多种合金元素对变形高温合金的影响

现在的变形高温合金领域使用范围广泛的是镍基高温合金，当然了，铁基高温合金和钴基高温合金。那这三种高温合金都是由多种合金元素构成，有的时候合金元素都要多达十几种。合金强化是把多种合金元素加入到基体元素(Ni、Fe和Co)中,使之生产强化效应。这些强化效应包括固溶强化、第二相强化(沉淀析出强化和弥散相强化)和晶界强化，以及各种工艺强化方法。变形高温合金的发展过程实际上是把合金强化理论与高温合金实际相结合的过程，另外，高温合金的发展过程又是高温合金生产工艺技术不断改进和革新的过程,这就是合金强化与工艺强化相结合,两者不断相互促进,使高温合金得到新的发展。工艺强化是指通过采用冶炼、凝固结晶、热加工、热处理及表面处理等环节改善合金组织结构而强化，是一种非常重要的强化途径。所以了解合金元素的作用就变得尤为重量，现在网络上有很多关于合金元素作用的文章，但是合金元素对高温合金的作用并没有概括的并不完整。今天，上海墨钜就合金元素对变形高温合金的作用再做个重新的整理，希望对大家有帮助。

镍基高温合金中加入10多种大量元素和微量元素，这些常见的合金元素分为第一类由优先形成面心立方(FCC)奥氏体的元素组成，包括Ⅴ、Ⅵ、Ⅷ族的元素，有Ni、Co、Fe、Cr、Mo、W和V等;第二类为进入基体并形成γ'-(Ni3Al)相，包括Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ族，有Al、Ti、Nb和Ta等;第三类由原子直径大小不固定，常偏聚在晶界上的元素组成，包括Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ族，有Mg、B、C和Zr等。另外必须指出的是一些有害的元素，其中包括Pb、Sn、As、Bi等的低熔点元素和Si、P、S等弱化晶界的元素。这些有害元素的含量及状态往往也是至关重要的。

1、Ni：作为镍基高温合金基体元素，具有面心立方结构，从室温到高温没有同素异构转变。在铁基高温合金中，镍可以稳定奥氏体组织，对提高合金的高温抗拉强度和屈服强度有利，对持久性能的改善十分明显。在钴基高温合金中，Ni可以抑制钴基奥氏体在低温下向密排六方晶体结构转变，同时还可降低钴基合金的变形抗力,从而改善加工性能。同时,Ni还能与Al、Ti、Nb等元素形成γ′沉淀强化相，对合金进行沉淀强化。

2、Fe：具有体心立方结构，从室温到高温要发生同素异构转变。Fe元素加入到镍基变形高温合金中，不仅可以降低成本，而且其晶格常数与Ni相差3%,由于晶格膨胀而引起长程应力场，阻碍位错运动。同时Fe可以降低镍基奥氏体的层错能，有利于屈服强度的提高，因而起到固溶强化作用。Fe加入到钴基高温合金中，扩大奥氏体区，稳定钴基Y奥氏体，与Ni具有类似作用。

3、Co：具有密排六方晶体结构，从室温到高温,要发生同素异构转变，由密排六方结构转变为γ面心立方结构。Co作为合金元素加入到镍基合金中,可以降低基体的堆垛层错能。Co在Ni-Cr时效合金中,对高温强度有良好的作用。

4、Cr、W、Mo：主要起强化作用，也是碳化物形成元素。在广泛应用的镍基变形合金中，几乎都含有10%-20%的Cr。Cr是稳定合金表面氧化性能的元素，在基体表面可形成CR2O3层，具有低的阳离子空位,能阻止金属元素向外和O、N、S及其他有害元素向内扩散，防止材料的氧化和热腐蚀。但过分提高Cr会降低γ′的固溶温度，也降低合金的高温强度。W、Mo主要进入合金固溶体，减慢Al、Ti和Cr的高温扩散速度，并增加扩散激活能，加强固溶体中原子间的结合力，减慢软化速度;Mo比W的效果更为显著,使用温度高于1000℃时,W的强化作用较显著。W、Mo能显著增加镍基合金中γ′相的稳定温度，即提高γ′相的溶解温度。上海墨钜提醒您由于加入W降低了Al、Ti在基体中的溶解度，故增加了γ′相的数量，从而提高了使用温度。此外,W、Mo均能改变γ和γ′相之间晶格常数对错配度，因而也影响γ′相的形态。

5、Al、Ti：γ′相［Ni3(Al,Ti)］主要形成元素，通过相在基体内弥散分布，影响位错行为以强化合金。γ′相中可溶解许多元素,Nb、Ta主要进入γ′相，因此认为Nb、Ta是强化和稳定γ′相的主要元素。镍基变形合金的高温性能主要取决于Al、Ti加入总量和Ti/Al比，增加Al、Ti总量可明显提高γ′相固溶温度和γ′相体积分数。当前具有较高使用温度的变形高温合金,A1+Ti之和接近8%o

6、加入适量的B、Zr能显著提高合金的持久寿命，降低蠕变速率,并显著改善持久缺口敏感性，提高合金的塑性和加工性能。当只加入其中一种时,B的作用比Zr显著，但同时加入B、Zr的合金性能最好。加入过多的B,在晶界上形成硬而脆的化合物，会导致热加工塑性降低。B、Zr主要存在于晶界上,其作用可以认为是改善晶界形态。在变形高温合金中，B、Zr的加入量很少。

7、一些镍基变形合金中添加0.005%-0.05%的Mg,可显著提高合金的持久性能和塑性，减少晶界碳化物、硼化物和硫化物的数量，提高晶间结合力，改善加工塑性。

8、V：在我国研制的变形镍基高温合金GH4037、GH4049、GH4220、GH4413中，加入0.1%-1.0%的V。V加入高温合金主要分布于γ奥氏体，其次分布于γ′相，在微量相中分布很少。V的加入对晶格畸变产生影响，起明显固溶强化作用。