金为(Ni0.93Co0.07)2.92(Cr0.11Al0.74Ti0.06Mo0.1),对含Ta合金为(Ni0.93Co0.07)2.86(Cr0.09Al0.71Ti0.06Mo0.08 Ta0.07)。与Nb一样,Ta进入γ'相会增加反相畴界能。因此Ta对γ'相的上述各种影响,都会提高γ'相的强化效果 随着Ta含量的提高,K409合金760℃屈服强度和蠕变持久性能明显提高,当然这除了Ta沉淀强化的贡献外,还有Ta的固溶强化效果。


此外,钽提高合金的组织稳定性,溶入γ'相中的 Ta 原子抑制γ'相的聚集、长大和溶解。含4.3 %Ta 的K409合金经850℃、800h 长期时效后,大尺寸γ'相无明显长大,而细小γ'相并未溶解,相应不含Ta合金,在同样条件下,大颗粒γ'相聚集长大,小颗γ'相已溶解 因而陷入基体中的Ta原子,可以阻止TCP相析出。


1.6、铪(Hf)元素的作用

20 世纪60年代中期以后,在镍基铸造高温合金中加Hf以改善中温强度和塑性,发展了一批加Hf的高温合金。把Hf加入到定向凝固高温合金,可以非常显著的改善定向凝固高温合金的横向性能,并改善可铸性。


高温合金中加入Hf,Hf原子主要直接溶解到γ'相中,使γ'相的成分变为Ni3(Al, Ti, Hf)。Ni3Al中可以溶解约7 at%的Hf。研究表明,加入铸造镍基高温合金中的Hf有 90%进入γ'相(含γ+γ'共晶)。进入γ'相的Hf使γ'相数量增多,增加γ'相的强化效果。进入γ'相的Hf原子,改变γ'相的化学成分,提高γ'相的反相畴界能,有利于提高位错以切割机制通过γ'合金的强度。由于γ'相中含有Hf,因Hf原子半径较大,而增加γ-γ'点阵错配度,有利于用共格应变强化机制强化合金强度的改善,但不利于高温蠕变性能的改善。因为过高共格应变导致γ'相周围出现界面位错,提供原子扩散短回路,利于位错攀移越过γ'相,而降低抗蠕变性能。


Hf还改变γ'相的形态,由立方形变为树枝状形。同时增加晶界附近块状γ'数量。晶界附近富Hf的柱状γ'相的发展,使晶界由平直状变为弯曲状。弯曲晶界中颗粒状碳化物可以阻止中温晶界滑移而不降低塑性碳化物周围的粗大γ'相可通过分散滑移,减少晶界空穴和裂纹的形成,或使裂纹钝化而进行塑性调节,从而改善中温强度和塑性,提高持久寿命。


加入合金中的Hf使γ+γ'共晶数量的增多,使裂纹易沿共晶边缘形核与扩展而降低纵向持久寿命。


此外,Hf原子还进入MC碳化物,改变碳化物的形态,由长条状和骨架状变为块状。除富Ti的MC外,还形成富Hf的MC。尽管MC中Hf含量很高,但由于MC量很少,所以加入的Hf主要集中在粗大γ'相中。溶入固溶体的Hf,向晶界偏聚,可以强化晶界。


加Hf后引起显微组织的另一个变化是晶界和枝晶间状态得到改善。不加Hf合金晶界大多呈细线状,即平直状,并镶嵌少量MC及小块状γ+γ'共晶。枝晶间是骨架状和长条状 MC 碳化物、粗大γ'相和少量γ+γ'共晶,加Hf后,晶界和枝晶间γ+γ'共晶数量增多。粗大γ'和颗粒状M23C6组成了咬合状晶界。晶界M23C6或多或少由γ'相所包围。


加入Hf后,咬合状晶界中碳化物可以抑制中温晶界滑移而不降低塑性。碳化物周围的粗大γ'相可以调节塑性,从而有利于持久强度的提高。加Hf后, MC 碳化物形态的改变,可以延缓裂纹的形成和扩展。形成的稳定(M,Hf)2SC消除晶界上的有害杂质硫,也可提高晶界强度,改善持久性能。


原子半径较大的Hf原子进入γ'相,增加γ+γ'错配度,提高合金共格强化效果。Hf原子进入γ'相后,提高反相畴界能,有利于阻止位错以切割机制进入γ'相,从而提高强化效果。


1.7、多种元素综合进行沉淀强化

高温合金中的γ'可溶解许多合金元素,其中Co可以置换镍,Ti、Nb、Ta、Hf、V可置换铝,而Fe、Cr既可置换镍,也可置换铝。Al、Ti 、Nb、Ta、Hf、V优先进入γ'相,强化γ'相,而 Co、Cr、Mo 优先进入γ基体,强化γ固溶体。而W既可进入γ'相, 又可进入γ基体,两方各占 50%左右,都产生强化作用。为了提高高温合金的性能水平,往往加入很多合金元素进行综合沉淀强化 就像γ固溶体进行综合固溶强化一样。先进铸造高温合金Al+Ti+Nb+ Ta之和已达到 16%。从表2可以看出,随着Al+Ti+Nb+Ta 之和的增加,合金持久强度不断提高,从而使用温度也可不断提高(图6)。



1.8、小结

l. 铁、镍基高温合金沉淀强化的实质是沉淀强化相阻碍位错运动。运动位错以共格应变场、Orowan和切割机制以及攀移方式与沉淀颗粒进行交互作用,提高高温合金的强度和高温蠕变抗力。


2. Al是形成γ'-Ni3Al的基本组成元素,加入合金中的约有20%进入γ固溶体,80%左右形成γ',在一定范围,随着Al含量增加,γ'相数量增多,强化效果愈好。


3. 加入高温合金中的Ti,约10% 左右进入γ固溶体,其余溶入γ'相代替Al原子。γ'相在一定范围随Ti含量增加而增多,并改变γ'相的反相畴界能,且随 Ti/Al增加而增大。


4. 加入高温合金中的Nb,主要进入γ'相,形成 Ni3(Al, Ti, Nb),并增加γ'相的数量及其反相畴界能,Ta和Hf与Nb的作用类似。


1.9、名词解释

1) 晶格错配度:指晶体中不同晶格之间的不匹配程度,通常用于描述材料的力学性质和塑性行为。


2) 晶格畸变:指晶体中晶格常数的变化,通常是由于材料的应力、温度等因素引起的。


3) 层错能:指晶体中两个堆垛层之间移位所需的能量,通常用于描述晶体的塑性行为。


4) 反相畴界能:由于原子的有序排列,在有序结构中可以产生一种特殊的面缺陷:反相畴界。以Ni3Al(010)面为例,用电子显微学的方法,通过测量作为反相畴边界的超位错的分解宽度,可以从实验上测定反相畴界的能量,即为反相畴界能。


本文内容由来自互联网网友上传或公开的互联网资料整理收集。内容仅供相关知识学习交流之用。

本站所有文章内容观点仅代表作者本人。

本站仅提供信息存储空间服务,不拥有所有权,不承担相关法律责任。如有侵权,请联系站长处理

发表评论

快捷回复: 表情:
验证码
评论列表 (暂无评论,181人围观)

还没有评论,来说两句吧...