高温合金中的相
更新时间:2023-09-23 04:42:01 阅读量: 人文社科 文档下载
高温合金材料的金属间化合物
(Inter-metallic compound phase of super-alloy)
过渡族金属元素之间形成的化合物。按晶体结构可分两类,一类称几何密排相(GCP相),另一类称拓扑密排相(TCP相)。
1. 几何密排相为有序结构,高温合金中常见的有如下几种相:
γ’相
化学式是Ni3A1,是Cu3Au型面心立方有序结构。铁基高温合金中γ’与γ基体的点阵错配度一般较小,镍基高温合金中错配度在0.05%~1%之间,随着使用温度升高,错配度减小。由于γ’与γ基体的结构相似,所以γ’相在时效析出时具有弥散均匀形核、共格、质点细而间距小、相界面能低而稳定性高等特点。
γ’相本身具有较高的强度并且在一定温度范围内随温度上升而提高,同时具有一定的塑性。这些基本特点使γ’相成为高温合金最主要的强化相。时效析出的γ’相常为方形和球形,个别情况呈片状和胞状,主要取决于析出温度和点阵错配度。错配度较小或析出温度较低时易成球形,错配度大或析出温度高时易成方形,错配度很大而析出温度又较低时可成为片状和胞状。高温时效时,γ’相不仅在晶内弥散析出,还可以在晶界析出链状的方形γ’相。在长期时效和使用过程中,γ’相会聚集长大。
铸态的一次(γ+γ’)共晶呈花朵状。γ’相中可以溶入合金元素,钴可以置换镍,钛、钒;铌可以置换铝;而铁、铬、钼可置换镍也可置换铝。γ相中含铌、钽、钨等难熔元素增加,γ’相的强度也增加。当合金中γ’相含量较少时,γ相尺寸大小对强度的影响十分敏感,通常0.1~0.5/xm比较合适。当了’相数量达40%以上时,γ’相尺寸大小对合金强度的影响就不大敏感了,允许有大尺寸的γ’相存在。
η相
化学式Ni3Ti为密排六方有序相,其组成较固定,不易固溶其他元素. η相可以直接从γ基体中析出,也可以由高钛低铝(Ti/Al≥2.5)合金中亚稳定的Ni3(Al,Ti)相转变而成。η相的金相形态有两种,一种是晶界胞状,另一种为晶内片状或
魏氏体形态。高温合金中出现. 因为η相总是伴随着强度下降,因为η相本身既无硬化作用而又要消耗一部分γ’相。合金中减少钛含量,增加铝含量,加入适量硼可以抑止胞状η相。某些铁基高温合金中加硅使生成G相,造成晶界贫γ’区,可明显地抑止η相。η相的析出温度范围为700~950℃左右。冷加工能明显促进η相形成。 γ′′相
化学式为NixNb,体心四方有序结构,金相形貌是圆盘形。γ′′相具有高屈服强度(≈1300MPa)的特点,这是因为γ与γ′′之间的点阵错配度较大,共格应力强化作用显著。γ′′相是亚稳定的过渡相,在高温长期保温下,很容易聚集长大并发生γ′′→δ-Ni3Nb转变,因此使用温度不能超过650~700℃。γ′′相析出温度约为550~900℃,析出速度较慢,这有助于减少焊缝热影响区时效裂纹倾向,因此用γ′′相强化的合金有良好的焊接性。Ni—Nb二元系中不出现γ′′亚稳定相,而直接形成稳定的δ-Ni3Nb相,只有加入适量的铁和铬才能形成γ′′相。因此,用γ′′相强化的合金都是铁镍基合金。 δ-Ni3Nb相
Cu3Ti型正交有序结构,金相形貌多数为薄片状,在GH4169合金(中国)中也见到晶界颗粒状的δ-Ni3Nb相,在某些合金中还有胞状δ-Ni3Nb相。该相析出温度约为780~980℃。硅、铌促进δ-Ni3Nb相形成,用钽代替铌可以阻止δ-Ni3Nb相析出。GH4169合金中加入铝、钛可以抑止γ’’→δ-Ni3Nb转变。 2. 拓扑密排相
晶体结构复杂,原子排列非常紧密,配位数高达14~16,原子间距极短,只存在四面体间隙。高温合金中常见的有如下几种。
σ相
属四方点阵,最大配位数为15。σ相的成分范围比较宽,镍基高温合金中为(Cr,Mo)x(Ni,Co)y,式中z、y值在1~7之间,铁基高温合金中常为FeCr(含Mo)型。主要金相形态为颗粒状和片(针)状,数量多时可呈魏氏体组织。σ相常在晶界形核,但也在M23C6颗粒上形核。最快析出的温度范围为750~870C。镍
阻止σ相形成,铁、钴、铬、钨、钼、铝、钛、硅都促进。相形成。片(针)状a相是裂纹产生和传布的通道,使合金脆化,有时还降低持久强度。晶界σ相颗粒常引起沿晶断裂,降低冲击韧性。 Laves相
有MgCu2型、MgZn2型和MgNi2型3种晶体结构,高温合金中多属MgZn2型。Laves相的化学式为B2A,A为大原子半径元素,B为小原子半径元素。低温时效呈细小颗粒状析出,高温时效时析出常呈短棒状或竹叶状,还有晶界颗粒状。析出温度范围较宽,约为650~1100℃,其上限温度随成分而异。由于Laves相倾向于高温析出,所以可以利用它进行细化晶粒工艺,获得细晶材料。铁基高温合金容易产生Laves相。钨、钼、铌、铝、钛、硅等元素都促进Layes相形成,而镍、碳、硼、锆有抑止Laves相的作用。呈细小弥散质点析出的Laves相对合金有一定的硬化作用。大量针状Layes相会降低室温塑性。少量短棒状Laves相没有严重的有害作用。 μ相
化学式为B7A6,属三角晶系,B为周期表Ⅶ族元素,A为V族、Ⅵ族元素。μ相的金相形态呈颗粒状、棒状、片状或针状。μ相由于颗粒较大,没有强化作用,针状析出会降低室温塑性。合金中钼、钨的总量超过10%时易形成μ相。 β相和Ni2AITi相
β相为体心立方有序结构,Ni2AlTi为面心立方结构。这两相的金相形态很相似,常呈块状、棒状或粗片状。用碱性苦味酸溶液煮后,β相变褐色,Ni2AITi相为杏黄色。这两种相都会降低合金力学性能。铁基高温合金中,当钛与铝之比小于0.5,而铝、钛总量又超过4%时,就会析出β相。如果提高钛与铝之比,β相就减少;当钛与铝之比接近1时,就出现Ni2AITi相;当钛与铝之比超过1时,Ni2AlTi相逐步减少,Ni3(Al,Ti)就逐步变为惟一的析出相。
G相
分子式A6B16C7,c为硅原子,A为钛族和V族原子,B为钴、镍原子。晶体结构为面心立方。G相的金相形貌为晶界块状,量多时可为网状。少量晶界G相对性能没有影响,含量较多时将降低持久强度。 3. 相分计算预测和控制TCP相的出现
相分计算是一种预测和控制高温合金出现拓扑密排相(主要是β相)的重要方法,尚处于半理论半实验阶段。其理论基础是根据拓扑密排相是一种电子化合物,它的形成与合金的电子空位数有关。相分计算的要点是计算合金残余固溶体的电子空位数NV值。
式中NVI。是j元素的电子空位浓度,xi为合金元素的原子百分数。Nv值大于临界值,合金会析出σ相;小于临界值,合金组织稳定。根据实践经验,镍基高温合金的临界值约为2.50,钴基高温合金的临界值约为2.70。铁基高温合金的临界值不是一个恒定值,随成分而异,随着镍含量增加而下降。中国对GH2132合金提出了一个简便易行的相分计算公式:
式中1、3、3.5、1.7和0.9分别为Ni、Ti、Al、Si和Cr的质量百分数。 当ΔN'V>0,无σ相析出;ΔN'V>0,有σ相析出。这样根据合金成分可以判断合金的组织稳定性。用相分计算来控制其他拓扑密排相(如Layes、μ相)的工作尚不成熟,需进一步研究
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