高温合金材料的金属间化合物相(intermetallic compolJnd phase of sueralloy)
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(cTP相)。
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7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。此外,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。y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,y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。
μ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.μ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,TD相转变而成。μ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μ相总是伴随着强度下降,因为μ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Tl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μ相。μ相的析出温度范围为700~950℃左右。冷加工能明显促进μ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r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。
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,******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a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a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。
2022-05-11760℃高温材料发展过程从20世纪30年代后期起,英、德、美等国就开始研究高温合金。第二次世界大战期间,为了满足新型航空发动e79fa5e98193e59b9ee7ad9431333361303032机的需要,高温合金的研究和使用进入了蓬勃发展时期。40年代初,英国首先在80Ni-20Cr合金中加入少量铝和钛,形成γ‘相(gamma prime)以进行强化,研制成第一种具有较高的高温强度的镍基合金。同一时期,美国为了适应活塞式航空发动机用涡轮增压器发展的需要,开始用Vitallium钴基合金制作叶片。
此外,美国还研制出Inconel镍基合金,用以制作喷气发动机的燃烧室。以后,冶金学家为进一步提高合金的高温强度,在镍基合金中加入钨、钼、钴等元素,增加铝、钛含量,研制出一系列牌号的合金,如英国的“Nimonic”,美国的“Mar-M”和“IN”等;在钴基合金中,加入镍、钨等元素,发展出多种高温合金,如X-45、HA-188、FSX-414等。由于钴资源缺乏,钴基高温合金发展受到限制。
40年代,铁基高温合金也得到了发展,50年代出现A-286和Incoloy901等牌号,但因高温稳定性较差,从60年代以来发展较慢。苏联于1950年前后开始生产“ЭИ”牌号的镍基高温合金,后来生产“ЭП”系列变形高温合金和ЖС系列铸造高温合金。中国从1956年开始试制高温合金,逐渐形成“GH”系列的变形高温合金和“K”系列的铸造高温合金。70年代美国还采用新的生产工艺制造出定向结晶叶片和粉末冶金涡轮盘,研制出单晶叶片等高温合金部件,以适应航空发动机涡轮进口温度不断提高的需要。