几种微量元素在高温合金中的作用与机理

Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｓｅｖｅｒａｌ ｍ ｉｎｏｒ ｅｌｅｍ ｅｎｔｓ ｏｎ ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙｓ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｍ ｅｃｈａｎｉｓｍ
ＧＵ Ｏ Ｊｉａｎ—ｔｉｎｇ
（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＭｅｔａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ １ １００１６，Ｃｈｉｎａ）
郭建亭
（中国 科 学 院 金 属 研 究 所 ， 沈 阳 １１００１６１
摘 要 ：研 究 几 种 微量 元 素对 高 温 合 金 力 学 性 能 和微 观 组 织 结 构 的影 响 ；从 晶界 结 合 力 、 晶界 沉 淀 和 凝 固 偏 析 等 方面对微量元素的不 同作用进行讨论 。结果表 明：适量的 Ｂ、Ｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｚｒ和 Ｍｇ明显 改善高温合金的持 久性能；ｓｉ和 Ｓ则明显 降低高温合金的持 久性 能；而 Ｐ对 一些 高温合金特别是变形高温 合金表现 出有益作用，而 对 另 一 些 高温 合 金 特 别 是 铸 造 合 金表 现 出有 害 作 用 。 关 键 词 ： 高温 合 金 ；微 量 元 素 ； 作用 机 理 ：力 学 性 能 ； 微 观 组 织 中图 分 类 号 ：ＴＧ１ １３．２５，ＴＧ１３２．２ 文 献标 志 码 ：Ａ
１ 有益 的微 量 元 素
１．１ Ｂ在 高 温 合 金 中 的作 用 Ｂ 是 高温 合 金 中应 用 最 广 泛 的微 合 金 化 元 素 。绝
大 多数变 形高温合 金和铸 造高 温合金 中都 加入微 量 Ｂ。Ｂ对高温合金 的持久性能和蠕变性 能影响最 明显 ， 通常都有一最佳含量范围 。本文作者 在 ２０世纪 ７０
中国科学 院金属研 究所高温合金与金属 间化合物 研究组先后研究 了 Ｂ、Ｃ、Ｙ、Ｌａ、ｃｅ、Ｚｒ、Ｍｇ等有 益 微 量元 素 在 高 温 合 金 中 的作 用 ， 以及 Ｓｉ、Ｓ等 有 害 元 素 对 高温 合 金 力 学 性 能 和 组 织 结构 的影 响 ， 同时 还 研究 了 Ｐ在高温合金中的双重作用 。
收稿 日期 ：２０１０．０７—２０；修订 日期 ： ２Ｏ１Ｏ．１１．２０ 通信作 者 ：郭建亭 研 究员 ；电话 ： ０２４—２３９７１９１ ７：Ｅ—ｍａｉｌ：ｊｔｇｕｏ＠ｉｍｒ．ａｃ．ｃｎ
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中国有 色金 属学 报
命 （Ｂ）＝（３０９±４０）ｐｓ（见表 １）【３］，是所 有测试 试样 中 值最小的 。这是 由于 Ｂ原子的尺寸较 小，容易偏聚到 ＦｅＡ１合 金的晶界缺 陷上 。偏聚到 ＦｅＡ１合金晶界上的 Ｂ原子增加 了晶界处 的价 电子浓度，正 电子在这种 Ｂ一 缺 陷 复合 体 中 的寿 命 比在 无 Ｂ一缺 陷 复合 体 中 的短 。Ｂ 偏 聚 到 晶界 上 增 强 了 晶界 结 合 力 ，使 ＦｅＡ１合 金 室 温 拉 伸断 口由沿 晶变为 穿晶特 ，怔ｌ钔。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｓｅｖｅｒａｌ ｍｉｎｏｒ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｏｎ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙｓ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ ｒｏｌｅｓ ｏｆ ｍ ｉｎｏｒ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｉｎ ｇｒａｉｎ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｃｏｈｅｓｉｏｎ，ｇ ｒａｉｎ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｏｌｉｄｉｆ ｉｃａｔｉｏｎ ｓｅｇｒｅｇａｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ａ ｐｒｏｐｅｒ ｑｕａｎｔｉｔｙ ｏｆ Ｂ，Ｃ， Ｌａ，Ｃｅ，Ｚｒ ｏｒ Ｍ ｇ ｃａｎ ｓｉｇｎｉｆ ｉｃａｎｔｌｙ ｉｍ ｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ—ｒｕｐｔｕｒｅ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙｓ，ｗ ｈｅｒｅａｓ Ｓｉ ａｎｄ Ｓ ｄｅｇｒａｄｅ ｉｔ ｒｅｍ ａｒｋａｂｌｙ；ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ，Ｐ ｉｓ ｂｅｎｅｆ ｉｃｉａｌ ｔｏ ｓｏｍ ｅ ｗｒｏｕｇｈｔ ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙｓ，ｗ ｈｉｌｅ ｉｔ ｉｓ ｈａｒｍ ｆｕｌ ｔｏ ｓｏｍ ｅ ｃａｓｔ ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄ：ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙｓ；ｍｉｎｏｒ ｅｌｅｍｅｎｔ；ｍｅｃｈａｎｉｓｍ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｙ；ｍ ｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
郭建亭等＿５］还用正 电子湮 没技 术研 究了 Ｂ微合金 化对 Ｎｉ Ａ１晶界结合力的影响。从表 ２可 以看 出，二 元 Ｎｉ３Ａｌ和 含 Ｂ 的 Ｎｉ３Ａｌ合 金 的 相 同 ，但 后 者 的
用俄歇 能谱仪检测发现 ：加入微量 Ｂ的 ＧＨ２１３５ 合金低温沿晶断 口表面富集有 Ｂ，见 图 ２ｒ２ｊ。Ｂ在 晶界 偏聚 ，属平衡 偏聚，一般局 限在晶界几个 原子层 的厚 度之 内。偏聚在 晶界 的 Ｂ原子可改变 晶界键合状态 ， 增加 结合 力 ，郭建 亭等 【３］用正 电子湮 没试 验研 究 了 Ｆｅ一４０％Ａ１（摩尔分数）合金中加入 １％Ｂ（摩尔分数）对 晶 界结合强度的影响证 实了这 一结论 。结果表明，对含 Ｂ 的 ＦｅＡ１合 金 ，正 电 子 在 空位 型 缺 陷 中 的寿
年代初 ，系统地研 究了 ＧＨ２１３５合金中 Ｂ含量对组织 结构和力学性 能的影 响，结果表明，Ｂ对合金 的持久 性 能 影 响 最 明显 ，Ｂ 含 量在 ０．００６％（质 量 分 数）左 右 ， 持 久 时 间 达 到 峰值 ，比原 合 金 的 持 久 时 间提 高 ３－６倍 ， 持久塑性 良好 ，如 图 １所示 …。Ｂ含量过高或过低时 ， 合 金 的 持 久 时 间均 降低 。
第 ２１卷第 ３期
Ｖ０１．２ｌ ＮＯ．３
中 国有 色 金 属 学 报
Ｔｈｅ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｏｎｆｅｒｒｏｕｓ Ｍ ｅｔａｌｓ
文 章 编 号 ： １ ００４—０６０９（２０ １ １）ｏ３—０４６５—１ １
２０１１年 ３月
Ｍ “ ２பைடு நூலகம்１ｌ
几种微量元素在 高温合金 中的作用 与机理