热处理原理与工艺高温合金及其热处理.ppt

高温合金及其热处理,高温合金的定义和用途,定义：高温合金是指以铁、镍、钴为基，能在600C以上温度及一定应力作用下长期工作的一类金属材料。性能特点：较高的高温强度、良好的抗氧化性能和抗热腐蚀性能，良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能。用途：主要用于航空发动机四大热端部件，导向器、涡轮叶片、涡轮盘和燃烧室。高温合金占发动机总质量的40%60%。,ArtistsimpressionoftheturbomachineryinRolls-RoycesTrent800engine,whichpowerstheBoeing777aircraft,ArtistsimpressionoftheturbomachineryinSiemensWestinghousesW501Fgasturbineengine,usedforelectricitygeneration,Diagramillustratingthebasicfeaturesofaverybasicgasturbineengine:theturbojet,IllustrationofmaterialusageintheTrent800engine.Notetheextensiveuseofnickel-basedsuperalloysinthecombustorandturbinesections,高温合金概述,1929年，Merica,Bedford和Pilling将少量的Ti、Al加入到80Ni-Cr电工合金中，使该合金的蠕变强度得到很大提高。1937年，德国首先研制出涡轮喷气发动机。涡轮叶片对材料的高温性能提出了很高要求。1939年，英国也研制出涡轮喷气发动机。英国Mond镍公司（后称国际镍公司）首先研制出Nimonic75镍基合金（低C含Ni）。1942年将Nimonic80合金用于喷气发动机叶片。1942年，美国GE公司将HastelloyB用于喷气发动机。朝鲜战争的爆发，刺激了镍基高温合金的发展。,高温合金工艺进步过程,1940-50年代，通过合金化提高合金性能；50年代，使用真空冶炼技术，合金成分能够精确控制，合金中杂质含量降低，合金性能显著提高；60年代后，使用定向凝固、单晶合金、粉末冶金、机械合金化、陶瓷过滤、等温锻造等新工艺，高温合金性能进一步提高；目前，定向凝固单晶高温合金已经发展到第三代、第四代，使用温度接近合金熔点的90%。,Evolutionoftheturbineentrytemperature(TET)capabilityofRolls-Roycescivilaeroengines,from1940tothepresentday,Evolutionofthehigh-temperaturecapabilityofthesuperalloysovera60yearperiodsincetheiremergenceinthe1940s,Turbinebladinginthe(a)equiaxed,(b)columnarand(c)single-crystalforms,Scanningelectronmicrographofthe/microstructureoftheCMSX-4single-crystalsuperalloy,我国高温合金的发展,1956年我国正式研制生产高温合金，第一种高温合金是GH3030(435)，由抚顺钢厂，鞍山钢铁公司，钢铁研究总院，航空材料研究所和410厂研制。60年代初，先后研制成功GH4037、GH3039、GH3044、GH4049、GH3128等。这一阶段主要是仿制、消化和发展苏联高温合金。70年代后，引进和试制一批欧美体系的高温合金。研制成功GH4133,GH4133B,GH3128,GH170,K405,K423A,K419,K537等合金。,我国高温合金的特色和技术优势,我国研究人员研究开发了一系列有特色的工艺技术，其中低偏析新技术和加镁微合金化两项水平之高，为国际公认。（1）通过低偏析技术，控制杂质元素磷、硫、硅等的低含量，创了一系列低偏析合金，其承温能力比原型合金高2025。（2）发现Mg的偏聚晶界、改变晶界行为可显著提高合金的持久强度和塑性等性能。,高温合金的强化原理,固溶强化：是将一些合金元素加入到镍、铁或钴基高温合金中，使之形成合金化的单相奥氏体而得到的强化。第二相强化：时效析出强化、弥散质点强化和第二相骨架强化。例如镍基高温合金中的（Ni3AlTi）、ODS合金中的氧化物纳米颗粒、碳化物等。晶界强化：高温变形时晶界是薄弱环节，晶界滑动是高温变形机制之一，有时能占总变形量的50%。,高温合金中基体元素的作用,镍基高温合金的基体元素是镍，铁基是铁，钴基是钴。（1）镍为面心立方结构，无同素异构转变，而铁钴室温下分别为体心和密排六方结构，高温下为密排立方奥氏体结构。目前，几乎全部高温合金的基体都是面心立方结构的奥氏体，因为奥氏体比体心立方的铁素体具有更高的高温强度，原因是面心立方结构的原子扩散能力较小，即自扩散自由能较高。,Theunitcelloftheface-centredcubic(FCC)crystalstructure,whichisdisplayedbynickel.,(2)镍具有较高的化学稳定性，在500以下几乎不氧化,常温下不易受潮气、水及某些盐类水溶液的腐蚀。钴和铁的抗氧化性能都比镍差，但钴的抗热腐蚀能力比镍强（由于钴的硫化物熔点较高及硫在钴中的扩散较慢）。无论镍基、铁基或钻基高温合金均需加入铬以改善其抗氧化耐蚀性，但由于镍、铁、钴基体元素特性的差别，一般镍基合金的抗氧性最佳，而钴基合金却有更好的抗热腐蚀性。,(3)镍、铁、钴合金化能力不同，镍具有最好的相稳定性，铁最差。镍或镍铬基体可以固溶更多的合金元素而不生成有害的相，而铁或铁铬镍基体却只能固溶较少的合金元素，有强烈的析出各种有害相的倾向。这一特性为改善镍的各种性能提供了潜在的可能性，而铁和钴则受到一定限制。,高温合金的固溶强化,固溶强化的概念：固溶强化是将一些合金元素加入到镍、铁或钴基高温合金中，使之形成合金化的单相奥氏体而得到的强化。无论是均匀分布于基体的或非均匀分布于基体的溶质原子都有强化作用。,奥氏体的固溶强化机制,（1）与溶质原子大小相关的尺寸因素引起的弹性应力场的作用。溶质原子可以产生长程内应力场，增加位错运动阻力。（2）由于溶质和溶剂原子的弹性模量的差别而产生的强化效应，这是通过改变溶质原子处的位错应力场的弹性能大小而得到的。（3）静电交互作用引起的非均匀分布固溶强化。,（4）化学交互作用引起的非均匀分布固溶强化。这是由于面心立方金属中存在层错，而溶质原子在层错处的平衡浓度会不同，这种不均匀分布导致位错动阻力，即所谓铃木气团（Suzuki气团）。（5）短程有序原子分布引起的固溶强化。当溶质原子数量较多，并且异类原子之间的作用能不同于同类原子时，固溶体可能出现一定程度的短程有序。位错运动通过有序区时，由于全部或部分破坏了原子有序关系，而增加了位错运动阻力。,高温合金的固溶强化,各合金元素的固溶度是不同的，一般倾向是CrMoWVNbTaA1TiBe，而固溶强化的能力却相反，即CrMoWVNbTaAl奥氏体形成元素。但如果考虑到溶解度极限的限制，间隙元素固溶强化作用很小。铁素体形成元素的溶解度虽然有限，但仍可起一定固溶强化作用。而奥氏体形成元素的固溶度虽然较大，但其强化效果却也是有限的。因此，铁基奥氏体的固溶强化作用受到较大的限制。,固溶强化作用随温度升高而下降。只有那些能提高原子间结合力，降低扩散数，提高再结晶温度及阻止扩散型形变的元素，才会有更佳的提高高温强度的作用。一般来说高熔点元素将更有利，高熔点的钨钼比铬具有更强烈的提高高温持久强度的作用。同时加入几种固溶元素进行多元固溶强化是一种有效的固强化手段。,高温合金的第二相强化,高温合金主要依赖于第二相强化。它又分为时效析出沉淀强化、铸造第二相骨架强化和弥散质点强化等。高温合金的时效沉淀强化主要是(Ni3AITi)，(NiNb)或碳化物的时效沉淀强化。弥散强化主要是氧化物质点或其他化合物质点的强化。钴基铸造合金常有碳化物骨架强化。,Dark-fieldtransmissionelectronmicrographofprecipitatesinaNi13.4at%Alalloy,agedat640for1000h,ArrangementsofNiandAlatomsin(a)theorderedNi3Alphaseand(b)afterdisordering,第二相质点与位错交互作用机制,（1）位错切割第二相质点模型1)第二相质点与基体之间的弹性应力场共格强化；2)切割第二相质点后增加了表面积表面强化；3)切割后造成层错，而第二相与基体之间层错能不同，影响位错运动层错强化；4)质点与基体的弹性模量不同模量强化；5)第二相质点为有序相时，切割成反向畴界面(APB)。因此位错一般成对进行切割，第一个位错切过生成一个APB。第二个位错再切过，APB就消失了，这就是反向畴有序强化；6)运动位错受阻于第二相质点，在外力作用下，位错以某机制通过第二相时，会产生一定角度的弯曲，当第二相质点强度低时，弯曲角接近180时就可通过（切割方式）。,Transmissionelectronmicrographswhichsupporttheviewthatdislocationstravelthroughthe/microstructureinpairs:(a)dark-fieldmicrographofshearedparticlesinNimonic105,ofsizeabout140nm;(b)pairofedgedislocationsinNimonicPE16,r=8nmandf=0.09,imagedafterunloading,（2）位错绕过第二相质点的Orowan机制当第二相质强度很高，或者是第二相为非共格析出时，运动位错难割这类质点，则可以弯曲并最终绕过第二相质点。对于一定尺寸的质点，第二相体积百分数的增加，就意味质点间距的减小，从而导致阻力增加。或者对于一定的质点间距，第二相体积百分数增加意味着质点尺寸增加，由此根据质点造成的共格应变场及有效尺寸，增加位错运动阻力。,（3）交滑移及攀移在高温蠕变条件下，位错可以通过交滑移及攀移通过第二相质点。温度升高，特别是在蠕变条件下，交滑移及攀移的机制更容易起作用，扩散往往成为控制变形速率的因素。,高温合金的相析出沉淀强化,镍基高温合金由于可以获得共格的(Ni3AITi)相得到非同寻常的发展，成为现代不可缺少的高温合金。共格应力强化是相强化的一个重要方面。在以相强化的Ni-Al二元合金中加入铌、钽、钒、硅、锰、镓及碳等元素，改变了-的晶格错配度，其高温硬度随晶格错配度线性增加，其760高温抗拉强度也有相同变化趋势。,影响相强化的因素,（1）晶格错配度：改变了-的晶格错配度，其高温硬度随晶格错配度线性增加。铌、钛、钽是强烈增加-错配度的元素。（2）温度：共格应力强化作用大约在650700以下有效（约为0.6Tm）。（3）相大小：相存在一个临界质点尺寸。小于临界尺寸时切割机制起作用，大于临界尺寸时Orowan绕过机制起作用。临界尺寸处可以获得最大的强化效果。,Schematicdiagramillustratingthedevelopment,from(a)to(f),ofstrain-induced,facetedmorphologiesduringageing:left,projectionalong111;right,projectionalong001,Schematicillustrationofthecoherencystressestobeexpectedinanickel-basedsuperalloywhenthemisfit,isnegative,FGH95粉末高温合金中不同形态的（Ni3AlTi）,（4）相的数量：是获得强化效果的基本条件。对镍基合金，可以通过加入铝、钛、铌等形成元素而大量增加相数量，也可以用钴、铁、铬等元素降低相的溶解度来增加相数量。镍基合金相数量已从约10%增加到65%以上。尺寸也较大(250-300nm)，但仍可以是切割机制起作用。,高温合金的碳化物强,碳化物析出沉淀硬化的特点：（1）低温下位错以Orowan绕过方式通过碳化物第二相。高温蠕变条件下，位错攀移机制起重要作用，位错切割碳化物是非困难的。（2）并非所有碳化物都具有强的时效强化能力，作为主要时效强化相的碳化物，必须具备以下条件：具有高温下可以溶解和低温下析出的可能性。,ExampleofablockyMCcarbideformedinanexperimentalnickel-basedsingle-crystalsuperalloy,PrecipitationoftheM23C6carbideonthegrainboundaryinanexperimentalsecond-generationsingle-crystalsuperalloydopedwithcarbonandboronandcreptat950Cand290MPa:(a)scanningelectronmicrograph;(b)transmissionelectronmicrographanddiffractionpatternidentifyingtheM23C6carbide;(c)dimpledfracturesurfaceofcreepspecimen,showingevidenceofductilefailuremode.,（3）增加碳化物数量及弥散度有利于提高强化效果，但过分高的碳饱和度，往往有利于形成大块碳化物（共晶及二次析出），引起脆性。（4）强化基体，减小元素的扩散能力，这对于较易聚集长大的碳化物相来说是至关重要的。,氧化物（如Y2O3、Al2O3）及其它质点弥散强化,（1）强化机制是Orowan绕过机制。因此控制氧化物等质点弥散，细小与数量，对保证最大强化效应很重要。但目前弥散相的数量仍在15%20%以下。（2）氧化物等第二相质点非常稳定，保证在较高温度下具有很高的高温强度（0.85T熔左右）。（3）极细小弥散的氧化物质点可以存在于基体及相之中，这时位错除切割外，还可能被氧化物质点钉扎。,Microstructureof14YWT(14Cr2W0.25Ti0.2Y2O3at.%)atseveralmagnificationsJMaterSci(2012)47:39133923,HRSTEMimagesofNCsviewedalong100Fe(a),111Fe(b),110Fe(c);markerbarsineachimagedenote2nm.Facetplanesarelabeledinschematicthediagramstotheleftofimagesof2and4nmNCs(centerandrightcolumns,respectively).JMaterSci(2012)47:39133923,d.NCmorphology,atruncatedrhombicdodecahedron,isschematicallyrepresentedind.,Fe基ODS合金,SEMmicrographsofthesynthesizedFe-basedalloyinsupergravityfieldbythermitreactionJMaterSci(2012)47:35853591,SchematicrepresentationofthethermitereactionprocessforsynthesizinginsupergravityfieldJMaterSci(2012)47:35853591,TEMmicrographsofthesynthesizedFe-basedalloyinsupergravityfield.JMaterSci(2012)47:35853591,高温合金的晶界强化,（1）高温形变时晶界表现为薄弱环节，呈沿晶破断特征。（2）晶界在低温形变条件下是位错运动的阻碍，起强化作用，细化晶粒是一种重要的强化手段。（3）但当温度升高和应变速率降低时，晶界对位错运动的阴碍作用易被恢复，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，并产生晶界滑动及迁移。晶界滑动是晶界直接参与形变的机制。（4）在一定条件下，晶界形变量可占总形变量的50%以上。,晶界元素偏析,由于晶界结构与晶内不同，一些杂质元素倾向于在晶界发生偏析。杂质在合金中的平均含量很低时，就可能在晶界上产生很高的偏聚量。凡能够降低晶界能的元素都可能发生晶界平衡偏析。,晶界偏析有害杂质,这些杂质元素往往是低熔点的，并与基体元素生成低熔点的化合物或共晶体。它们使合金的热加工性及高温力学性能显著降低。愈是高级的高温合金，杂质控制要求愈高。一般的高温合金，其含氮量也不超过几十个ppm。如果能把S、P量降到5ppm水平，合金的性能可得到明显的提高。,晶界偏析有益的微合金化元素,主要包括稀土元素，镁、钙、钡、硼、锆及铪等元素。这些元素往往通过净化合金及微合金化两个方面来改善合金。有许多元素，例如稀土元素和碱土元素等，对气体元素，硫，磷等有害杂质元素有很强的亲和力，形成难熔化合物，在冶炼时作为纯净剂去除气体及夹杂，从而消除了这些有害杂质的危害。另外一些有益元素的作用还不仅如此，它们还可以偏析于晶界，改善晶界组织，起到强化晶界的微合金化作用。,晶界强化元素的作用机制,B、Zr、Mg、Hf等元素的作用机制目前不十分清楚。B元素的作用机制（1）硼化物在晶界析出，使M23C6、MC等碳化物不易形成大块状或薄膜状，改善晶界结构；（2）推迟合金蠕变应力作用下垂直应力方向出现贫化区及蠕变裂纹，从而提高蠕变强度。,Mg元素的作用机制（1）镁强烈偏析于晶界及相界，是平衡偏析；（2）适量的镁改善晶界第二相的形态，使晶界上的碳化物和硼化物变为细小的颗粒状；（3）镁在晶界偏析，降低晶界能，降低晶界裂纹扩展速率，使裂纹不易形成和扩展，因此可同时增加强度和韧性。,晶界控制,晶粒大小：大晶粒材料一般有较高的持久强度与蠕变强度，较小的蠕变速率。小晶粒材料却表现出有较高的抗拉强度与疲劳强度。在高温静态下工作的材料晶粒可以控制得大一些，对于在中温动态下工作的材料晶粒则应小些。,晶界的平直与弯曲,弯曲晶界优点：（1）弯曲晶界有效地降低蠕变变形；（2）弯曲晶界有利于提高高温强度和延伸率；（3）晶界弯曲阻碍晶界滑动及楔形晶界裂纹的形成；（4）阻止沿晶裂纹（孔洞）的连接。（5）消除横向（与外应力垂直方向）晶界能非常有效地提高高温强度。,高温合金的韧化途径与机理,（1）合金化和工艺改善，使高温合金的强度不断提高，然而强度的增加往往伴随着塑性和韧性的降低。（2）航空发动机零件发生故障的主要原因都与塑性和韧性太低有关。（3）采用各种强化手段不断使高温合金得到强化的同时，也必须考虑高温合金有足够的塑性和韧性，以保证高温零件长期可靠地使用。（4）工程上一般希望材料的伸长大于5%，冲击功不低于23.5J，持久伸长率或蠕变断裂伸长率大于4%。,控制TCP相的析出,TCP相的形态：长针状或薄片状的TCP相（TopologicallyClose-packedPhases），往往是裂纹的发源地和裂纹迅速扩展的通道。TCP相的分布：当TCP相大量析出于晶界，形成一种脆性薄膜而包围晶粒时，裂纹将易于沿晶产生和扩展，使合金呈沿晶脆性断裂，而且强度也明显降低。,ScanningelectronmicrographofthesuperalloyRR1000showingextensiveprecipitationofthephaseatgrainboundaries,afteraheattreatmentof5000hat750C.,TCP相的数量,（1）当TCP相的数量超过某一数值时，不管它们的形态和分布如何，由于它们的存在，消耗了大量的固溶强化元素如铬、钨、钼、钴、镍等，从而削弱了基体强度。（2）它们大量存在，增大了裂纹形成与连接的几率，因而对塑性和韧性也极为不利。,预测及控制TCP相的方法,使用理论计算方法预测TCP相是否出现（1）60年代中人们开始致力于把电子空位理论应用到复杂的高温合金，以预测TCP相是否出现。（2）目前应用相计算方法预测一个合金是否会形成TCP相，在长期使用时是否会变脆。（3）过去通常采用的办法是在合金的工作温度进行长期时效和应力时效，然后用金相、电镜和X射线结构分析等方法确定组织结构，这样既费时间，又浪费大量人力物力。,加入适量有益微量元素改善晶界状态,改善拉伸塑性和冲击韧性（1）微量元素Mg、La等加入高温合金，往往偏聚于晶界，改变晶界状态。（2）主要原因是由于Mg偏聚于晶界及相界面，使碳化物细块化，使晶界能和相界能降低，提高界面结合力，使裂纹形核与扩展难行，从而改善合金塑（3）稀土元素镧可有效改善高温合金的高温拉伸塑性。镧降低碳化物在晶界的析出速率。,微量元素碳和硼,（1）微量元素碳和硼，也是一种偏聚于晶界的主要有效微量元素。（2）俄歇能谱分析证明，碳偏聚于晶界，并产生细小颗粒状二次TiC，阻止晶界滑动和裂纹形成，从而有利于持久塑性和持久时间的提高。（3）但是碳含量太高，晶界二次TiC析出太多，甚至构成TiC薄膜，使晶界变脆，裂纹易于扩展，持久时间缩短。,微量元素增加长期时效后的持久塑性,（1）微量元素的有益作用还表现在，合金经过长期使用或长期时效后，其韧化作用仍然保留；（2）有益的微量元素除镁、镧、碳、硼、锆外，还有钇、铈、钙、铪等等；（3）必须根据高温合金的种类、用途、特点，选择合适的微量元素，通过试验确定加入微量元素的种类和数量。,控制晶粒尺寸与形状,减小晶粒尺寸的优点：（1）高温合金材料晶粒尺寸增大后，常常造成塑性和韧性降低，室温和中温强度以及低周疲劳性能恶化。（2）对于涡轮盘这类零件，晶粒尺寸减小，晶界总面积增大，可增加晶界对裂纹的形成与扩展的阻力，从从而提高涡轮盘材料的韧性与塑性，改善低周疲劳性能。（3）晶粒尺寸减小可以使冲击韧性增加。（4）晶粒尺寸减小还可以改善拉伸塑性和持久塑性。,减小晶粒尺寸的方法,（1）通过使用合理的热加工工艺参数，然后控制冷却速度和固处理温度，可以获得均匀细小的晶粒度。（2）如果采用快速凝固技术，使高温合金的冷凝速度大于或等于105s时，晶粒直径可达几个微米，这种微晶材料的塑性和强度都得到明显提高。（3）金属雾化喷射沉积，高温合金组织细小，粗大的金属间化合物少，合金氧含量低，有些合金的高温拉伸塑性提高5倍以上。,改变晶粒形状的优点,（1）弯曲晶界可有效地阻止晶界滑动，推迟裂纹的形成与扩展，有利于改善合金的塑性。（2）由于多晶材料在高温下的断裂，一般起始于垂直于主应力的横晶界，定向凝固可消除或大大减少横向晶界，可有效改善高温合金塑性。（3）如果进一步将高温合金制成单晶，消除一切晶界，对合金的韧化作用更好。,改变晶粒形状的方法,（1）在变形与热处理共同作用下，通过部分再结晶或再结晶造成晶界迁移，形成弯曲晶界；（2）固溶处理后等温或控制冷却，在晶界形成相或碳化物，引起晶界局部迁移，形成弯曲晶界。（3）通过定向凝固工艺，使形成的柱状晶晶界平行于主应力轴，提高合金的蠕变断裂寿命和断裂塑性。,提高合金纯洁度,（1）高温合金中的有害杂质元素包括H、O、N、S、P、Si、Sb、Pb、Sn、As等约40种。P、S、Si在高温合金中通常认为也是有害元素。（2）高温合金中的Si原子也偏聚于晶界，降低晶界塑性。（3）当合金中O和N含量较高时，形成氧化物和氮化物夹杂物，这些夹杂物往往都是裂纹产生和扩展的有利位置，严重降低合金塑性和低周疲劳性能。采用真空度很高的真空冶炼，可以把H和O降低到几个ppm数量级的水平。（4）国外对新料和返回料钢液进行陶瓷过滤。对于铸造高温合金，除对母合金进行过滤外，还在浇注零件时再次过滤。,高温合金的热处理,（1）高温合金的性能主要决定于它的化学组成和组织结构。（2）当合金成分一定时，影响合金组织的因素有冶炼铸造、塑性变形和热处理等工艺，其中热处理工艺对合金组织的影响更为敏感。（3）不同的热处理制度可使合金的晶粒度、强化相的沉淀或溶解、析出相的数量和颗粒尺寸、甚至晶界状态等发生变化。（4）同一种合金经不同热冬处理后具有不同的组织，因而具有不同的性能和用途。,铁基和镍基合金的固溶处理,固溶处理的目的（1）固溶处理目的就是将在钢液凝固和随后冷却过程中析出碳化物相MC、M6C和M23C6等，在塑性变形过程中析出M6C或M23C6，或粗大相尽量溶入基体中，以得到单相组织，给以后的时效沉淀析出均匀细小的强化相做准备；（2）获得均匀的合适晶粒尺寸。,影响固溶处理的工艺条件,（1）固溶温度，升高固溶温度有利于碳化物相的固溶解，但固溶温度变高，合金晶粒长大，甚至低熔点共晶相熔化，因此固溶温度又不能过高。通常，高温合金的固溶温度为10001200。如果要求合金具有高的持久和蠕变性能，那么晶粒尺寸较大为宜，选择固溶温度应较高。（2）保温时间，合金晶粒大小还与保温时间长短有关，但其影响不如温度来得明显。（3）冷却速度对时效析出相的颗粒大小也有影响，尤其是对低合金化的高温合金更为明显。大部分合金固溶处理后采用空冷冷却，少数合金采用水冷或者油冷。,中间处理,中间处理的定义：中间处理是界于固溶处理与时效处理之间的热处理。英、美文献中称之为稳定化处理，前苏联文献中称为低温固溶或高温时效。因此一般中间处理温度低于固溶温度而高于时效温度。中间处理的目的：是使高温合金晶界析出一定量的各种碳化物相和硼化物相。晶界析出的颗粒碳化物，提高晶界强度，晶内大的相析出，使晶界、晶内强度得到协调配合，提高合金持久和蠕变寿命及持久伸长率，改善合金长期组织稳定性。,中间处理实例,大多数高温合金都需要进行中间处理，合金化程度高的时效强化合金尤为如此。（1）GH4037、GH4049合金经1050中间处理后，晶界上析出颗粒状的M23C6、M6C碳化物，提高了合金持久强度和持久伸长率。（2）经中间处理的GH4049合金，晶内析出方形的大相。在以后时效处理时又析出较小的圆形相。相析出总量与未经中间处理的合金相同，但其900、220MPa条件下持久寿命提高了50多小时。,时效处理,时效处理（沉淀处理）的目的：是在合金基体中析出一定数量和大小的强化相，如(Ni3AITi)，相、(NiNb)相等，以达到合金大的强化效果。时效温度的确定：一般来说，合金的时效温度随着合金中合金元素含量的增多，尤其是铝、钛、铌、钨和钼的增加而升高，其温度约在650980之间。有些合金，为了抑制等一些有害相的析出，时效温度要有所改变，通常时效温度就是合金的主要使用温度。时效处理工艺：有些高温合金如GH2036、GH4710，其时效处理分二级进行，其目的是调整强化相的大小以获得强度和塑性的最佳配合。,高温合金的显微组织,FGH95粉末高温合金组织,FGH95粉末高温合金中不同形态的（Ni3AlTi）,高温合金的退火处理,（1）去应力退火1）应力消除处理是消除高温合金材料在冷热加工和铸造焊接过程中所产生的残余应力，消除应力处理通常在低于合金再结晶温度以下进行。2）实际进行应力消除处理的合金只是那些固溶强化型合金，相析出强化型合金在消除应力热处理温度下要发生时效析出强化，使合金难以加工成形。3）时效析出型强化的高温合金采用再结晶退火热处理消除残余应力，而且要快速升温。,（2）再结晶退火再结晶退火处理是将合金加热到再结晶温度以上使其完全再结晶，以达到控制晶粒度和最大程度软化的目的。,弯曲晶界热处理,弯曲晶界可以增加合金的抗蠕变和持久性能。而且同时提高合金的持久塑性。热处理方法有三种：1）控制固溶后的冷却速度的控冷处理；2）固溶后析出相再次固溶的固溶处理；3）固溶处理后空冷到某一温度保温，然后再空冷处理。,控制冷却速度,固溶处理,等温处理,1）控制固溶后的冷却速度的控冷处理；冷却速度往往比空冷速度慢，缓冷过程中晶界析出粗大相或碳化物，晶界得到强化，合金塑性增加，但晶内往往有过时效现象，合金整体强度降低。2）固溶后析出相再次固溶的固溶处理；第二次固溶处理将晶内粗大的相大部分溶解，在随后的空冷中析出弥散细小的相。3）固溶处理后空冷到某一温度保温，然后再空冷处理。等温处理时在晶界析出碳化物，使晶界弯曲，空冷过程中析出细小的相，这样强度和塑性能达到更好的配合。,弯曲晶界形成的原因,（1）在晶界析出相和碳化物相；（2）在高温发生晶界迁移时，第二相钉扎住部分晶界，在第二相颗粒之间的晶界发生迁移，形成弯曲晶界。,铸造高温合金热处理,60年代中期以前，铸造高温合金一般铸态直接使用，以后随着铸造合金使用温度的提高，为了使组织均匀化，提高合金的高温，蠕变和持久性能，一些铸造合金的合金化程度愈来愈高，特别是定向凝固高温合金及单晶合金的出现，使热处理成为铸造合金零部件生产的不可缺少的工序之一。,铸造高温合金的特点,（1）普通多晶铸造合金和定向凝固合金的含碳量一般为大于或等于0.10%，高于变形合金，普通多晶铸造合金和定向凝固合金中的一次碳化物MC远高于变形合金。（2）为了获得较高的高温持久强度和蠕变性能，一些高强度Ni基铸造高温合金都含有很高的W、Mo、Ta、Hf难熔金属元素，其中Ta等元素易形成较稳定的碳化物，影响碳化物在热处理过程中的分解反应程度。合金含Hf后，其初熔温度降低到1210以下。（3）铸造高温合金的铸态组织是树枝状凝固结晶组织，在树枝干和树枝晶间隙间存在着严重的成分和组织的不均匀性。,普通多晶铸造高温合金热处理,(1)固溶热处理固溶热处理的作用是将铸态粗大相颗粒全部或部分固溶后在空冷过程中析出更细小颗粒，以提高合金的高温强度。通常铸造合金采用不完全固溶处理，其原因还在于铸造壹高合金中含有-共晶相和M3B2低熔点硼化物相，-共晶的熔化温度约为1250左右，M3B2相的熔化温度为1220，从而使铸造高温合金的初熔温度大大降低。在固溶处理过程中，除相固溶外，还有碳化物的分解和析出，MC一次碳化物缓慢分解，并析出M23C6和M6C二次碳化物，后者以颗粒状或针状分布于晶界和晶内的残余MC周围。,(2)时效热处理铸造高温合金直接时效热处理的作用是提高合金的中温持久性能并减小性能的波动。时效处理温度一般为860950，时间为16-32h，时效处理过程中，铸态粗相不发生变化，只是细相析出于粗大相之间的基体内，另外晶界析出M23C6和M6C二次碳化物颗粒。正是这些变化，对合金的中温强化起着一定作用。,(3)固溶+时效热处理铸造合金通过完全固溶处理后，合金强度提高了，但是塑性明显下降，因此目前一些高强度铸造高温合金，为了获得优良的综合性能，既有很高的强度，又有一定的塑性，合金固溶后应跟着进行时效处理。时效处理分一级、二级和三级，一级时效处理温度仍为860-950，二级时效处理分为高温时效10501080和低温时效760，三级时效处理一般为10501080+860950+760，由于二级和三级时效处理后，合金中既有粗大相又有细小相弥散析出，使合金具有最佳的综合性能。,定向凝固高温合金热处理,定向高温合金的应变通过晶界传递而不开裂的能力大增，所有晶界沿应力轴方向生长，因此定向合金通常采用固溶热处理来获得最佳性能。为了使定向凝固合金内所有铸态粗大相（包括-共晶相在内），全部溶解，以便冷却时细小相能在整个合金基体体内均匀析出，要求进行完全固溶处理，即将合金加热到相固溶温度以上。,单晶高温合金热处理,单晶高温合金材料内没有晶界，合金内无C、B、Zr等晶界强化元素，由于这些元素的低熔点化合物的消除，使合金的初溶温度增加了60-90，而合金初熔温度的提高，使单晶合金的固溶热处理温度大大提高，原来铸造高温合金固溶处理时根本不溶解的-共晶相在高温固溶处理下得以全部固溶，并在其后的冷程中析出细小相的体积百分数达到60%以上，因此单晶合金全部采用完全固溶热处理。在完全固溶热处理条件下，固溶温度达到1260以上，除铸态相和-共晶相基本上全部固溶外(90%)，单晶合金成分和显微组织的树枝状凝固偏析分布基本消除，即固溶热处理在单晶合金中起着均匀化处理的作用。,钴基高温合金热处理,钴基高温合金主要碳化物强化型合金，因此其热处理的目的是改善碳化物的分布，固溶并重新析出更细小的M23C6颗粒。1150以上固溶1-4h，可使合金内第二相即粗大的碳化物大部分固溶，并在一定程度上使铸态组织均匀化。但是在固溶处理温度下碳化物不可能完完全固溶，因此严格地说，大多数钴基合金不可能完全固溶处理。,变形钴基高温合金一般显微组织简单，合金内的碳化物含量较低，在固溶处理条件下使用，不宜进行时效处理。铸造钴基合金一般铸态使用，除FSX-414外都不进行热处理，碳化物的分布及其形态主要通过浇铸温度和冷却速度来控制并在合金长期使用过程中，碳化物还会进一步析出。,高温合金的熔炼工艺,冶炼工艺是保证高温合金化学成分、纯净度以及合适组织结构的关键。高温合金的成分特点：含有大量的W、Mo、Nb、Cr等密度大的元素。还含有易氧化的元素：Al、Ti、B、Ce。,主要的冶炼工艺：合金化程度低的合金采用大气下电弧炉和感应炉熔炼，或经大气下一次熔炼后再经电渣炉或电弧炉重熔。合金元素含量高，采用真空感应熔炼，或真空感应熔炼后再经真空电弧炉或电渣重熔。,电弧炉冶炼,（1）为了减少氧化烧蚀，采用不氧化法，Al、Ti等元素以中间合金的形式加入；（2）P、S、Pb、Sb、Sn、As、Bi等低熔点元素含量应该低；所有原料熔炼前都要经过烘烤；（3）一般均采用扩散脱氧与沉淀脱氧的综合脱氧方法，脱氧剂多是脱氧能力强的材料。,易烧损的Al和Ti的控制,在电弧炉中将TiO2和Al粉的混合物加在钢液的表面上。发生如下反应：3TiO2+4Al3Ti+2Al2O3在电弧熔炼时，加入半烧透的石灰，使熔体沸腾，使密度不同的Ni和Ti、Al等均匀分布。,微量碳的控制,高温合金中碳含量的控制极为重要，以GH4033合金例，该合金含碳量要求不大于0.06%。但当碳含量超过0.045%时，碳化物带状或细晶带组织将会出现，致使检验合格率下降。,碳的控制措施,(1)所用原材料碳含量要低；(2)以卤水为粘结剂，筑打镁砂炉体，防止炉衬进碳；(3)采用高强度优质石墨电极；(4)合理布料，防止增碳；(5)渣量要适当，钢渣应保持良好流动性；(6