二 - 北京師范大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院

1、CH4鎳基超合金CH2.1鎳基超合金的成分和微結(jié)構(gòu)（上）一介紹面心立方結(jié)構(gòu)；對(duì)許多合金元素有高的溶解度；可以通過直接和間接的多種手段強(qiáng)化。圖鎳基超合金應(yīng)用：航空燃?xì)廨啓C(jī)、復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)（渦輪增壓器、排氣閥）以及高溫作業(yè)工具、壓模和蒸汽發(fā)生器的連接螺栓。二組成、微結(jié)構(gòu)和性質(zhì)對(duì)于大多數(shù)零件，通過固溶體強(qiáng)化結(jié)合、有序金屬間化和相的沉淀可以獲得高溫強(qiáng)化。氧化物顆粒或者碳化物可以獲得更多的好的特性。1鎳基合金中的元素一些有代表性的鎳合金的組成列于下表：元素影響鉻抗氧化和熱腐蝕，固溶體強(qiáng)化鉬、鎢固溶體強(qiáng)化，形成M6C碳化物鋁、鈦形成Ni3 (Al,Ti)，淀積硬化，Ti還可以形成MC碳化物，Al增強(qiáng)抗氧化性鈷

2、提高的固-溶相線溫度硼、鋯通過增加延展性提高斷裂壽命，B還可以形成硼化物碳形成MC，M7C3，M23C6碳化物鈮形成Ni3Nb淀積硬化，形成正交Ni3Nb，形成碳化物鉭固溶體強(qiáng)化，形成MC碳化物，增強(qiáng)抗氧化性錸提高蠕變強(qiáng)度，抵抗環(huán)境影響，可以參與鉿形成MC碳化物，提高晶界延展性，增加共熔的/的體積比例，提高抗氧化性，提高抗熱腐蝕性（1）要獲得增強(qiáng)和抗氧化性，鋁是鎳中最重要的合金元素。（2）要獲得抗熱腐蝕性，是鉻。鉻帶來對(duì)合金的弱化作用。因此，當(dāng)早期的時(shí)候，超合金中包含多達(dá)20的Cr，現(xiàn)代超合金更多的是包含大約10Cr。大多超合金包含8種或者更多的元素，每種元素有特定的關(guān)于強(qiáng)度、合金穩(wěn)定性或者環(huán)

3、境抵抗性方面的作用，往往要考慮折衷。它們分為三類：各方等大的、直接固化的和單晶。一般每種溶質(zhì)元素提供一種以上的作用。有害的元素諸如硅、磷、硫、氧或者氮必須通過合適的工藝來控制。在主要部件中，其它微量元素（例如硒和鉛）控制在很低的水平。大多數(shù)鎳基超合金包含1020的鉻來保護(hù)表面，多達(dá)8的鋁和鈦結(jié)合來保持強(qiáng)度，還有510的鈷和少量的硼、鋯和碳，后三者提高高溫下抵抗晶界斷裂的能力。其它常見的添加元素有鉬、鈮、鎢、鉈和鉿，這些元素扮演雙重角色：起強(qiáng)化作用的溶質(zhì)和形成碳化物的元素。另外，鉻和鋁是提高表面穩(wěn)定性所必需的，它們分別形成Cr2O3和Al2O3。2鎳基合金中的相在超合金中，是否達(dá)到希望的特性很大

4、程度上依賴相的數(shù)量、尺寸、形狀以及碳化物的分布。在多晶中晶界上存在硼和鋯可以進(jìn)一步提供高溫下的強(qiáng)度。鎳基合金中出現(xiàn)的主要相如下：相晶體結(jié)構(gòu)晶格參數(shù)（nm）典型例子fcc純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）基體（）。Fcc鎳基相，常常含有高百分比的固溶體元素，諸如：鉻、鐵、鈷、錸、鉬和鎢。所有鎳基合金含有這種相作為基體。（2）Gamma Prime() 加入足夠數(shù)量的鋁和鈦沉淀出有序Fcc ，Ni3（Al,Ti）。與奧氏體基體完全共格。其它元素，尤其是鈮、鉻、錸和鈦也進(jìn)入相。

6、需要這種相來保持高溫下強(qiáng)度和抵抗蠕變。（3）Gamma double prime（）。在鐵存在的情形下，鎳和鈮結(jié)合，形成bct1 體心正方Ni3Nb，與基體共格但引入大量失配應(yīng)力。在低溫到中溫區(qū)，這種相提供很高的強(qiáng)度，但在高于大約815時(shí)不穩(wěn)定?？梢杂勉B替代部分或全部鈮來提高性質(zhì)。（4）碳化物。碳加入到0.05-0.2%的數(shù)量與鈦、鉈和鉿等反應(yīng)元素結(jié)合形成MC碳化物。在熱處理或熱工作條件下這些趨于分解和產(chǎn)生其它的碳化物，諸如：M23C6和或者趨于產(chǎn)生于晶界上的M6C。碳化物在除單晶之外的所有超合金中存在。它們僅提供間接強(qiáng)化。（5）晶界。在較強(qiáng)的合金中，熱處理或者工作在暴露條件下會(huì)沿著晶界產(chǎn)生一

7、層薄膜。這可以提高抗腐蝕特性。（6）硼化物。硼隔離在晶界上，結(jié)果會(huì)形成一層密度相對(duì)較低的硼粒子。（7）拓?fù)涿芏逊e相。對(duì)于一些成分，或者是在一定條件下，象盤子一樣的相諸如：、和Laves可以形成，引起腐蝕強(qiáng)度和延展性降低。在鎳基超合金中，上面大多數(shù)相（除）經(jīng)常出現(xiàn)。另一方面，一些Ni-Fe超合金諸如IN706和IN718，包含Ni3Nb作為基本沉淀，還有。另外，氧分散體強(qiáng)化的合金包含百分之幾體積的分散體相，諸如-基體中的Y2O3。還有合成物（機(jī)械混合）可以在-包含鎢或者鎢合金纖維。3基體鎳的彈性模數(shù)和擴(kuò)散性是兩個(gè)提高抗蠕變腐蝕的因素?；w要在大多數(shù)極端溫度和時(shí)間條件下保持強(qiáng)度。一些超合金能夠在0

8、.85TM（熔點(diǎn)）下使用，能夠在低一些溫度下時(shí)間長(zhǎng)達(dá)100000小時(shí)。這些要求可以達(dá)到是由于：（1）由于其d殼層幾乎填滿，鎳對(duì)于溶質(zhì)有很高的耐受性而沒有相變。（2）在加入鉻時(shí)，趨于形成Cr2O3。僅有很少的陽(yáng)離子空位，因此限制金屬元素向外的擴(kuò)散率和氧、氮、硫向內(nèi)的擴(kuò)散。（3）在高溫下形成Al2O3表面層，具有顯著的抗氧化性。其它元素，特別是Ta、Re和Y，提高環(huán)境抵抗性。4是一種有序的成分為Ni3Al的金屬間化合物。在一個(gè)相對(duì)窄的成分范圍內(nèi)是穩(wěn)定的。其形態(tài)與基體沉淀失配有聯(lián)系。當(dāng)體積比例低于25時(shí)，它以類似球體的粒子沉淀。在高含量Al+Ti成分合金中，立方形的沉淀。當(dāng)失配00.2時(shí)，沉淀是球形

9、的；失配在0.5-1%時(shí)變成立方形的；失配1.25%以上變成碟子狀的?，F(xiàn)代鑄造超合金包含6070，經(jīng)常是立方形的。是一種有Cu3Au（Ll2）結(jié)構(gòu)的超晶格。直到其熔點(diǎn)1385具有長(zhǎng)程序。雖然Ni3Al存在于相當(dāng)窄的成分范圍內(nèi)，合金元素可以不受限制地替代任一種組成成分。大多數(shù)鎳基合金通過淀積強(qiáng)化，其中多達(dá)60的鋁可替換為鈦和（或者）鈮。Ni3Al中鎳的位置可以被鐵和鈷原子占據(jù)。純的Ni3Al的變形類似fcc金屬，在低溫下111<110>滑移，在高于400時(shí)觀察到一些滑移沿100，在700100滑移占主體。在Li2結(jié)構(gòu)中，存在三種堆積層錯(cuò)：(1)超晶格（固有的和非固有的）層錯(cuò)；(2)反

10、相邊界1 材料科學(xué)導(dǎo)論P(yáng)147層錯(cuò)；(3)復(fù)合層錯(cuò)。鎳基合金的形變?cè)诤艽蟪潭壬鲜艽罅啃巫円鸬奈诲e(cuò)的影響。一些淀積強(qiáng)化模型預(yù)言臨界分剪應(yīng)力（CRSS）對(duì)于的有序（反相邊界）能量有敏感的依賴。還有，Mar-M200的蠕變特性與中位錯(cuò)經(jīng)過粒子留下的錯(cuò)位的性質(zhì)有聯(lián)系。單晶和多晶的純中，在196到大約800（高度依賴溶質(zhì)，如圖所示），流應(yīng)力顯示出顯著的、可逆的增長(zhǎng)。其它超晶格在接近有序臨界溫度Tc的一個(gè)很窄的溫度范圍內(nèi)顯示出一個(gè)不大的強(qiáng)度峰。這個(gè)峰與有序度和溫度關(guān)系的變化有聯(lián)系。其它幾種超晶格：Ni3Si、Co3Ti、Ni3Ge、Ni3Ca都是Ll2結(jié)構(gòu)，顯示出在與Ni3Al相似的溫度范圍內(nèi)強(qiáng)度增加。

11、在所有這些合金中流應(yīng)力對(duì)于溫度變化完全可逆。流應(yīng)力峰的幅度和溫度位置可以隨合金元素變化，諸如鈦、鉻、和鈮。在中，這些和其它溶質(zhì)可以很容易的溶解。鉈、鈮和鈦是室溫下的有效的固溶體硬化物。鎢、硅和鉬是室溫和高溫下的強(qiáng)化元素。鈷對(duì)于沒有固溶體強(qiáng)化作用。相對(duì)于兩相Ni3Al，所有單晶Ni3Al的替代元素（Mo、Ta、Nb、Ti、W）提高111101滑移的臨界分剪應(yīng)力（CRSS），降低001、110滑移的CRSS。5. 是一種Ni-Nb-Fe基合金（諸如IN706和IN718和Ni-Nb-Ta-Co合金Rene220）中的Ni3Nb的bct共格沉淀。在缺少鐵或者鈷或者在圖所示的溫度和時(shí)間范圍內(nèi)，一種同樣是Ni3Nb成分的四方晶系沉淀（相）形成。后者總是不共格和不具強(qiáng)化作用。因此，小心地進(jìn)行熱處理是確保沉淀而不是 。在IN718