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1、二一北京师范大学核科学与技 术学院CH4银基超合金CH2.1镁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.圉银基超合金应用：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、有序金属问 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 .银基合金中的元素一些有代表性的镁合金的组成列于下表:兀素影响铭抗氧化和热腐蚀,固溶体强化车目、鸨固溶体强化,形成 M 6c碳化 物铝、钛形成y NAl,Ti,淀积硬化,
2、Ti还可以形成MC碳化物,Al增强抗氧化性钻提升Y的固-溶相线温度硼、培通过增加延展性提升断裂寿 命,B还可以形成硼化物碳形成 MC , M 7c3, M23C6 碳化物钝形成y 3Nb淀积硬化,形成6正交NisNb,形成碳化物钥固溶体强化,形成 MC碳化 物,增强抗氧化性俅提升蠕变强度,反抗环境影响,可以参与 y错形成MC碳化物,提升晶界 延展性,增加共熔的丫/的体 积比例,提升抗氧化性,提升 抗热腐蚀性(1)要获得增强和抗氧化性,铝是镇中最重要的合金元素.(2)要获得抗热腐蚀性,是铭.铭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 10
3、% Cr.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、合金稳定性或者环境反抗性方面的作用,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、氧或者氮必须通过适宜的工艺来限制.在主要部件中, 其它微量元素例如硒和铅限制在很低的水平.大多数银 基超合金包含1020%的铭来保护外表, 多达8%的铝和钛 结合来保持强度,还有 510%的钻和少量的硼、皓和碳, 后三者提升高温下反抗晶界断裂的水平.其它常见的添加元素有铝、锂、鸨、院和错,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,铭和铝是
4、提升外表 稳定性所必需的,它们分别形成Cr2O3和AI2O3.2 .银基合金中的相在超合金中,是否到达希望的特性很大程度上依赖?相的数量、尺寸、形状以及碳化物的分布.在多晶中晶界上 存在硼和错可以进一步提供高温下的强度.银基合金中由现的主要相如下：相晶体结构晶格参数nm典型例子Yfcc纯 Ni3Al: 0.3561Ni3(Al 0.5Ti 0.5):0.3568Ni3AlNi3(Al, Ti)刀hcpa0=0.5093Ni3TiCo=0.8476Ybcta0=0.3624co=0.7406Ni3NbNi3Nb(6 )斜方ao=O.51O6-O.5Hbo=O.421-0.4251 c0=0.45
5、2-0.4556Ni3NbMCfeeao=O.43O-O.47OTiC、NbCM23c6feeao=l.O5O-l.O7O(Cr,Fe,W,Mo)M23c6m6c立方ao=l.O85-1.175Fe3Mo3cM3B2四方ao=O.56O-O.62Oco=O.3OO-O.33OTajBiNb3B2Laves六角ao=O.475-O.495co=O.77O-O.815Fe2Nb四方ao=O.88O-O.91Oco=O45O-O.48OFeCrFeCrMo(1) Y基体(y)o Fee银基相,常常含有高百分比的固溶体元素,诸如：铝、铁、钻、铢、钥和鸨.所有银基合金含有这种相作为基体.(2) Gamm
6、a Prime(yO参加足够数量的铝和钛沉淀出有序 Fee Ni3 (Al,Ti)o与奥氏体丫基体完全共格.其它元素, 尤其是铜、铭、铢和钛也进入丫,相.需要这种相来保持高温 下强度和反抗蠕变.(3) Gamma double prime (y).在铁存在的情形下,和银结合,形成bctWNisNb,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8150c时不稳定.可以用铭替代局部或全部胃来提升性质.4碳化物.碳参加到0.05.2%的数量与钛、铭和铃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
7、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层/薄膜.这可以提升抗腐蚀特性.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.在银基超合金中,上面大多数相除y经常出现.另一方面,一些NiFe超合金诸如IN706和IN718,包含yNi3Nb作为根本沉淀,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,诸如上/基体中的丫2.3. 还有合成物机械混合
8、可以在户包含铝或者鸨合金纤维.3. y基体体心正方镇的弹性模数和扩散性是两个提升抗蠕变腐蚀的因 素.丫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 0.85TM (熔点)下使用,能够在低一些温 度下时间长达100000小时.这些要求可以到达是由于： (1)由于其d壳层几乎填满,镇对于溶质有很高的耐受性 而没有相变.(2)在参加铭时,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AI2O3外表层,具有显著的抗氧化性. 其 它元素,特别是 Ta、Re和Y,提升环境反抗性.4. 丫 Y 是一种有序的成分为 Ni3A
9、l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 60 70% 丫 ； 经常是立方形的.Y 是一种有CU3AU (Ll2)结构的超晶格.直到其熔点 1385c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.大多数镁基 合金通过淀积强化,其中多达60%的铝可替换为钛和(或者)锂.NiaAl中银的位置可
10、以被铁和钠原子占据.纯的NiaAl的变形类似fcc金属,在低温下111 滑移,在高于 400c时观察到一些滑移沿100,在700c100滑移占主体.在Li 2结构中,存在三种堆积层错：超晶格固有的和非固有的层错；反相边界1层错； 3复合层错.银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y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 y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 y中,在一196c到大约800c 高度 依赖溶质,如 圉所示,流应力显示由显著的、可逆的增长. 其它超晶格在接近有序临界温度Tc的
11、一个很窄的温度范围内显示由一个不大的强度峰.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：NiaSi、CoaTi、NiaGe、NiaCa 都是Ll2结构,显示由在与 NiaAl相似的温度范围内强度增 加.在所有这些合金中流应力对于温度变化完全可逆.Y 流应力峰的幅度和温度位置可以随合金元素变化, 诸如钛、铭、和花.在 y甲,这些和其它溶质可以很容易的1?材料科学导论?P147溶解.蛇、锂和钛是室温下Y的有效的固溶体硬化物.鸨、硅和铝是室温和高温下的强化元素.钠对于Y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提升 111 101滑
12、移的临界分剪应力 CRSS,降低 001、110滑移的 CRSSo5. y Y 是一种Ni-Nb-Fe基合金诸如IN706和IN718和 Ni-Nb-Ta-Co 合金 Rene 220 中的 Ni3Nb 的 bct 共格沉淀. 在缺少铁或者钻或者在 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6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保证y沉淀而不是8.在IN718中,丫常常伴随着丫匚起沉淀,但是 丫是这 个环境下根本的强化物.不象丫通过被切割时使粒子无序来实现强化,丫强讹是由于其在晶格中高的共格应力.通过各种技术处理得到的IN718 ,其高强度和性能是使其成为最广泛使用的银基超合金的两个主要因素.包被用来局部或全部代替 Nb 例如在 Rene 220C和Rene 220W中 包含1 3%Ta和23%的Nb.铁作为产生四方结构丫；可以用钻代替.