高温合金中的相

1、高温合金材料的金属间化合物(inter-metallic compound phase of super-alloy) 过渡族金属元素之间形成的化合物。按晶体结构可分两类，一类称几何密排相（gcp 相），另一类称拓扑密排相 （tcp 相）。1. 几何密排相为有序结构，高温合金中常见的有如下几种相:丫相化学式是 ni3a1，是 cu3au 型面心立方有序结构。铁基高温合金中丫与丫 基体的点阵错配度一般较小，镍基高温合金中错配度在0.05%?1 % 之间，随着 使用温度升高，错配度减小。 由于丫与丫基体的结构相似， 所以丫相在时效析出时具有弥散均匀形核、共格、质点细而间距小、相界面能低而稳定性高等

2、特点。丫相本身具有较高的强度并且在一定温度范围内随温度上升而提高，同时具有一定的塑性。这些基本特点使丫相成为高温合金最主要的强化相。时效析出的丫相常为方形和球形，个别情况呈片状和胞状，主要取决于析出温度和点阵错配度。错配度较小或析出温度较低时易成球形，错配度大或析出温度高时易成方形，错配度很大而析出温度又较低时可成为片状和胞状。高温时效时，丫相不仅在晶内弥散析出，还可以在晶界析出链状的方形丫相。在长期时效和使用过程中，丫 相会聚集长大。铸态的一次 （丫 +洪晶呈花朵状。丫相中可以溶入合金元素，钻可以置换镍，钛、钒；铌可以置换铝；而铁、铬、钼可置换镍也可置换铝。丫相中含铌、钽、钨等难熔元素增加，

3、丫相的强度也增加。当合金中丫相含量较少时，丫相尺寸大小对强度的影响十分敏感，通常0.1?0.5/ xm 比较合适。当了相数量达40% 以 上时，丫相尺寸大小对合金强度的影响就不大敏感了，允许有大尺寸的丫相存在。n相化学式 ni3ti 为密排六方有序相，其组成较固定，不易固溶其他元素.相可 以直接从丫基体中析出，也可以由高钛低铝（ti/al m2 5）合金中亚稳定的 ni3（al， ti）相转变而成。n相的金相形态有两种，一种是晶界胞状，另一种为晶内片状或魏氏体形态。高温合金中出现. 因为n相总是伴随着强度下降，因为n相本身既无硬化作用而又要消耗一部分丫相。合金中减少钛含量，增加铝含量，加入适量

4、硼可以抑止胞状n相。某些铁基高温合金中加硅使生成g 相，造成晶界贫丫 区，可明显地抑止n相。n相的析出温度范围为700?950c左右。冷加工能明显 促进n相形成。丫相化学式为 nixnb，体心四方有序结构，金相形貌是圆盘形。丫相具有高屈服强度（?1300mp 的特点，这是因为丫与y之间的点阵错配度较大，共格应力强化作用显著。丫相是亚稳定的过渡相， 在高温长期保温下， 很容易聚集长大并发生丫 -ni3nb转变，因此使用温度不能超过650?700c。丫相析出温度约为550?900c,析出速度较慢，这有助于减少焊缝热影响区时效裂纹倾向，因此用丫相强化的合金有良好的焊接性。ni nb 二元系中不出现丫

5、亚稳定相，而直接形成稳定的咅 ni3nb 相，只有加入适量的铁和铬才能形成丫相。因此，用丫相 强化的合金都是铁镍基合金。&ni3nb 相cu3ti 型正交有序结构，金相形貌多数为薄片状，在gh4169 合金（中国）中 也见到晶界颗粒状的anisnb 相，在某些合金中还有胞状咅 ni3nb 相。该相析出温度约为 780?980r0硅、 铌促进ni3nb 相形成，用钽代替铌可以阻止 ni3nb 相析出。gh4169合金中加入铝、钛可以抑止丫 -ni3nb 转变。2. 拓扑密排相晶体结构复杂，原子排列非常紧密，配位数高达14?16，原子间距极短，只存在四面体间隙0高温合金中常见的有如下几种0

6、c相属四方点阵， 最大配位数为 15o c相的成分范围比较宽， 镍基高温合金中为 （cr，mo）x（ni，co）y, 式中 z、y 值在 1?7 之间，铁基高温合金中常为fecr（含 mo）型。主要金相形态为颗粒状和片（针）状，数量多时可呈魏氏体组织。c相常在晶界形核，但也在m23c6颗粒上形核。最快析出的温度范围为750?870c。镍 阻止c相形成，铁、钻、铬、钨、钼、铝、钛、硅都促进。相形成。片（针）状 a 相是裂纹产生和传布的通道，使合金脆化，有时还降低持久强度。晶界c相颗粒 常引起沿晶断裂，降低冲击韧性。laves 相有 mgcu2型、mgzn2型和 mgni 2型 3 种晶体结构，高

7、温合金中多属mgzn2 型。laves 相的化学式为 b2a，a 为大原子半径元素， b 为小原子半径元素。低温时效呈细小颗粒状析出，高温时效时析出常呈短棒状或竹叶状，还有晶界颗粒状。析出温度范围较宽，约为650?1100c,其上限温度随成分而异。由于laves 相倾向于高温析出，所以可以利用它进行细化晶粒工艺，获得细晶材料。铁基高 温合金容易产生 laves相。钨、钼、铌、铝、钛、硅等元素都促进layes 相形成，而镍、碳、硼、锆有抑止laves 相的作用。呈细小弥散质点析出的laves 相对合 金有一定的硬化作用。大量针状 layes 相会降低室温塑性。少量短棒状laves 相 没有严重的

8、有害作用。卩相化学式为 b7a6, 属三角晶系， b 为周期表族元素， a 为 v 族、切族元素。卩相的金相形态呈颗粒状、棒状、片状或针状。卩相由于颗粒较大，没有强化作用，针状析出会降低室温塑性。合金中钼、钨的总量超过10% 时易形成卩相。b相和 ni2aiti 相b相为体心立方有序结构，ni2alti 为面心立方结构。这两相的金相形态很相似，常呈块状、棒状或粗片状。用碱性苦味酸溶液煮后，b相变褐色， ni2aiti相为杏黄色。这两种相都会降低合金力学性能。铁基高温合金中，当钛与铝之比小于 0.5， 而铝、钛总量又超过 4% 时，就会析出b相。如果提高钛与铝之比，b 相就减少；当钛与铝之比接近

9、1 时，就出现 ni2aiti 相；当钛与铝之比超过1 时， ni2aiti 相逐步减少， ni3（ai，ti）就逐步变为惟一的析出相。分子式 a6b16c7, c 为硅原子， a 为钛族和 v 族原子， b 为钻、镍原子。晶体结构为面心立方。 g 相的金相形貌为晶界块状，量多时可为网状。少量晶界g相对性能没有影响，含量较多时将降低持久强度。3.相分计算预测和控制tcp 相的出现相分计算是一种预测和控制高温合金出现拓扑密排相（主要是b相） 的重要方 法，尚处于半理论半实验阶段。其理论基础是根据拓扑密排相是一种电子化合物，它的形成与合金的电子空位数有关。相分计算的要点是计算合金残余固溶体的电子空位数 nv值。i 式中 nvi。是 j 元素的电子空位浓度， xi 为合金元素的原子百分数。 nv 值大 于临界值，合金会析出c相；小于临界值，合金组织稳定。根据实践经验，镍基高温合金的临界值约为 2.50, 钻基高温合金的临界值约为2.70。铁基高温合金的 临界值不是一个恒定值，随成分而异，随着镍含量增加而下降。中国对gh2132 合金提出了一个简便易行的相分计算公式：a v = lni-3ti-3. 5a1-l