多種合金元素對變形高溫合金的影響

現在的變形高溫合金領域使用范圍廣泛的是鎳基高溫合金，當然了，鐵基高溫合金和鈷基高溫合金。那這三種高溫合金都是由多種合金元素構成，有的時候合金元素都要多達十幾種。合金強化是把多種合金元素加入到基體元素(Ni、Fe和Co)中,使之生產強化效應。這些強化效應包括固溶強化、第二相強化(沉淀析出強化和彌散相強化)和晶界強化，以及各種工藝強化方法。變形高溫合金的發展過程實際上是把合金強化理論與高溫合金實際相結合的過程，另外，高溫合金的發展過程又是高溫合金生產工藝技術不斷改進和革新的過程,這就是合金強化與工藝強化相結合,兩者不斷相互促進,使高溫合金得到新的發展。工藝強化是指通過采用冶煉、凝固結晶、熱加工、熱處理及表面處理等環節改善合金組織結構而強化，是一種非常重要的強化途徑。所以了解合金元素的作用就變得尤為重量，現在網絡上有很多關于合金元素作用的文章，但是合金元素對高溫合金的作用并沒有概括的并不完整。今天，上海墨鉅就合金元素對變形高溫合金的作用再做個重新的整理，希望對大家有幫助。

鎳基高溫合金中加入10多種大量元素和微量元素，這些常見的合金元素分為第一類由優先形成面心立方(FCC)奧氏體的元素組成，包括Ⅴ、Ⅵ、Ⅷ族的元素，有Ni、Co、Fe、Cr、Mo、W和V等;第二類為進入基體并形成γ'-(Ni3Al)相，包括Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ族，有Al、Ti、Nb和Ta等;第三類由原子直徑大小不固定，常偏聚在晶界上的元素組成，包括Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ族，有Mg、B、C和Zr等。另外必須指出的是一些有害的元素，其中包括Pb、Sn、As、Bi等的低熔點元素和Si、P、S等弱化晶界的元素。這些有害元素的含量及狀態往往也是至關重要的。

1、Ni：作為鎳基高溫合金基體元素，具有面心立方結構，從室溫到高溫沒有同素異構轉變。在鐵基高溫合金中，鎳可以穩定奧氏體組織，對提高合金的高溫抗拉強度和屈服強度有利，對持久性能的改善十分明顯。在鈷基高溫合金中，Ni可以抑制鈷基奧氏體在低溫下向密排六方晶體結構轉變，同時還可降低鈷基合金的變形抗力,從而改善加工性能。同時,Ni還能與Al、Ti、Nb等元素形成γ′沉淀強化相，對合金進行沉淀強化。

2、Fe：具有體心立方結構，從室溫到高溫要發生同素異構轉變。Fe元素加入到鎳基變形高溫合金中，不僅可以降低成本，而且其晶格常數與Ni相差3%,由于晶格膨脹而引起長程應力場，阻礙位錯運動。同時Fe可以降低鎳基奧氏體的層錯能，有利于屈服強度的提高，因而起到固溶強化作用。Fe加入到鈷基高溫合金中，擴大奧氏體區，穩定鈷基Y奧氏體，與Ni具有類似作用。

3、Co：具有密排六方晶體結構，從室溫到高溫,要發生同素異構轉變，由密排六方結構轉變為γ面心立方結構。Co作為合金元素加入到鎳基合金中,可以降低基體的堆垛層錯能。Co在Ni-Cr時效合金中,對高溫強度有良好的作用。

4、Cr、W、Mo：主要起強化作用，也是碳化物形成元素。在廣泛應用的鎳基變形合金中，幾乎都含有10%-20%的Cr。Cr是穩定合金表面氧化性能的元素，在基體表面可形成CR2O3層，具有低的陽離子空位,能阻止金屬元素向外和O、N、S及其他有害元素向內擴散，防止材料的氧化和熱腐蝕。但過分提高Cr會降低γ′的固溶溫度，也降低合金的高溫強度。W、Mo主要進入合金固溶體，減慢Al、Ti和Cr的高溫擴散速度，并增加擴散激活能，加強固溶體中原子間的結合力，減慢軟化速度;Mo比W的效果更為顯著,使用溫度高于1000℃時,W的強化作用較顯著。W、Mo能顯著增加鎳基合金中γ′相的穩定溫度，即提高γ′相的溶解溫度。上海墨鉅提醒您由于加入W降低了Al、Ti在基體中的溶解度，故增加了γ′相的數量，從而提高了使用溫度。此外,W、Mo均能改變γ和γ′相之間晶格常數對錯配度，因而也影響γ′相的形態。

5、Al、Ti：γ′相［Ni3(Al,Ti)］主要形成元素，通過相在基體內彌散分布，影響位錯行為以強化合金。γ′相中可溶解許多元素,Nb、Ta主要進入γ′相，因此認為Nb、Ta是強化和穩定γ′相的主要元素。鎳基變形合金的高溫性能主要取決于Al、Ti加入總量和Ti/Al比，增加Al、Ti總量可明顯提高γ′相固溶溫度和γ′相體積分數。當前具有較高使用溫度的變形高溫合金,A1+Ti之和接近8%o

6、加入適量的B、Zr能顯著提高合金的持久壽命，降低蠕變速率,并顯著改善持久缺口敏感性，提高合金的塑性和加工性能。當只加入其中一種時,B的作用比Zr顯著，但同時加入B、Zr的合金性能最好。加入過多的B,在晶界上形成硬而脆的化合物，會導致熱加工塑性降低。B、Zr主要存在于晶界上,其作用可以認為是改善晶界形態。在變形高溫合金中，B、Zr的加入量很少。

7、一些鎳基變形合金中添加0.005%-0.05%的Mg,可顯著提高合金的持久性能和塑性，減少晶界碳化物、硼化物和硫化物的數量，提高晶間結合力，改善加工塑性。

8、V：在我國研制的變形鎳基高溫合金GH4037、GH4049、GH4220、GH4413中，加入0.1%-1.0%的V。V加入高溫合金主要分布于γ奧氏體，其次分布于γ′相，在微量相中分布很少。V的加入對晶格畸變產生影響，起明顯固溶強化作用。