《航空航天材料－高温合金部分02-强韧化》由会员分享，可在线阅读，更多相关《航空航天材料－高温合金部分02-强韧化（78页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第二部分 高温合金的强化与韧化 高温合金的主要强化方法 固溶强化 第二相强化 晶界强化 高温合金中通常含有10 20种合金元素 其基 体是高合金化的奥氏体 这些合金元素大致可分为三类 固溶强化元素 主要是周期表中第 和 族 元素 如Fe Ni Co Cr Mo W V等 沉淀强化元素 主要是周期表中第 和 族 元素 如Al Ti Nb Ta等 晶界强化元素 主要是周期表中第 和 族 元素 如B C Zr Mg及稀土元素Ce La Y等 通过固溶强化 沉淀强化和晶界强化 以及各 种工艺强韧化方法 保证高温合金具有从室温 至高温的良好强度 表面稳定性和较好的塑性 12345678910111213
2、141516170 H He LiBeB CNOFNe NaMgAlSiPSClAr KCaScTiVCrMnFeCoCuZnGaGeAsSeBrKr RbSrYZrNbMoTcRuRhPdAgCdInSnSbTeIXe CeBaLaHfTaWReOsIrPtAuHgTIPbBiPoAtRn FrRaAcThPoU 高温合金的元素 Ni Co Fe 连续连续 固溶体形成元素 有限固溶体及化合物形成元素 非相互作用元素 离子化合物形成元素 一 高温合金中基体元素的作用 u镍基高温合金的基体元素是镍 铁基高温合金的基体元素是 铁 钴基高温合金的基体元素是钴 由于基体元素镍 铁 钴的基本属性不同 因
3、而这三类高温合金的合金强化特点不 同 合金的某些特性也不同 元素 晶体结构 低温 高 温 熔点 密度 g cm3 线膨胀系数 1 0 100 导热系数 J s cm 1 相稳定 的次序 Nifcc14538 913 3 10 60 88最稳定 Fe bcc fcc bcc 15387 8712 1 10 60 71 最不 稳定 Cohcp fcc14928 912 5 10 60 69居中 FCC结构 BCC结构 HCP结构 一 高温合金中基体元素的作用 高温合金中基体元素的作用 镍为面心立方结构 没有同素异构转变 而铁 钴室温下分 别为体心立方和密排六方结构 高温下为面心立方奥氏体结 构 由
4、于Ni原子的第三电子层基本上被填满 它可以溶解比 较多的合金元素进行合金化 而仍然保持 奥氏体的稳定性 目前 几乎全部高温合金的基体都是具有面心立方结构的奥 氏体 因为奥氏体比体心立方的铁素体有更高的高温强度 奥氏体的高温强度较高的原因是它的原子扩散能力较小 即 自扩散激活能较高 为了得到直到低温仍然稳定的奥氏体结构 铁基和钴基合金 中必须加入扩大奥氏体的合金元素 高温合金中基体元素的作用 u镍具有较高的化学稳定性 在500 以下几乎不氧化 常温下不易受潮气 水及某些盐类水溶液的侵蚀 钴和铁的抗氧化性能都比镍差 但钴的抗腐蚀能力比 镍强 u镍 铁 钴的合金化能力不同 镍具有最好的相稳定 性 铁
5、最差 这是最重要的特性 镍或镍铬基体可以 固溶更多的合金元素而不生成有害的相 而铁或铁镍 基体却只能固溶较少的合金元素 有强烈的析出各种 有害相的倾向 这一特性为改善镍的各种性能提供了 潜在的可能性 而铁 钴则受到了一定的限制 u镍 铁 钴的这种特性与其各自的电子结构有关 镍铁钴的某些物理性能略有差别 铁的密度最小 但膨胀系数 最大 导热能力较好 钴与镍比较 其导热性较好 膨胀系数 较低 所以其热疲劳性能较优 综上所述 镍是一种最佳的基体金属 使得镍基高温合金成为 最佳的高温合金系列 在某些使用条件下 钴基合金可以发挥其优势 如在耐热腐蚀 和耐热疲劳方面 高温低应力下长期使用的静态部件往往用钴
6、 基合金 易析出有害相 使铁基合金的发展受到限制 铁基合金的使用 温度范围较镍基和钴基低 高温合金中基体元素的作用 主要合金化元素及其作用 B C Mg Zr Y 晶界强化元素 图中绿色 Al Ti Nb Ta Hf Ni3Al 中Al元素 图中红色 其余为进 Ni 或Ni3Al中的Ni位元素 并强化 碳化物形成元素 Cr Mo W V Nb Ta Ti 氧化物形成元素 Cr Al Y Hf A AIVA 21 B 27 C 29 Mg 6 Al 7 66IVBVBVIBVIIB 与Ni原子 百分差 VIIB Nv 9 Ti 6 66 5 V 5 66 3 Cr 4 66 3 Fe 2 22
7、1 Co 1 71 0 Ni 0 66 45 Y 28 Zr 18 Nb 5 66 12 Mo 4 66 3 Ru 2 66 27 Hf 18 Ta 5 66 13 W 4 66 10 Re 3 66 1 Ir 1 66 晶界 主要合金化元素及其作用 固溶强化元素 强化机理 u降低堆垛层错能 u晶格常数 原子半径 差异 晶格畸变 应力场 阻碍位错运动 u降低元素扩散 提高高温蠕变强度 W Mo Re 主要合金化元素及其作用 Cr既是一种固溶强化元素 也是一种非常有效的改善抗氧 化性的元素 W和Mo是非常有效的固溶强化元素 W在 与 相中各占一 半 W既强化 也强化 相 而Mo则主要溶解于 相
8、对固溶强化也起主要作用 Nb和Ta主要溶解于 相 对固溶强化也起主要作用 Re是第二代和第三代单晶高温合金应用的主要固溶强化元 素 Re原子在 基体中易形成短程有序原子团 阻碍位错 运动 Ru是一种有效的固溶强化元素 可抑制TCP相 明显改善高 温蠕变性能 主要合金化元素及其作用 主要固溶强化元素 Cr Mo W Nb Ta Re Ru u铬是镍 铁和钴基高温合金中不可缺少的合金 化元素 几乎所有高温合金中都含有金属元素 铬 强化的镍基和铁基高温合金中 通常加 入的Cr含量约十分之一进入 相 还有少量形 成碳化物 其余大部分溶解于 固溶体 u高温合金 基体中的Cr引起晶格畸变 产生弹 性应力场
9、强化 而使 固溶体强度提高 起固 溶强化作用 uCr还降低固溶体堆垛层错能 使高温持久强度 明显提高 强化固溶体的元素 Cr 主要合金化元素及其作用 主要合金化元素及其作用 溶解于 固溶体的金属元素Cr 还能与C形成一系列碳化物 在 镍基和铁基合金中碳量一般为0 05 0 20 碳与活泼的难熔 金属元素Ti Ta Hf Nb等生成MC型碳化物 在热处理过程 中分解并生成低碳高Cr的化合物M23C6或M6C 主要分布于晶 界 Cr Cr23C6 Cr7C3 低Cr时 颗粒状 晶界 钴基合金中 铬含量在10 30 铬随Cr C比不同 形成一 系列碳化物 起沉淀强化作用 钴基合金中的富Cr碳化物M3
10、C2 M7C3 M23C6 Cr在高温合金中一种十分重要的作用是形成Cr2O3型氧化膜 使高温合金零件有良好的抗氧化和抗腐蚀性能 高Cr促进有害相 的形成 使合金组织的稳定性变坏 强化效 果低于W Mo Nb Ta Re等难熔元素 单晶降Cr 主要合金化元素及其作用 主要合金化元素及其作用 晶格常数变化对Ni基二元合金屈服强度增量的影响 合金元素对晶格常数的影响 主要合金化元素及其作用 从图中可以看出 当Al Ti含量在4 54 以下 含有15 Cr的合金持久时间明显高 于含有12 Cr的合金 这显然是由于前者产生晶格畸变和降低层错能的程度要大 于后者 当Al Ti的含量超过4 54 时 由于
11、合金中析出大量的Ni2AlTi相而使性能 恶化 主要合金化元素及其作用 主要合金化元素及其作用 强化固溶体的元素 W 钨原子半径较大 比镍 钴和铁的原子半径大 10 13 钨原子在高温合金中要引起晶格明显膨 胀 形成较大的长城应力场 阻止位错运动 屈服强 度明显提高 钨明显降低 基体层错能 层错能降低可有效改善高 温合金的蠕变性能 w原子将进入 相 并影响其他元素在 基于 相之间 分配 改变 和 相晶格常数和错配度 促进M6C和 相生成 W含量对GH4586合金基体晶格常数和合金屈服强度的影响 W含量 22 5345 晶格常数 nm0 35873 0 359140 359500 3595 室温
12、 0 2 mpa10651100111011251110 800oC 0 2 mpa 860900910905860 主要合金化元素及其作用 主要合金化元素及其作用 主要合金化元素及其作用 强化固溶体的元素 Mo Mo原子大多溶解于 基体中 在 相约占1 4 Mo的 原子也较大 比镍 钴和铁原子大9 12 Mo明显增大Ni固溶体的晶格常数 并使屈服强度明 显增大 Mo的加入会形成大量的M6C碳化物 Mo也进入 相 改变基体与 的晶格错配度 主要合金化元素及其作用 主要合金化元素及其作用 强化固溶体的元素 Nb Nb原子的半径比W Mo更大 较Ni Co和Fe原子 大15 18 Nb增加晶格常数
13、比W和Mo要明显 因而Nb的固溶强化作用更大 Nb主要溶解于 相 在 相中通常只占加入量的 10 左右 Nb主要是强化固溶 相的元素 Nb明显降低 基体的堆垛层错能 所以明显降低蠕 变速率 提高蠕变性能 Nb是碳化物形成元素 还参与硼化物的形成 过 多的铌还会引起Laves相的析出 主要合金化元素及其作用 强化固溶体的元素 Ta Ta是一种战略元素 价格昂贵 原子半径很大 较 Ni Co Fe原子大15 18 Ta在镍基高温合金中约有80 进入 相 增强 相 的强化效果 约10 15 形成富Ta的MC碳化物 只有5 10 左右进入 固溶体 起固溶强化的作 用 Ta也降低 固溶体的堆垛层错能 使
14、 固溶体瞬时拉 伸强度与蠕变性能明显提高 主要合金化元素及其作用 强化固溶体的元素 Ta 主要合金化元素及其作用 强化固溶体的元素 Ta 主要合金化元素及其作用 Re是一种贵重的战略元素 先进的第二代 三代单 晶高温合金中都加入Re进行固溶强化 Re原子半径较Ni原子大10 加入单晶高温合金中的 Re 约80 进入Ni基固溶体 Re强化特点是进入 固溶体的铼原子易于形成约1nm 的短程有序的Re原子团 增加位错运动阻力 Re进入 固溶体 可以降低其它合金元素的扩散速 率 阻止 相长大 细化 相尺寸 提高 错配度 Re的添加可以产生有害的TCP相 对组织稳定性不利 强化固溶体的元素 Re 主要合
15、金化元素及其作用 强化固溶体的元素 V 分布在 基体中的的V原子半径为0 1311nm 比Ni 原子半径大5 起明显固溶强化作用 加入高温合金主要分布于 奥氏体 约占70 87 其次分布在 相 约占14 29 在微量相中分 布很少 仅占2 6 对于变形镍基高温合金 V明显改善热加工工艺塑 性 主要合金化元素及其作用 强化固溶体的元素 V V含量在 N826合金各相中的分配 wt 合金钒含 量 相中钒含量微量相中钒含量 基体中钒含量 占合金的重 量 占钒总重量 占合金的重 量 占钒总重 量 占合金的重 量 占钒总重 量 0 0 210 02713 5 0 17486 5 0 800 2126 3
16、0 004760 58573 13 1 610 4628 80 03221 1269 5 主要合金化元素及其作用 Ru的熔点为2250 原子半径为0 269nm 比Ni 原子大 加入到镍基高温合金使晶格膨胀 产生 长程应力场 强化高温合金 Ru是一种弱偏析元素 在 中的分配比约为0 7 Ru主要溶解于 相中 使合金具有较大的负错配度 增加了单晶合金形成筏排组织倾向 是合金在 高温低应力下的持久寿命延长 由于Re的添加 促进有害TCP相析出 大幅度降 低高温合金蠕变性能和缩短单晶叶片使用寿命 而含Ru的单晶高温合金能有效抑制TCP相析出 强化固溶体的元素 Ru 主要合金化元素及其作用 多种元素固溶强化 英美某些铸造合金的Mo W含量与持久强度的关系 合金元素含量 137Mpa 100h 下的工作温度 oC 密度 g cm3 CrWMoAlTi Inco71 3C 12 5 4 26 50 89857 9 IN 10010 0 3 05 54 710007 8 M215 711 02 06 0 10208 5 G1045 08 03 56 0 10258 6 Mar M246 9 010
