镍基合金的合金化原理

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1、五.镍基合金的合金化原理1．镍基耐热合金的合金化原理镍基耐热合金是最重要的一种高温合金。随着喷气技术和新型动力机械的发展，在飞机、火箭、造船、煤碳地下气化和热能利用等方面，均得到广泛的应用。（1）合金元素在镍基耐热合金合金相中的分布和作用镍基耐热合金是在高温、高压、高速和强烈的腐蚀环境下工作的，既要求高的强度和抗蠕变性能，还要求优秀的抗氧化和燃气（热）腐蚀的能力，是合金化程度最高，成分极为复杂的合金。有效元素数目多达12～13种，还有痕迹量的Mn、Si、P、S、O、N等杂质，需要加以严格控制。Ni基

2、合金是以面心立方晶格的Ni基固溶体为基体，通常称之为奥氏体，用γ来代表。合金的主要强化途径是固溶强化、沉淀硬化和晶界强化。按合金元素的分布和作用特点，可以分成三大类。第一类是在奥氏体中能优先大量溶解的元素如Co、Fe、Cr、Mo、W、V等，可称之为奥氏体形成元素，第二类是形成沉淀硬化相γ′或主要进入γ′相的元素，如Al、Ti、Nb和Ta等，可称之为γ′相形成元素；第三类是优先偏聚于晶界的元素，如Mg、B、Zr、C和RE等，可称之为晶界强化元素。当然，按元素间交互作用的特点，还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）两大类。Ni基耐热合金中起固溶强化作用的元素是前述的奥氏体形成元素和Al、Ti，但固溶强化作用最强的元素是W、Mo、Cr、Al在γ相中溶解度较小，但固溶强化作用却很强，Fe、Co、V、Ti的固溶强化作用较弱。W和Mo等能提高奥氏体的原子间结合强度，降低层错能，阻碍位错的横（交）滑移，不仅它们本身的扩散系数低，在900℃还能降低Cr和Ti的扩散系数，故能强烈提高高温强度和抗蠕变性能。另外，固溶于基体中的W或Mo还能促进γ′相的沉

4、淀，增大基体的晶格常数，调整γ-γ′相间的错配度，形成晶界碳化物，对合金的抗蠕变性能也起积极作用。Cr也起固溶强化作用，但更主要的作用是改善抗氧化性能，形成的碳化物对晶界强化也有贡献。Ni基耐热合金的主要强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，化学式是Ni3（Al、Ti），有Co存在时可用（Ni•Co）3（Al•Ti）表示。γ′相的晶格与基体γ相相同，错配度很小（0.05~1.0％），界面能极低，两者间能长期保持共格关系，故有高的高温稳定性，γ′相不易吞并

5、长大。γ′相另一优点是强度随温度的升高（800℃以下），不仅不降低，反而升高，塑性也较高，不会出现严重脆化现象。这点与碳化物强化相不同，不会因形成σ相Laves相而引起脆化现象。另外，位错切割γ′相时，产生同原子间键和反相畴界（APB）而使反相畴界能升高，对合金的沉淀硬化也有贡献。进入强化相γ′中的元素除了Ti以外，还有Co、Fe、Nb、Ta、V或W、Mo等，其中带负电性的Co或Fe等主要代替Ni而进入A3B化合物的A组元，带正电性的Ti、Nb、Ta、V等多代替Al而进入组元B中。这些元素对组元A或

6、B置换的结果，γ′相的组成更加复杂，特别是W和Mo的进入，对γ′相的HB和“APB能”的影响更大。晶界强化元素中碳的作用是不可忽视的，Ni基耐热合金通常均含有0.05~0.2％C（表1-10），能与活性元素和碳化物形成元素形成一次碳化物MC。MC在热处理或工作温度中能发生下述反应MC+γ→M23C6+γ′或MC+γ→M6C+γ′通过这种反应生成的M23C6和M6C型低碳化合物仍分布于晶粒间界，能阻碍晶界滑移和提高断裂强度。另外，生成的γ′相均包覆在块状M23C6或M6C型脆性碳化物周围和分布于晶界两

7、侧，形成塑性较好的包覆层，有利于高温性能的提高。表面活性元素B、Zr、Ce（RE）是众所周知的晶界强化元素，形成Cr23（B、C）6、Cr2B和M3B2等比合物，在强化晶界方面起极其重要的作用，特别是B和Ce同时加入，能更有效地延续沿晶断裂。Mg和RE（La和Nd）对持久强度和塑性也有明显的影响，Ni-21.5Cr-33.5Co-4Mo-2Nb-2.5Ti-0.2Al-0.05C合金加入0.049％Mg，持久寿命（650℃，700MPa）可由155h提高到422h，δ由9.5~17％提高到28％。铪

8、（Hf）对Ni基合金室温和高温机械性能的提高作用也极明显，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℃的持久寿命可成倍的提高。Ni基合金的抗氧化和抗热腐蚀性能主要靠氧化物形成元素Cr和Al来提高，Ti也有一定的作用。Cr形成的富Cr2O3保护膜，合金元素的阳离子空位少，能限制金属原子向外扩散和O、N、S及其它腐蚀性气体向合金内部的扩散速度。所以合金的Cr含量≥20％，