鎳基合金的合金化原理

《鎳基合金的合金化原理》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫(kù)。

1、五.鎳基合金的合金化原理1．鎳基耐熱合金的合金化原理鎳基耐熱合金是最重要的一種高溫合金。隨著噴氣技術(shù)和新型動(dòng)力機(jī)械的發(fā)展，在飛機(jī)、火箭、造船、煤碳地下氣化和熱能利用等方面，均得到廣泛的應(yīng)用。（1）合金元素在鎳基耐熱合金合金相中的分布和作用鎳基耐熱合金是在高溫、高壓、高速和強(qiáng)烈的腐蝕環(huán)境下工作的，既要求高的強(qiáng)度和抗蠕變性能，還要求優(yōu)秀的抗氧化和燃?xì)猓幔└g的能力，是合金化程度最高，成分極為復(fù)雜的合金。有效元素?cái)?shù)目多達(dá)12～13種，還有痕跡量的Mn、Si、P、S、O、N等雜質(zhì)，需要加以嚴(yán)格控制。Ni基

2、合金是以面心立方晶格的Ni基固溶體為基體，通常稱之為奧氏體，用γ來(lái)代表。合金的主要強(qiáng)化途徑是固溶強(qiáng)化、沉淀硬化和晶界強(qiáng)化。按合金元素的分布和作用特點(diǎn)，可以分成三大類。第一類是在奧氏體中能優(yōu)先大量溶解的元素如Co、Fe、Cr、Mo、W、V等，可稱之為奧氏體形成元素，第二類是形成沉淀硬化相γ′或主要進(jìn)入γ′相的元素，如Al、Ti、Nb和Ta等，可稱之為γ′相形成元素；第三類是優(yōu)先偏聚于晶界的元素，如Mg、B、Zr、C和RE等，可稱之為晶界強(qiáng)化元素。當(dāng)然，按元素間交互作用的特點(diǎn)，還可以分碳化物形成元素（如

3、Cr、Mo、W、V、Nb、Ta和Ti等）和氧化物形成元素（如Cr和Al等）兩大類。Ni基耐熱合金中起固溶強(qiáng)化作用的元素是前述的奧氏體形成元素和Al、Ti，但固溶強(qiáng)化作用最強(qiáng)的元素是W、Mo、Cr、Al在γ相中溶解度較小，但固溶強(qiáng)化作用卻很強(qiáng)，F(xiàn)e、Co、V、Ti的固溶強(qiáng)化作用較弱。W和Mo等能提高奧氏體的原子間結(jié)合強(qiáng)度，降低層錯(cuò)能，阻礙位錯(cuò)的橫（交）滑移，不僅它們本身的擴(kuò)散系數(shù)低，在900℃還能降低Cr和Ti的擴(kuò)散系數(shù)，故能強(qiáng)烈提高高溫強(qiáng)度和抗蠕變性能。另外，固溶于基體中的W或Mo還能促進(jìn)γ′相的沉

4、淀，增大基體的晶格常數(shù)，調(diào)整γ-γ′相間的錯(cuò)配度，形成晶界碳化物，對(duì)合金的抗蠕變性能也起積極作用。Cr也起固溶強(qiáng)化作用，但更主要的作用是改善抗氧化性能，形成的碳化物對(duì)晶界強(qiáng)化也有貢獻(xiàn)。Ni基耐熱合金的主要強(qiáng)化相是面心立方晶格的A3B（Ni3Al）型化合物γ′相，主要合金元素是Ti和Al，化學(xué)式是Ni3（Al、Ti），有Co存在時(shí)可用（Ni?Co）3（Al?Ti）表示。γ′相的晶格與基體γ相相同，錯(cuò)配度很?。?.05~1.0％），界面能極低，兩者間能長(zhǎng)期保持共格關(guān)系，故有高的高溫穩(wěn)定性，γ′相不易吞并

5、長(zhǎng)大。γ′相另一優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度隨溫度的升高（800℃以下），不僅不降低，反而升高，塑性也較高，不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重脆化現(xiàn)象。這點(diǎn)與碳化物強(qiáng)化相不同，不會(huì)因形成σ相Laves相而引起脆化現(xiàn)象。另外，位錯(cuò)切割γ′相時(shí)，產(chǎn)生同原子間鍵和反相疇界（APB）而使反相疇界能升高，對(duì)合金的沉淀硬化也有貢獻(xiàn)。進(jìn)入強(qiáng)化相γ′中的元素除了Ti以外，還有Co、Fe、Nb、Ta、V或W、Mo等，其中帶負(fù)電性的Co或Fe等主要代替Ni而進(jìn)入A3B化合物的A組元，帶正電性的Ti、Nb、Ta、V等多代替Al而進(jìn)入組元B中。這些元素對(duì)組元A或

6、B置換的結(jié)果，γ′相的組成更加復(fù)雜，特別是W和Mo的進(jìn)入，對(duì)γ′相的HB和“APB能”的影響更大。晶界強(qiáng)化元素中碳的作用是不可忽視的，Ni基耐熱合金通常均含有0.05~0.2％C（表1-10），能與活性元素和碳化物形成元素形成一次碳化物MC。MC在熱處理或工作溫度中能發(fā)生下述反應(yīng)MC+γ→M23C6+γ′或MC+γ→M6C+γ′通過(guò)這種反應(yīng)生成的M23C6和M6C型低碳化合物仍分布于晶粒間界，能阻礙晶界滑移和提高斷裂強(qiáng)度。另外，生成的γ′相均包覆在塊狀M23C6或M6C型脆性碳化物周?chē)头植加诰Ы鐑?/p>

7、側(cè)，形成塑性較好的包覆層，有利于高溫性能的提高。表面活性元素B、Zr、Ce（RE）是眾所周知的晶界強(qiáng)化元素，形成Cr23（B、C）6、Cr2B和M3B2等比合物，在強(qiáng)化晶界方面起極其重要的作用，特別是B和Ce同時(shí)加入，能更有效地延續(xù)沿晶斷裂。Mg和RE（La和Nd）對(duì)持久強(qiáng)度和塑性也有明顯的影響，Ni-21.5Cr-33.5Co-4Mo-2Nb-2.5Ti-0.2Al-0.05C合金加入0.049％Mg，持久壽命（650℃，700MPa）可由155h提高到422h，δ由9.5~17％提高到28％。鉿

8、（Hf）對(duì)Ni基合金室溫和高溫機(jī)械性能的提高作用也極明顯，Udimet合金（Ni-15Cr-18.5Co-5.2Mo-3.5Ti-4.25Al-0.05B-0.15C）加入1.3-2.0％Hf，在760℃的持久壽命可成倍的提高。Ni基合金的抗氧化和抗熱腐蝕性能主要靠氧化物形成元素Cr和Al來(lái)提高，Ti也有一定的作用。Cr形成的富Cr2O3保護(hù)膜，合金元素的陽(yáng)離子空位少，能限制金屬原子向外擴(kuò)散和O、N、S及其它腐蝕性氣體向合金內(nèi)部的擴(kuò)散速度。所以合金的Cr含量≥20％，