高温合金教材重点.docx

合金元 素原 子 序 数族原子量主要化 合价晶格类型合金性能其它特点镍Ni28VIII A58.71+2、 +3、+4FCC近似银白色、硬而有延展性 并具有铁磁性的金属元素， 它能够高度磨光和抗腐蚀能扩大奥氏体区域钻Co27VIII A58.933+2、+3HCP—FCC熔点高、持久断裂曲线比较 平缓优异的抗热腐蚀性能 和冷热疲劳性能，良好焊接 性降低基体的堆垛层错能 钻加到镍基，降低Ti和Al的溶解度铁Fe26VIII A55.845+2、+3BCC—FCC—BCC纯铁具有银白色金属光泽； 有良好的延展性、导电、导热性能加入钻基合金中，可扩大 奥氏体区铬Cr24VI A51.996+2、+3BCC银白色金属，质极硬，耐腐 蚀铬具有很高的耐腐蚀性， 在空气中，即便是在赤热的 状态下，氧化也很慢不溶 于水Cr十分之一进入y'相，还 有少量碳化物，大部分溶 于Y固溶体C与活泼的 难熔金属Ti、Ta、Hf、Nb 生成MC化物钼Mo42VI B95.94+2、 +4、+6银白色金属，硬而坚韧Mo 明显增大Ni固溶体晶格常 数，并使屈服强度明显在增 大由于Mo的加入，使合金 形成大量的M&碳化物， 这些碳化物细小弥散。

同 时也进入Y'相，改变基体 与Y'的晶格错配度Mo 还能细化奥氏体晶粒铌Nb41V B92.906+2、 +3、+4、+5灰白色金属铌原子半径比 铁、钼大Nb主要溶于y'相，在Y相 通常只占加入量的10%左 右Nb还能降低y固溶体 的平均晶粒尺寸，但过多 的Nb会引起Laves相的析 出钽Ta73V B180.947钽的质地十分坚硬，钽富有 延展性，可以拉成细丝式制 薄箔其热膨胀系数很小 钽有非常出色的化学性质， 具有极高的抗腐蚀性钽在镍基高温合金中约 80%进入Y湘，增强Y'相 的效果，，约10%至15% 形成富Ta的碳化物，只有 5%至10%左右进入y相 Ta也降低y固溶体的堆垛 层错能钨W74VI B183.84+2、 +3、+4、+5钢灰色或银白色，硬度高， 熔点高，常温下不受空气侵蚀明显降低y基体层错能， 层错能降低有效的改善高 温合金的蠕变性能进入 y'相改变y'和y的晶格常 数及错配度铼Re75VII B186.207+3、 +4、+6、+7六角密集外表与铂同，纯铼质软，有 良好的机械性能铼原子进入y固溶体，降 低其他合金元素的扩散速 率，阻止y'相长大，细化 y'相尺寸，而且提高y/y' 错配度。

但进入TCP相对 组织不利，加入过多偏析 严重钒V23V B50.941BCC有延展性，质坚硬，无磁性 具有耐盐酸和硫酸的本领主要分布在y奥氏体约占 70%至80%，其次分布y' 相约占14%至29%，在微 量相分布很少，仅占2%至 6%钒对合金晶粒有细化 作用钉Ru44VIII101 07硬质的白色金属、化学性质主要溶于y相中，使合金很稳定具有较大的负错配度，增 加了单晶合金形成筏排组 织的倾向1、 M和Mo是非常有效的固溶强化元素，W在y和Y'相各占一半，W既强化y也强化Y' 相，而Mo主要溶解于Y相，对固溶强化起主要作用2、 Nb和Ta主要溶解于Y'相，对固溶强化也起主要作用3、 Re原子在y基体中易形成短程有序原子团，阻碍位错运动4、 V对变形镍基高温合金的热加工塑性有明显提高，少量V使铁基高温合金消除缺口敏感 性5、 Ru是一种有效的固溶强化元素，可抑制TCP相，明显改善高温蠕变强度第四章 合金高温的沉淀强化及合金元素的作用4.1 沉淀强化机理4.1.1 共格应变强化机制Y'皆格常数相差越大（（即点阵错配度）愈大，Y'相周围应力场越强，造成的效果越显著2. 凡是能够提咼y'相晶格常数的合金元素：如Nb、Ti和Ta等，都增加y'相周围的宫格相变，起显著强化作用。

凡是大部分能进入y奥氏体的合金元素：如Mo、Fe和Cr等固溶 强化元素，都能提高y奥氏体的晶格常数，从而降低y和y'相的共格应变y''相为体心立方 结构，晶格常数更大造成y/y'及y/y”相点阵错配度大大增加3•错配度太大的合金，在高温下y'相变得很不稳定，容易聚焦长大，而松弛弹性应力 r错配度小的合金，y'相在高温稳定，因而对抗蠕变性能特别有利，通常表现为错配度越小,高温抗蠕变性能越好4.1.2 Orowan 绕过机制在高温合金y奥氏体基体内弥散分布的沉淀相颗粒，当这些颗粒比基体硬，强度比基体 高，颗粒间距较大或者是与基体没有共格关系的外加弥散质点时，运动位错不能切割这些质 点，而只能通过绕过方式越过这些障碍4.1.3 位错切割有序颗粒机制当高温合金y基体中沉淀相硬度较硬，强度不高，且与基体y共格，具有公共的滑移面 且博格斯矢量相差很少或者基体中的全位错是沉淀相的半位错时，运动位错以切割y'相形式 越过障碍位错切割y'相的所有理论，都与有序相y'相反相筹界能有关，通常是反相筹界（APB） 能高者合金的屈服强度高4.1.4 位错攀移机制当施加应力较低时，不足以开动位错切割机制或者Orowan绕过机制时，蠕变变形只能 借助于位错以热激活攀移方式越过强化粒子。

沉淀相颗粒越大，间距越小，稳态蠕变速率越 低，强化效果越好在高应力条件下，n=8.3〜9.8,位错以Orowan绕过机制通过y'相沉淀，并在y'沉淀质点 周围下留下位错环，而在低应力条件下，n=4.1〜4.9，位错以攀移方式通过y'相颗粒4.1.5 沉淀强化机理的实际应用1 沉淀强化相的数量是高温合金强化的根本保证室温下的屈服强度均随合金中的Y'相总量的增加而提高同样，高温合金的持久强度也 随Y'相的体积分数增加而增大通常Y'相的体积分数随合金中的Al+Ti的含量而增加Al+Ti 之和对高温持久强度起绝对性作用2 沉淀强化相尺寸与间距在高温合金强化中具有重要的作用3 有序沉淀相的反相筹界能对位错切割机制起关键作用4 高温合金的碳化物强化VC主要弥散分布于Y奥氏体，尺寸约几个nm,呈球形分布，尺寸很小的VC颗粒与y' 基体甚至存在部分共格关系，错配度较小5 弥散强化用粉末冶金的方法把惰性的氧化物质点加入到金属或者合金中，使其在0.7Tm （熔点绝 对温度）至熔点的温度范围内产生强化，这种机理叫做弥散强化4.2 合金元素的作用4.2.1 铝铝是形成Y'-Ni3Al相的基本组成元素，加入高温合金中的Al,约有20%进入y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。

其次Al的加入改变y' 相中各元素的溶解度，随着Al含量增加，Al和Ni进入Y'相的数量增多（也影响其它合金 元素如Ti、W、Mo、Fe等进入y'相的数量增多）进一步增加Y'的数量通常还增加反相筹 界能，使切割机制的强化效果增强第三，Al含量增加，改变了 y'和y的相之间的错配度 随着Al的增加，蠕变断裂时间增加，在某个值达到峰值，当超过峰值时，蠕变断裂时间下 降，其主要原因是合金析出了大块laves相和NiAl相，使裂纹易于形成与扩展4.2.2 钛钛元素加入镍基和铁基高温合金中，约 10%进入 y 固溶体，起一定固溶强化作用约 90%进入y'相，钛原子可以代替y'-Nl3A1相中的Al原子，而形成Ni3（Al，Ti）在一定铝含 量条件下，随着Ti含量增加，y'相数量增加，引起合金室温和高温强调增加y'相中存在的 Ti原子明显提高反相筹界能，Ti/Al之比增加，y'相的反相筹界能提高反相筹界能提高可 强化切割机制引起的强化效应但Ti/Al之比过高使y和y'晶格常数差别太大，将加速y'相 长大，使y'相在热力学上不稳定，有向n-Ni3Al转变的倾向4.2.3 Al+Ti之和和Ti/Al之比的影响铁、镍基高温合金中y'相的数量通常随Al+Ti之和增加而增加。

但Ti/Al比对y'相数量 影响不太大Ti/Al之比提高，明显增加反相筹界能Al+Ti含量的增加还影响y'相的尺寸， y'相的大小随着Al+Ti含量的增加而减少，但Ti/Al比基本不影响y'的尺寸同时Al+Ti之和 和Ti/Al之比还明显影响y'相和y相的点阵错配度y'相的点阵常数随合金Ti含量及Ti/Al 比成正比增加而y奥氏体的点阵常数随Ti/Al比的增加而减少，随Al+Ti的增大而增大y' 与y相的错配度随Al+Ti的增加直线增加，而当Al+Ti 一定时，错配度随Ti/Al的增加而降 低4.2.4 铌铌在y'相中约占90%，主要进入y'相，形成Ni3 （Al, Ti，Nb）,使y'相数量增多，y'相 反相筹界能增大，y'相颗粒尺寸增大，有序度增加，从而引起y'相的沉淀强化作用增强由于铌原子占据了 Y'相中的Al和Ti原子的位置，被Nb原子代替的Al和Ti原子在此形成新 的Y'相，同时，在集体中Nb还降低Al和Ti的溶解度，从而造成y'相的数量明显增加4.2.5 钽钽也是主要强化Y'相，90%进入Y'相钽进入Y'相，提高其数量和溶解温度，改变其组 成，从而提高Y'相反相筹界能，相应提高合金的强度和抗蠕变性能。

钽提高合金的组织稳定 性，溶于Y'相的Ta原子一直y'相的聚集、长大和溶解溶于Y'相基体中的Ta原子，可以组 织 TCP 相析出4.2.6 铪Hf原子主要直接溶解在Y'相中，使Y'相得成分变为Ni3 （Al, Ti, Hf）Ni3Al中可以溶 解7at%的HfHf有90%进入y'相含（Y'+Y共晶）进入Y'相相的Hf原子，改变y'相的化学 成分，提高Y'相反相筹界能，有利于提高位错以切割机制通过Y'相合金的强度由于Y'相中 含有Hf,因Hf原子半径较大，而增加y-y'点阵错配度Hf还改变y'相的形态，由立法形变 为树枝形同时增加晶界块状y'数量Hf原子还进入MC碳化物，改变碳化物的形态，由 长条状和骨架变为块状融入固溶体的Hf,向晶界骗局，可以强化晶界4.2.7 多种元素综合进行沉淀强化高温合金中的y'相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Al,而Fe、Cr既可置换镍，也可置换AlAl、Ti、Nb、Ta、Hf、V优先进入y'相强化 y'相，而Co、Cr、Mo优先进入y基体，强化y固溶体而W既可进入y'相又可y基体，两 方各占 50%左右，都产生强化效果。

结语1 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 长、 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 温蠕变能力2铝是形成y'-Ni3A1相的基本组成元素，加入高温合金中的Al,约有20%进入y固溶体，80%左右形段成y'相在一定范围内，随着Al含量的增加，y'相数量增多，强化效果愈好元素y'： y对y'相数量的影 响对y'相的反相筹界能对y'相与y相的错配度 的影响蠕变断裂时间铝A11:0.33增加而增加增加而增加增加而增加在一定范围增加而增 力口，超过峰值，直线下 降，析出laves相和 NiAl 相钛Ti1:0.17增加而增加明显增加明显增加Al+Ti增加而增加（y'相 随其。