二 - 北京师范大学核科学与技术学院

1、CH4镍基超合金CH2.1镍基超合金的成分和微结构（上）一介绍面心立方结构；对许多合金元素有高的溶解度；可以通过直接和间接的多种手段强化。图镍基超合金应用：航空燃气轮机、复式发动机（涡轮增压器、排气阀）以及高温作业工具、压模和蒸汽发生器的连接螺栓。二组成、微结构和性质对于大多数零件，通过固溶体强化结合、有序金属间化和相的沉淀可以获得高温强化。氧化物颗粒或者碳化物可以获得更多的好的特性。1镍基合金中的元素一些有代表性的镍合金的组成列于下表：元素影响铬抗氧化和热腐蚀，固溶体强化钼、钨固溶体强化，形成M6C碳化物铝、钛形成Ni3 (Al,Ti)，淀积硬化，Ti还可以形成MC碳化物，Al增强抗氧化性钴

2、提高的固-溶相线温度硼、锆通过增加延展性提高断裂寿命，B还可以形成硼化物碳形成MC，M7C3，M23C6碳化物铌形成Ni3Nb淀积硬化，形成正交Ni3Nb，形成碳化物钽固溶体强化，形成MC碳化物，增强抗氧化性铼提高蠕变强度，抵抗环境影响，可以参与铪形成MC碳化物，提高晶界延展性，增加共熔的/的体积比例，提高抗氧化性，提高抗热腐蚀性（1）要获得增强和抗氧化性，铝是镍中最重要的合金元素。（2）要获得抗热腐蚀性，是铬。铬带来对合金的弱化作用。因此，当早期的时候，超合金中包含多达20的Cr，现代超合金更多的是包含大约10Cr。大多超合金包含8种或者更多的元素，每种元素有特定的关于强度、合金稳定性或者环

3、境抵抗性方面的作用，往往要考虑折衷。它们分为三类：各方等大的、直接固化的和单晶。一般每种溶质元素提供一种以上的作用。有害的元素诸如硅、磷、硫、氧或者氮必须通过合适的工艺来控制。在主要部件中，其它微量元素（例如硒和铅）控制在很低的水平。大多数镍基超合金包含1020的铬来保护表面，多达8的铝和钛结合来保持强度，还有510的钴和少量的硼、锆和碳，后三者提高高温下抵抗晶界断裂的能力。其它常见的添加元素有钼、铌、钨、铊和铪，这些元素扮演双重角色：起强化作用的溶质和形成碳化物的元素。另外，铬和铝是提高表面稳定性所必需的，它们分别形成Cr2O3和Al2O3。2镍基合金中的相在超合金中，是否达到希望的特性很大

4、程度上依赖相的数量、尺寸、形状以及碳化物的分布。在多晶中晶界上存在硼和锆可以进一步提供高温下的强度。镍基合金中出现的主要相如下：相晶体结构晶格参数（nm）典型例子fcc纯Ni3Al：0.3561Ni3(Al0.5Ti0.5)：0.3568Ni3AlNi3(Al，Ti)hcpa0=0.5093c0=0.8476Ni3Tibcta0=0.3624c0=0.7406Ni3NbNi3Nb()斜方a0=0.5106-0.511b0=0.421-0.4251c0=0.452-0.4556Ni3NbMCfcca0=0.430-0.470TiC、NbCM23C6fcca0=1.050-1.070（Cr,Fe,

5、W,Mo）M23C6M6C立方a0=1.085-1.175Fe3Mo3CM3B2四方a0=0.560-0.620c0=0.300-0.330Ta3B2Nb3B2Laves六角a0=0.475-0.495c0=0.770-0.815Fe2Nb四方a0=0.880-0.910c0=0.450-0.480FeCrFeCrMo（1）基体（）。Fcc镍基相，常常含有高百分比的固溶体元素，诸如：铬、铁、钴、铼、钼和钨。所有镍基合金含有这种相作为基体。（2）Gamma Prime() 加入足够数量的铝和钛沉淀出有序Fcc ，Ni3（Al,Ti）。与奥氏体基体完全共格。其它元素，尤其是铌、铬、铼和钛也进入相。

6、需要这种相来保持高温下强度和抵抗蠕变。（3）Gamma double prime（）。在铁存在的情形下，镍和铌结合，形成bct1 体心正方Ni3Nb，与基体共格但引入大量失配应力。在低温到中温区，这种相提供很高的强度，但在高于大约815时不稳定。可以用铊替代部分或全部铌来提高性质。（4）碳化物。碳加入到0.05-0.2%的数量与钛、铊和铪等反应元素结合形成MC碳化物。在热处理或热工作条件下这些趋于分解和产生其它的碳化物，诸如：M23C6和或者趋于产生于晶界上的M6C。碳化物在除单晶之外的所有超合金中存在。它们仅提供间接强化。（5）晶界。在较强的合金中，热处理或者工作在暴露条件下会沿着晶界产生一

7、层薄膜。这可以提高抗腐蚀特性。（6）硼化物。硼隔离在晶界上，结果会形成一层密度相对较低的硼粒子。（7）拓扑密堆积相。对于一些成分，或者是在一定条件下，象盘子一样的相诸如：、和Laves可以形成，引起腐蚀强度和延展性降低。在镍基超合金中，上面大多数相（除）经常出现。另一方面，一些Ni-Fe超合金诸如IN706和IN718，包含Ni3Nb作为基本沉淀，还有。另外，氧分散体强化的合金包含百分之几体积的分散体相，诸如-基体中的Y2O3。还有合成物（机械混合）可以在-包含钨或者钨合金纤维。3基体镍的弹性模数和扩散性是两个提高抗蠕变腐蚀的因素。基体要在大多数极端温度和时间条件下保持强度。一些超合金能够在0

8、.85TM（熔点）下使用，能够在低一些温度下时间长达100000小时。这些要求可以达到是由于：（1）由于其d壳层几乎填满，镍对于溶质有很高的耐受性而没有相变。（2）在加入铬时，趋于形成Cr2O3。仅有很少的阳离子空位，因此限制金属元素向外的扩散率和氧、氮、硫向内的扩散。（3）在高温下形成Al2O3表面层，具有显著的抗氧化性。其它元素，特别是Ta、Re和Y，提高环境抵抗性。4是一种有序的成分为Ni3Al的金属间化合物。在一个相对窄的成分范围内是稳定的。其形态与基体沉淀失配有联系。当体积比例低于25时，它以类似球体的粒子沉淀。在高含量Al+Ti成分合金中，立方形的沉淀。当失配00.2时，沉淀是球形

9、的；失配在0.5-1%时变成立方形的；失配1.25%以上变成碟子状的。现代铸造超合金包含6070，经常是立方形的。是一种有Cu3Au（Ll2）结构的超晶格。直到其熔点1385具有长程序。虽然Ni3Al存在于相当窄的成分范围内，合金元素可以不受限制地替代任一种组成成分。大多数镍基合金通过淀积强化，其中多达60的铝可替换为钛和（或者）铌。Ni3Al中镍的位置可以被铁和钴原子占据。纯的Ni3Al的变形类似fcc金属，在低温下111<110>滑移，在高于400时观察到一些滑移沿100，在700100滑移占主体。在Li2结构中，存在三种堆积层错：(1)超晶格（固有的和非固有的）层错；(2)反

10、相边界1 材料科学导论P147层错；(3)复合层错。镍基合金的形变在很大程度上受大量形变引起的位错的影响。一些淀积强化模型预言临界分剪应力（CRSS）对于的有序（反相边界）能量有敏感的依赖。还有，Mar-M200的蠕变特性与中位错经过粒子留下的错位的性质有联系。单晶和多晶的纯中，在196到大约800（高度依赖溶质，如图所示），流应力显示出显著的、可逆的增长。其它超晶格在接近有序临界温度Tc的一个很窄的温度范围内显示出一个不大的强度峰。这个峰与有序度和温度关系的变化有联系。其它几种超晶格：Ni3Si、Co3Ti、Ni3Ge、Ni3Ca都是Ll2结构，显示出在与Ni3Al相似的温度范围内强度增加。

11、在所有这些合金中流应力对于温度变化完全可逆。流应力峰的幅度和温度位置可以随合金元素变化，诸如钛、铬、和铌。在中，这些和其它溶质可以很容易的溶解。铊、铌和钛是室温下的有效的固溶体硬化物。钨、硅和钼是室温和高温下的强化元素。钴对于没有固溶体强化作用。相对于两相Ni3Al，所有单晶Ni3Al的替代元素（Mo、Ta、Nb、Ti、W）提高111101滑移的临界分剪应力（CRSS），降低001、110滑移的CRSS。5. 是一种Ni-Nb-Fe基合金（诸如IN706和IN718和Ni-Nb-Ta-Co合金Rene220）中的Ni3Nb的bct共格沉淀。在缺少铁或者钴或者在图所示的温度和时间范围内，一种同样是Ni3Nb成分的四方晶系沉淀（相）形成。后者总是不共格和不具强化作用。因此，小心地进行热处理是确保沉淀而不是 。在IN718