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 :丫相化学式是 Ni3A1，是 Cu3Au 型面心立方有序结构。铁基高温合金中 丫与丫 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。由于丫与丫基体的结构相似，所以丫相在时效析出 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

2、特点。丫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。这些基本特点使丫相成为高温合金最主要的强化相。时效析出的 丫相常为方形和球形，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，丫相不仅在晶内弥散析出，还可以在晶界析出链状的方形丫相。在长期时效和使用过程中，丫相会聚集长大。铸态的一次（丫 +洪晶呈花朵状。丫相中可以溶入合金元素，钻可以置换镍， 钛、钒；铌可以置换铝；而铁、铬、钼可置换镍也可置换铝。丫相中含铌、钽、钨等难熔元素

3、增加，丫相的强度也增加。当合金中丫相含量较少时，丫相尺寸大 小对强度的影响十分敏感，通常 0.10.5/xm 比较合适。当了相数量达 40%以 上时，丫相尺寸大小对合金强度的影响就不大敏感了， 允许有大尺寸的丫相存在。n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.n相可 以直接从丫基体中析出，也可以由高钛低铝（Ti/AlM25）合金中亚稳定的 Ni3（Al， Ti）相转变而成。n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n相总是伴随着强度下降，因为n相本身既无硬化作用而又要消耗一部分 丫相。合金中减少钛含量，增加铝含量，加

4、入适 量硼可以抑止胞状n相。某些铁基高温合金中加硅使生成 G 相，造成晶界贫丫 区，可明显地抑止n相。n相的析出温度范围为 700950C左右。冷加工能明显 促进n相形成。Y相化学式为 NixNb，体心四方有序结构，金相形貌是圆盘形。Y相具有高屈服强度（1300MP 的特点，这是因为丫与Y之间的点阵错配度较大，共格应力强 化作用显著。Y 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Y -Ni3Nb 转变，因此使用温度不能超过 650700C。Y相析出温度约为 550900C,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Y 相强化的合金有良好的焊接性。Ni Nb 二

5、元系中不出现Y亚稳定相，而直接 形成稳定的咅 Ni3Nb 相，只有加入适量的铁和铬才能形成Y相。因此，用Y相 强化的合金都是铁镍基合金。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 Ni3Nb 相，在某些合金中还有胞状 咅 Ni3Nb 相。该相析出 温度约为 780980r0硅、 铌促进 Ni3Nb 相形成， 用钽代替铌可以阻止 Ni3Nb 相析出。 GH4169合金中加入铝、钛可以抑止 丫 -Ni3Nb 转变。2.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0高温合金中

6、常见的有如下几种0c相属四方点阵，最大配位数为 15o c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 17 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。c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 750870C。镍阻止c相形成，铁、钻、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c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

7、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 6501100C,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

8、 Laves 相 没有严重的有害作用。卩相化学式为 B7A6,属三角晶系，B 为周期表族元素，A 为 V 族、切族元素。 卩相的金相形态呈颗粒状、棒状、片状或针状。 卩相由于颗粒较大，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%时易形成卩相。B相和 Ni2AITi 相B相为体心立方有序结构，Ni2AlTi 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，B相变褐色，Ni2AITi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B相。如果提高钛与铝之比

9、，B相就减少；当钛与铝之比接近 1 时，就出现 Ni2AITi 相；当钛与铝之比超过 1 时， Ni2AlTi 相逐步减少，Ni3（AI，Ti）就逐步变为惟一的析出相。分子式 A6B16C7, c 为硅原子，A 为钛族和 V 族原子，B 为钻、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B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c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,钻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：aAv = lNi-3Ti-3