多種合金元素對變形高溫合金的影響

現(xiàn)在的變形高溫合金領域使用范圍廣泛的是鎳基高溫合金，當然了，鐵基高溫合金和鈷基高溫合金。那這三種高溫合金都是由多種合金元素構(gòu)成，有的時候合金元素都要多達十幾種。合金強化是把多種合金元素加入到基體元素(Ni、Fe和Co)中,使之生產(chǎn)強化效應。這些強化效應包括固溶強化、第二相強化(沉淀析出強化和彌散相強化)和晶界強化，以及各種工藝強化方法。變形高溫合金的發(fā)展過程實際上是把合金強化理論與高溫合金實際相結(jié)合的過程，另外，高溫合金的發(fā)展過程又是高溫合金生產(chǎn)工藝技術不斷改進和革新的過程,這就是合金強化與工藝強化相結(jié)合,兩者不斷相互促進,使高溫合金得到新的發(fā)展。工藝強化是指通過采用冶煉、凝固結(jié)晶、熱加工、熱處理及表面處理等環(huán)節(jié)改善合金組織結(jié)構(gòu)而強化，是一種非常重要的強化途徑。所以了解合金元素的作用就變得尤為重量，現(xiàn)在網(wǎng)絡上有很多關于合金元素作用的文章，但是合金元素對高溫合金的作用并沒有概括的并不完整。今天，上海墨鉅就合金元素對變形高溫合金的作用再做個重新的整理，希望對大家有幫助。

鎳基高溫合金中加入10多種大量元素和微量元素，這些常見的合金元素分為第一類由優(yōu)先形成面心立方(FCC)奧氏體的元素組成，包括Ⅴ、Ⅵ、Ⅷ族的元素，有Ni、Co、Fe、Cr、Mo、W和V等;第二類為進入基體并形成γ'-(Ni3Al)相，包括Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ族，有Al、Ti、Nb和Ta等;第三類由原子直徑大小不固定，常偏聚在晶界上的元素組成，包括Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ族，有Mg、B、C和Zr等。另外必須指出的是一些有害的元素，其中包括Pb、Sn、As、Bi等的低熔點元素和Si、P、S等弱化晶界的元素。這些有害元素的含量及狀態(tài)往往也是至關重要的。

1、Ni：作為鎳基高溫合金基體元素，具有面心立方結(jié)構(gòu)，從室溫到高溫沒有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。在鐵基高溫合金中，鎳可以穩(wěn)定奧氏體組織，對提高合金的高溫抗拉強度和屈服強度有利，對持久性能的改善十分明顯。在鈷基高溫合金中，Ni可以抑制鈷基奧氏體在低溫下向密排六方晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，同時還可降低鈷基合金的變形抗力,從而改善加工性能。同時,Ni還能與Al、Ti、Nb等元素形成γ′沉淀強化相，對合金進行沉淀強化。

2、Fe：具有體心立方結(jié)構(gòu)，從室溫到高溫要發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。Fe元素加入到鎳基變形高溫合金中，不僅可以降低成本，而且其晶格常數(shù)與Ni相差3%,由于晶格膨脹而引起長程應力場，阻礙位錯運動。同時Fe可以降低鎳基奧氏體的層錯能，有利于屈服強度的提高，因而起到固溶強化作用。Fe加入到鈷基高溫合金中，擴大奧氏體區(qū)，穩(wěn)定鈷基Y奧氏體，與Ni具有類似作用。

3、Co：具有密排六方晶體結(jié)構(gòu)，從室溫到高溫,要發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，由密排六方結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)棣妹嫘牧⒎浇Y(jié)構(gòu)。Co作為合金元素加入到鎳基合金中,可以降低基體的堆垛層錯能。Co在Ni-Cr時效合金中,對高溫強度有良好的作用。

4、Cr、W、Mo：主要起強化作用，也是碳化物形成元素。在廣泛應用的鎳基變形合金中，幾乎都含有10%-20%的Cr。Cr是穩(wěn)定合金表面氧化性能的元素，在基體表面可形成CR2O3層，具有低的陽離子空位,能阻止金屬元素向外和O、N、S及其他有害元素向內(nèi)擴散，防止材料的氧化和熱腐蝕。但過分提高Cr會降低γ′的固溶溫度，也降低合金的高溫強度。W、Mo主要進入合金固溶體，減慢Al、Ti和Cr的高溫擴散速度，并增加擴散激活能，加強固溶體中原子間的結(jié)合力，減慢軟化速度;Mo比W的效果更為顯著,使用溫度高于1000℃時,W的強化作用較顯著。W、Mo能顯著增加鎳基合金中γ′相的穩(wěn)定溫度，即提高γ′相的溶解溫度。上海墨鉅提醒您由于加入W降低了Al、Ti在基體中的溶解度，故增加了γ′相的數(shù)量，從而提高了使用溫度。此外,W、Mo均能改變γ和γ′相之間晶格常數(shù)對錯配度，因而也影響γ′相的形態(tài)。

5、Al、Ti：γ′相［Ni3(Al,Ti)］主要形成元素，通過相在基體內(nèi)彌散分布，影響位錯行為以強化合金。γ′相中可溶解許多元素,Nb、Ta主要進入γ′相，因此認為Nb、Ta是強化和穩(wěn)定γ′相的主要元素。鎳基變形合金的高溫性能主要取決于Al、Ti加入總量和Ti/Al比，增加Al、Ti總量可明顯提高γ′相固溶溫度和γ′相體積分數(shù)。當前具有較高使用溫度的變形高溫合金,A1+Ti之和接近8%o

6、加入適量的B、Zr能顯著提高合金的持久壽命，降低蠕變速率,并顯著改善持久缺口敏感性，提高合金的塑性和加工性能。當只加入其中一種時,B的作用比Zr顯著，但同時加入B、Zr的合金性能最好。加入過多的B,在晶界上形成硬而脆的化合物，會導致熱加工塑性降低。B、Zr主要存在于晶界上,其作用可以認為是改善晶界形態(tài)。在變形高溫合金中，B、Zr的加入量很少。

7、一些鎳基變形合金中添加0.005%-0.05%的Mg,可顯著提高合金的持久性能和塑性，減少晶界碳化物、硼化物和硫化物的數(shù)量，提高晶間結(jié)合力，改善加工塑性。

8、V：在我國研制的變形鎳基高溫合金GH4037、GH4049、GH4220、GH4413中，加入0.1%-1.0%的V。V加入高溫合金主要分布于γ奧氏體，其次分布于γ′相，在微量相中分布很少。V的加入對晶格畸變產(chǎn)生影響，起明顯固溶強化作用。