合金元素与杂质对镍基合金性能的影响

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：CoCo与Ni和Fe同属于ⅧA族元素，作为合金元素加入到镍基合金中可以降低机体的堆垛层错能，起到固溶强化的作用。微量元素和杂质镍基合金中加入有益的微量元素如C、B、Zr、Mg、Ca、Y、La、Ce等，称之为微合金化，微合金化能改善高温合金的力学性能和抗氧化性。绝大多数镍基合金中都加入微量的B，它对合金的持久、蠕变性能影响显著。稀土元素Y、Ce、La等加入到镍基合金中主要有三个有益作用。

镍基合金的基体为γ奥氏体，能够溶解大量的Fe、Co、Cr、W、Al、Ti等合金元素，这些元素的原子在基体中任意分布。γ′则是由γ固溶体析出的强化相。

（1）Fe

Fe的晶格常数与Ni相差3%，由于晶格膨胀而引起长程应力场，阻碍位错运动，同时，Fe也能降低镍基奥氏体的堆垛层错能。层错能低，形成层错就容易，层错出现的几率也就高，层错的宽度增大，这种扩展了的位错运动十分困难，必须收缩为一个全位错，也就是层错能的降低使滑移更加困难，这样就需要更大的外力，表现为强度的提高，引起固溶强化。Fe加入到镍基合金中，还可以降低成本。国内外广泛使用的GH4169合金含有质量分数为18%的Fe，在650℃以下具有优异的屈服强度，是先进的航空发动机涡轮盘的制造材料。

（2）Co

Co与Ni和Fe同属于ⅧA族元素，作为合金元素加入到镍基合金中可以降低机体的堆垛层错能，起到固溶强化的作用。随着Co含量的增加，基体层错能降低，合金稳态蠕变速率降低，相应的蠕变断裂寿命延长。Co加入到镍基合金中还能降低Ti和Al在基体中的溶解度，从而增加γ′沉淀强化相的数量，同时，γ′相成分变为（Ni，Co）3（Al，Ti），提高γ′相的溶解温度。例如Nimonic80合金γ′相溶解温度为840～880℃，而加入质量分数为19.5%的Co后，发展成Nimonic90，γ′的溶解温度提高到900～940℃。正是由于Co的固溶强化作用，很多镍基高温合金中都加入质量分数为10%～20%的Co。

（3）Cr

Cr是镍基合金不可或缺的合金元素，在γ′强化的镍基合金中，加入的Cr大部分都溶解于γ固溶体中，有10%左右进入γ′相，还有少量的形成碳化物。γ基体中的Cr一方面引起晶格畸变，产生弹性应力场强化，起固溶强化作用；另一方面还能降低堆垛层错能，明显提高合金的高温持久强度。C与活泼的难熔金属形成的碳化物在热处理或使用过程中分解并生成低C高Cr化合物，主要分布在晶界，起沉淀强化作用。Cr在γ基体中的另一个重要作用就是形成致密的Cr₂O₃氧化膜，提高合金的抗氧化和抗腐蚀性能。Cr含量越高，合金的抗氧化性越好。

（4）W

在镍基高温合金中，添加的合金元素W溶解在γ基体和γ′相的量各占一半，W的原子半径比Ni、Fe和Co的原子半径大10%～13%。在合金中引起的晶格膨胀更为明显，形成较大的长程应力场，阻止位错运动。而且W也能降低合金的层错能，起到固溶强化效果，改善抗蠕变性能。此外，W原子进入γ′相后会影响其他元素在γ基体与γ′相之间的分配，改变γ与γ′相晶格常数和错配度。

（5）Al

合金元素Al是形成_γ′-Ni₃Al相的基本组成元素，添加的Al有约20%进入γ基体起到固溶强化的作用，而80%的Al与Ni形成Ni₃Al而起到沉淀强化的作用。Al对沉淀强化的作用首先是形成γ′相，随着Al含量的增加，γ′相数量增加，从而增强各种强化机制。其次，Al会改变γ′相中各元素的溶解度，Al和Ni进入γ′相的数量随Al含量的增加而增加。第三，Al能增加γ基体与γ′之间错配度的绝对值，从而增强γ′相周围共格应变场，起到强化作用。

（6）Ti

合金元素Ti加入到镍基合金后，约10%进入γ基体起到固溶强化的作用，而90%的Ti进入γ′相，Ti原子可替代γ′-Ni₃Al相中的Al原子而形成Ni₃（Al，Ti）相。在Al含量一定的情况下，随着Ti含量的增加，γ′相数量增加，合金的高温和室温强度明显提高。同时，γ′相中的Ti原子能提高反相畴界能。反相畴界能的提高可增强切割机制引起的强化效应。

（7）微量元素和杂质

镍基合金中加入有益的微量元素如C、B、Zr、Mg、Ca、Y、La、Ce等，称之为微合金化，微合金化能改善高温合金的力学性能和抗氧化性。

1）C。

C作为晶界强化元素常被加入到镍基合金中，只有一些单晶合金不加C强化。进入合金熔体中的C能提高流动性，改善铸造性能。C主要以碳化物的形式存在，凝固过程中析出的一次碳化物呈汉字状分布于晶界或枝晶间，二次碳化物是在时效过程中或使用时析出的。晶界析出的不连续碳化物能阻止沿晶滑动和裂纹扩散，提高持久寿命。

2）B。

绝大多数镍基合金中都加入微量的B，它对合金的持久、蠕变性能影响显著。由于B原子在晶界富集，可提高晶界的结合力；B化物在晶界以颗粒状或块状形式分布，阻止晶界滑移并抑制晶界空洞的连接与扩展；还可消除有害相在晶界析出的现象。加入适量的B还可影响合金的凝固行为，例如Inconel738合金中加入微量B会加剧元素偏析，使合金凝固的两相区变宽。添加0.1%以上的B可改善铸造性能，减少凝固过程中形成的缩松缺陷。

3）Mg和Zr。

加入镍基合金的Mg和Zr会偏聚于晶界，增强晶界的结合力、提高晶界强度。Mg的平衡偏聚特点使其在长期时效或使用过程中的晶界偏析程度提高，力学性能明显优于无Mg合金。偏聚的Mg和Zr还会降低晶界能和相界能，改善和细化晶界碳化物及其他晶界析出相的形态，使碳化物块化或球化，降低晶界应力集中、消除缺口敏感性。Mg与S等有害杂质形成高熔点的化合物MgS等，明显降低晶界S、O、P等元素的浓度，净化晶界。Mg还可以提高合金的持久时间和塑性，改善蠕变性和高温拉伸塑性，对有些合金还可改善热加工性能，提高收得率。

4）Ca。

非真空熔炼镍基合金时常用Ca作为净化剂，Ca与S、O结合生成CaS、CaO被去除，从而净化合金晶界，降低合金的热脆性，提高材料收得率。Ca也是一种晶界强韧化元素，例如，对于GH4169合金，微量的Ca（质量分数为0.0075%）使650℃、736MPa条件下的蠕变断裂寿命提高了3倍，持久塑性提高了1倍。

5）稀土元素。

稀土元素Y、Ce、La等加入到镍基合金中主要有三个有益作用。首先，作为净化剂脱氧脱硫，降低O和S在晶界的有害作用。稀土元素与S、O的生成自由能很低，极易形成稀土元素的氧化物、硫化物，上浮于熔体表面后去除。其次，稀土元素作为合金化元素偏聚于晶界，起到强化晶界的作用。第三，作为活性元素改善合金的抗氧化性能，提高表面稳定性。这主要是因为稀土元素能促进Cr₂O₃的形成，增加氧化膜中Cr₂O₃的含量。

6）杂质元素。

镍基合金中的非金属杂质元素如Si、S、P，金属或类金属杂质元素如Pb、Sb、Bi、As、Sn等会对持久性、蠕变性和拉伸塑性产生有害的影响，把它们的含量尽可能地控制到低水平可提高合金的强度和塑性，也是一种重要的强韧化手段。

Si元素一般富集于晶界，降低晶界的强度，这是因为Si促进σ相和Laves相的形成。当Si含量较高时，片状σ相在晶界和晶内析出，成为裂纹产生和扩展的通道。大量Laves相析出后降低合金的室温塑性。同时，Si还促进碳化物在晶界析出，改变碳化物的种类和形态，进而降低力学性能。

S偏析于晶界或相界，对晶界和相界有弱化作用，因而成为裂纹源。S含量较高时，易于生成Y相，随着S含量的提高，Y相的析出温度升高，数量增多，危害性增大。而且，S还阻碍合金凝固，促进元素偏析和有害相的析出。

P具有双重作用，对于变形镍基合金，适量的P能改善持久性和蠕变性能。而对于铸造镍基合金来说，P对力学性能是有害的，含量越低越好，这主要是P会影响凝固过程，增强偏析，促进有害相的析出。

Pb、Sb、Bi、As、Sn等杂质几乎都偏聚于晶界，对合金的持久性和拉伸塑性有很大的害处。

合金元素与杂质对镍基合金性能的影响

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