高温合金中的相

1、高温合金材料的金属间化合物(Inter-metallic compound phase of super-alloy)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 (TCP 相)。1.几何密排相为有序结构，高温合金中常见的有如下几种相:相化学式是 Ni 3A1 ，是 Cu3Au 型面心立方有序结构。铁基高温合金中与 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 与 基体的结构相似， 所以 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。相本

2、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 相成为高温合金最主要的强化相。 时效析出的相常为方形和球形，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，相不仅在晶内弥散析出，还可以在晶界析出链状的方形相。在长期时效和使用过程中，相会聚集长大。铸态的一次 ( +)共晶呈花朵状。 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。相中含铌、钽、钨等难熔元素增加， 相的强度也增加。

3、当合金中相含量较少时， 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，相尺寸大小对合金强度的影响就不大敏感了，允许有大尺寸的相存在。相化学式 Ni 3Ti 为密排六方有序相， 其组成较固定， 不易固溶其他元素 . 相可以直接从 基体中析出，也可以由高钛低铝 (Ti/Al 25)合金中亚稳定的 Ni 3(Al ， Ti) 相转变而成。 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 相总是伴随着强度下降，因为 相本身既无硬化作用而又要消耗一部分 相。合金中减少钛含量， 增加铝含量， 加入适量硼可以抑

4、止胞状 相。某些铁基高温合金中加硅使生成 G 相，造成晶界贫 区，可明显地抑止 相。相的析出温度范围为 700 950左右。 冷加工能明显促进 相形成。相化学式为 Ni xNb，体心四方有序结构，金相形貌是圆盘形。 相具有高屈服强度 ( 1300MPa)的特点， 这是因为 与 之间的点阵错配度较大，共格应力强化作用显著 。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 -Ni3Nb 转变，因此使用温度不能超过 650700。 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， 因此用相强化的合金有良好的焊接性。 Ni Nb 二元系中不出现 亚稳

5、定相， 而直接形成稳定的 -Ni 3Nb 相，只有加入适量的铁和铬才能形成 相。因此，用 相强化的合金都是铁镍基合金。-Ni 3 相NbCu3Ti 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 -Ni3Nb相，在某些合金中还有胞状相。该相析出-Ni 3Nb温度约为 780980。硅、铌促进 -Ni 3相形成，用钽代替铌可以阻止 3Nb-Ni Nb相析出。 GH4169 合金中加入铝、钛可以抑止 -Ni3转变。Nb2.拓扑密排相晶体结构复杂，原子排列非常紧密，配位数高达 1416，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。相属四方点

6、阵， 最大配位数为 15。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。 相常在晶界形核，但也在 M 23C6 颗粒上形核。最快析出的温度范围为 750870C。镍阻止 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 相颗粒常引起沿晶断裂，降低冲击韧性。Laves 相有 MgCu 2 型、MgZn 2 型和 MgNi 2 型 3 种

7、晶体结构，高温合金中多属 MgZn 2 型。 Laves 相的化学式为 B2 A ，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 6501100，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

8、性。少量短棒状 Laves 相没有严重的有害作用。相化学式为 B7A 6，属三角晶系， B 为周期表族元素， A 为 V 族、族元素。相的金相形态呈颗粒状、棒状、片状或针状。相由于颗粒较大，没有强化作用，针状析出会降低室温塑性。合金中钼、钨的总量超过10时易形成 相。相和 Ni 2AITi 相相为体心立方有序结构，Ni 2AlTi 为面心立方结构。这两相的金相形态很相似，常呈块状、棒状或粗片状。用碱性苦味酸溶液煮后，相变褐色， Ni 2AITi相为杏黄色。 这两种相都会降低合金力学性能。铁基高温合金中， 当钛与铝之比小于 0.5，而铝、钛总量又超过 4时，就会析出 相。如果提高钛与铝之比， 相

9、就减少；当钛与铝之比接近 1 时，就出现 Ni 2AITi 相；当钛与铝之比超过 1 时， Ni 2AlTi 相逐步减少， Ni 3(Al ， Ti) 就逐步变为惟一的析出相。G 相分子式 A 6B16C7，c 为硅原子， A 为钛族和 V 族原子， B 为钴、镍原子。晶体结构为面心立方。 G 相的金相形貌为晶界块状，量多时可为网状。少量晶界 G 相对性能没有影响，含量较多时将降低持久强度。3. 相分计算预测和控制 TCP 相的出现相分计算是一种预测和控制高温合金出现拓扑密排相 (主要是 相)的重要方法，尚处于半理论半实验阶段。 其理论基础是根据拓扑密排相是一种电子化合物，它的形成与合金的电子空位数有关。 相分计算的要点是计算合金残余固溶体的电子空位数 NV 值。式中 NVI 。是 j 元素的电子空位浓度， xi 为合金元素的原子百分数。 Nv 值大于临界值，合金会析出 相；小于临界值，合金组织稳定。根据实践经验，镍基高温合金的临界值约为 2.50，钴基高温合金的临界值约为 2.70。铁基高温合金的临界值不是一个恒定值，随成分而异，随着镍含量增加而下降。中国对 GH2132 合金提出了一个简便易行的相分计算公式：式中 1、3、