航空航天材料－高温合金部分03-晶界强化.ppt

第二部分高温合金的强化与韧化,高温合金的主要强化方法,固溶强化第二相强化晶界强化,晶界强韧化与微合金化元素的作用,大多数高温合金都是在多晶状态使用，例如：变形高温合金、等轴晶铸造高温合金、定向凝固高温合金、粉末高温合金晶界对室温及中温强度是有利的，但对等强温度以上使用的高温结构件是有害的。低温下，晶界是位错运动的阻碍，起强化作用，细化晶粒是一种重要的强化手段。当温度升高时，晶界对位错运动的阻碍作用易被恢复，晶界区的塞积位错容易与晶界的缺陷产生交互作用而消失，并产生晶界滑动与迁移。这样高温下晶界就成为薄弱环节。在固溶强化和沉淀强化中没有考虑晶界的作用。,晶界强韧化与微合金化元素的作用,晶界缺陷由点缺陷，如空位、空位团、溶质原子和线缺陷位错组成；正是由于晶界存在各种缺陷及应力场，使晶界能较高，成为溶解间隙原子或置换原子的有利场所；现已发现很多微量元素可以在晶界发生偏聚，这一过程可使晶界能量降低，达到热力学平衡状态，对合金性能产生明显影响。,晶界强韧化与微合金化元素的作用,晶界在高温应力作用下的行为晶界滑动和晶界迁移晶界滑动和晶界迁移是高温合金在高温受力状态下的普遍现象：晶界迁移：晶界沿垂直界面方向的移动，即原子由一个晶粒通过晶界转移到另一个晶粒的过程。晶界迁移激活能只有晶内扩散激活能的一半左右。晶界滑动：晶粒沿晶界面的剪切运动，在沿晶分切应力作用下，晶界位错沿晶界面滑移，而同时伴随有晶界位错的攀移及晶界空位的扩散。晶界滑动和晶界迁移总是同时进行的。,晶界强韧化与微合金化元素的作用,晶界在高温应力作用下的行为晶界扩散境界扩散与蠕变空洞的形成直接相关，而晶界偏析原子对晶界扩散有很大影响，凡是促进境界扩散的溶质原子都有利于蠕变空洞的形成，从而降低蠕变断裂时间，反之，则提高蠕变断裂时间。点缺陷源和陷阱在平衡条件下，晶界点缺陷与晶内点缺陷处于动态平衡。一旦平衡破坏，晶界可能起到点缺陷的源和陷阱作用。,晶界强韧化与微合金化元素的作用,溶质原子偏析高温合金中，有大量微量元素可以产生偏析，其含量可以少至ppm数量级。微量元素的局部富集可对高温合金的力学性能产生明显影响。溶质原子偏析可分为偏析和化学反应两种模式。微量元素的偏析又可分为凝固偏析、平衡偏析和非平衡偏析。,晶界强韧化与微合金化元素的作用,凝固偏析：合金在凝固过程中，某些元素向未凝固的液体中扩散，从而在枝晶间和晶界形成偏析，降低终凝温度，并可能形成低熔点相。平衡偏析：某些微量元素的溶质原子从基体中被排斥到晶体结构不紧密的位置，如自由表面、晶界、堆垛层错以及基体和析出相间的界面。平衡偏析对合金性能的影响主要来源于对晶界化学成分和结构的影响。非平衡偏析：是一种动力学偏析现象，其偏析量随温度升高而增多，并随平衡条件的达到而消失。偏析层较厚，可达几个微米。,晶界强韧化与微合金化元素的作用,化学反应：析出：析出机制通常指微量元素在液态或固态发生某种化学反应而析出沉淀相，例如N和O等气体微量元素在合金液态下与合金中Ti、Al等元素化合生成TiN、TiO2、Al2O3等夹杂；分解机制：主要指高温合金部件在服役过程中，环境中O与合金中碳化物相互作用，分解出CO或CO2气泡，而对合金塑性产生恶劣影响。,主要合金化元素及其作用,晶界强化元素：强化机理:有益的微量元素偏聚到晶界提高晶界结合力，B,C,Mg等原子偏聚到晶界，降低晶界能，使系统自由能降低。有益微量元素可以抑制晶界有害杂质及其化合物在晶界偏聚和析出，改变晶界沉淀相形态。有益微量元素可以净化晶界消除有害杂质影响。有益微量元素的晶界沉淀相可以改善晶界的强度和塑性。,主要合金化元素及其作用,有益微合金化元素：B,B原子在晶界富集，增加晶界结合力，硼化物在晶界以颗粒状或块状形式分布，阻止晶界滑移并抑制晶界空洞连接和扩展。消除有害相在晶界析出，减少有害相在晶界上的含量。B原子偏聚于晶界，在高温容易发生共晶反应而生成硼化物M3B2与基体的共晶组织。适量的B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。过多的B，在晶界上形成硬而脆的化合物，有时还是低熔点的，是降低热加工性和塑性的因素。,主要合金化元素及其作用,主要合金化元素及其作用,主要合金化元素及其作用,主要合金化元素及其作用,有益微合金化元素：C,高温合金中的碳主要形成碳化物，凝固过程中析出的碳化物为一次碳化物，呈块状或汉字草书体形貌，主要分布在晶界或枝晶间。时效或使用期间析出的为二次碳化物MC，M23C6，M6C等。碳化物可以改善高温合金的力学性能，提高持久寿命，改善持久塑性和韧性。碳还对高温合金的化学性能有影响。,主要合金化元素及其作用,有益微合金化元素：Mg,主要合金化元素及其作用,镁原子偏聚于晶界，提高晶界结合力，增加晶界强度。微量的镁在晶界偏聚降低晶界能和相界能，改善和细化晶界碳化物以及其它晶界析出相的形态。镁还偏聚于碳化物相界，相界。有效抑制晶界滑动，降低晶界应力集中，消除缺口敏感性。镁与硫等有害杂质形成高熔点的化合物MgS等，净化晶界。微量镁提高持久时间和塑性，改善蠕变性能，增加冲击韧性和疲劳强度，对有些合金还可以改善热加工性能，提高收得率。,主要合金化元素及其作用,有益微合金化元素：Zr,很多高温合金中都加入微量锆Zr，元素锆偏聚到晶界，减少晶界缺陷，提高晶界结合力，降低晶界扩散速率，从而减缓位错攀移，强化晶界。Zr偏聚于晶界，降低界面能，改变晶界相的形态，减少晶界相的尺寸，有效阻止晶粒沿晶滑动，从而提高持久寿命，改善持久塑性，消除缺口敏感性。Zr还可以作为一种净化剂，与C和S结合形成一次硫化物或硫碳化物。,主要合金化元素及其作用,主要合金化元素及其作用,有益微合金化元素：Hf,Hf在铸造高温合金中通过产生弯曲晶界和去除硫对晶界的有害作用，使合金强韧化。Hf也有净化晶界的作用，Hf对S有高的亲和力，可以生成高熔点的硫化物而被去除，从而防止S引起的晶界脆化。高温合金中的Hf主要溶入相，对相进行强化。晶界富Hf，可以使晶界弯曲，推迟裂纹的萌生、连接与扩展，提高合金的高温强度与塑性。适量Hf还可以降低焊缝和热影响区热裂的敏感性。,主要合金化元素及其作用,主要合金化元素及其作用,Hf含量对DZ422合金760、732MPa条件下横向持久性能的影响,主要合金化元素及其作用,有益微合金化元素：稀土元素Y，Ce，La,Y、Ce、La等加入到高温合金中的主要作用为：作为净化剂具有脱氧和脱硫的作用，降低氧和硫在晶界的有害影响。作为微合金化元素偏聚于晶界，抑制裂纹的形成和扩展，起强化晶界作用。作为活性元素改善合金的抗氧化性能，提高表面稳定性。,主要合金化元素及其作用,主要合金化元素及其作用,高温合金中各合金元素的作用,主要合金化元素及其作用,强化-Ni固溶体的元素(固溶强化元素)Co、Fe、Cr、Mo、W、Re、(Ti):020wt%强化机理:降低堆垛层错能晶格常数(原子半径)差异晶格畴变应力场阻碍位错运动降低元素扩散提高高温蠕变强度W、Mo、Re,主要合金化元素及其作用,强化-Ni3Al的元素Al、Ti、Nb、Ta(Al位元素)Al:06.5wt%(IMC:8.0wt%)Ti:04.5wt%Nb:02.0wt%(Fe-Ni合金中达到9.0wt%)Ta:09.0wt%(也进入基体)强化,相,改善抗腐蚀性能,主要合金化元素及其作用,微量元素B、C、Zr(Hf)、Mg、Y(填充晶界空位,降低晶界上元素的扩散强化晶界)B:0.010.1wt%0.05wt%(改善铸造性能)C:0.050.2wt%(Ni基)0.11.0wt%(Co基)(填补空位和碳化物强化),主要合金化元素及其作用,微量元素B、C、Zr(Hf)、Mg、Y(填充晶界空位,降低晶界上元素的扩散强化晶界)Zr:0.050.1wt%(晶界强化)Hf:0.12.0wt%(DS、SX)提高涂层氧化层/基体结合力,改善抗氧化改善铸造性能Y:0.030.1wt%(改善抗氧化)Mg:0.01wt%GH220合金950的%从46%上升为16%改善塑性,降低缺口敏感性,细化组织,减小偏析,主要合金化元素及其作用,碳(硼)化物形成元素C、Mo、W、V、Nb、Ta、Ti、Cr等CrCr23C6/Cr7C3(低Cr时)(颗粒状,晶界)Mo、WM6C(大块状立方体)V、Nb、Ta、TiMC(中文草书体状)Mo、Cr、Ti、NiM3B2(鱼骨状)作用:碳(硼)化物强化晶界(阻止晶界滑移)强化晶内(Co基合金更重要)缺点:大块碳(硼)化物降低合金塑性(控制尺寸和分布)在DS、SX中不加碳或很少(0.1,Hf1.5,Y0.1wt%时(局部偏析时含量更低)形成:Ni5Zr,Ni5Hf,Ni5Y(TM=11001150)对合金高温强度不利,主要合金化元素及其作用,有害微量杂质元素的控制,有害微量杂质元素的来源：原材料，炼制过程中大气污染，母合金以及零件浇注过程中的污染。主要有害微量杂质主要有：Si，S，P，Mn，金属和类金属杂质(Pb,Sb,Bi,As,Sn,Se,Ag,Tl,Cu)有害微量杂质元的危害：偏聚于晶界，形成低熔点化合物，促进晶界有害相析出；增加凝固偏析，影响凝固过程，促进元素偏析和有害相析出；形成夹杂物或溶解于固溶体产生脆性。,有害微量杂质元素的控制,有害微量杂质元素的控制,有害微量杂质元素的控制,有害微量杂质元素的控制,有害微量元素的控制,有害微量元素的控制,原材料的选择严格控制冶炼工艺精密铸造工艺,高温合金的强化工艺途径,形变热处理强化：通过形变与热处理的结合，优化合金的组织结构，提高合金的强度。复相组织强化：复相组织是指尺度相差不多的两个相的混和组织，定向共晶组织和纤维强化高温合金的组织属于这一类组织。一般一个是基体相（软的固溶体相），另一个是起增强作用的硬相。定向凝固与单晶快速凝固,高温合金工艺强韧化,采用定向凝固工艺制备柱状晶和单晶高温合金等轴晶高温合金在进行拉伸试验或蠕变试验时，往往在垂直应力轴的横向晶界长生裂纹并扩展，最好造成断裂。采用定向凝固工艺制备柱状晶和单晶，可以获得晶界平行于凝固方向的组织，消除横向晶界。重要的工艺参数：GL(温度梯度)直接影响晶体生长速度和晶体组织与性能。R(固液界面向前，推进速度)，提高R可以降低块状共晶尺寸，避免M6C等碳化物和等轴晶细晶层，避免熔体与浇注模壳反应。GL/R，GLR值，可以获得定向凝固高温合金不同的组织形态，得到不同的力学性能。,高温合金工艺强韧化,GH4220合金采用等温弯晶热处理获得的弯曲晶界组织1180，2h，AC1040，4h，AC，800，10h，AC,高温合金工艺强韧化,高温合金工艺强韧化,控制液态金属冷却速率制备粉末高温合金传统铸锻工艺引起严重偏析偏析加重，而且随着铸锭不断增大，凝固偏析更加严重。初熔温度因偏析降低，相固溶温度提高，加工温度范围越来越窄。铸锻法生产的零件，晶粒尺寸粗大。粉末高温合金可以：消除或减轻成分偏析晶粒细小，组织均匀改善热加工性力学性能明显改善简化工序，降低成本,高温合金工艺强韧化,高温合金工艺强韧化,快速凝固工艺制