Nb在变形高温合金中的作用

关于 γ′相强化，郭和马在这方面作了不少工作(1)。他们发现 Nb 在 γ′相和基体中的分配比例大 约为 1 ：2(图 1)。随着 Nb 含量从 0%增加到 2.46%，虽然 γ′相和 γ 相的晶格错配度从无 Nb 时的 0.76 增加到含 1.24%Nb 时的 0.81 后又降到含 2.46％Nb 时的 0.77，但 γ′相的数量增加了 30%，即从 12.56 % 增加到 16.21％。Nb 通过促进 γ′相的形成及降低 Al 和 Ti 在基体中的溶解度而使得 γ′相的数量增加。 郭和马在他们的研究中发现，由 Nb 引起的晶格错配对共格应变和屈服强度的增加贡献不大。利用随 Nb 含量增加而增加的 γ′相的长程有序数值，他们算出含 2.46％Nb 时 γ′相的反相畴界能比无 Nb 时 的反相畴界能提高了 60%(表 3)。因此，他们将 Nb 含量增加导致的屈服强度的增加值的一半左右归因 于反相畴界能的提高。
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郭和马研究了 Nb 在由 C 和 γ′稍稍强化的 Cr20-Ni80 基体中的行为（1）。这些研究者首先用真空 感应炉熔炼了含 Nb 量从 0%～2.4%共计 8 个等级的这种基体合金；其次将合金制成棒材，并将棒材进 行了 1080℃×8h，空冷＋750℃×16h，空冷热处理；最后，他们将合金中的相进行了分离，并通过对 这些相的分析知道了各相在合金中的含量及每个相的晶格常数、相的尺寸、γ′相的体积分数、错配度 及长程有序参数 S。此外，他们还测试了合金的室温拉伸性能，确定了由于 Nb 含量的递增而产生的屈 服强度的增量并评估了 Nb 对合金强化的贡献。表 3 总结了他们的研究结果。
M23C6 型碳化物的转变速率。据 Beattie 推测，MC 型碳化物的稳定性按 TaC＞NbC＞TiC＞VC 的次序依 次降低(3)。Sims 认为 Nb 和 Ta 在稳定 MC 型碳化物方面能力相当(4)。Mo 被认为是降低 NbC 稳定性的
元素(5)。郭和马的研究结果表明，分配到 MC 型碳化物中的 Nb 约占合金中 Nb 含量的 15%。
Nb 在变形高温合金中的作用
S. J. Patel and G. D. Smith （Special Metals Corporation，3200 Riverside Drive，Huntington，U.S.A.）
摘要：本文目的在于研究 Nb 在一些高温合金中的作用，并描述了这些变形高温合金中 Nb 夹杂物对其 性能的影响。首先，描述了 Ni 基合金中 Nb 的一般合金化特性；而后，研究了 Nb 在 625、706 和 718 合金中，由于改善了组织从而改善性能的特殊作用；最后，本文阐明了 Nb 在使这些高温合金成为今日 航空、航天和地面燃机中的首选材料方面所起的作用。
1 引言
Nb 在许多重要变形 Ni 基高温合金中是一种关键的合金化元素。本文目的在于研究 Nb 在这些高温 合金中的作用，并描述变形高温合金中 Nb 夹杂物对性能的影响。除了技术文献中描述的 Nb 的一般合 金化特性之外，本文也对 Nb 在 625、706 和 718 合金中所起的特殊作用进行了研究，同时评估了 Nb 对这些合金的显微组织及力学性能的影响。
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表 1 四种难熔元素 Nb、Mo、Ta 和 W 的部分物理性能
熔点，°C 密度，g/cm3 弹性模量，n/m2 x 106 原子半径，å
Nb 2468 8.4 100 2.852
Mo 2610 10.2 345 2.720
Ta 2996 16.6 185 2.854
W 3410 19.3 345 2.735
由于原子尺寸对元素在基体中的相对溶解度有影响，因此，原子大小对固溶强化效果有影响。表 2 表明：Nb 在 Ni 和 Cr20-Ni80 中的溶解度最小，而其与 Fe 和 Ni 的原子半径的错配度最大，错配度肯定 对元素的溶解度有影响，见表 2。
表 2 影响难熔元素对 Ni 和 Cr20-Ni80 基体固溶强化效果的因素
图 1 描述了 Nb 在各相，即 γ、γ′和碳化物中的分配情况。从图 1 可知： 无论 Nb 含量多少，Nb 主要存在于γ相中（～57%），其次存在于 γ′相中（～28%），在碳化物中 的 Nb 最少（～15%）。研究发现 Nb 含量从 0%提高到 2.46%，γ 相的点阵间隔从 3.5634nm 增加到 3.5713nm。γ 和 γ′相的晶格错配度先从无 Nb 时的 0.76 增加到含 Nb1.24%时的 0.81，之后又开始下降， 含 Nb 量为 2.46％时晶格错配度降到原始值。随着 Nb 含量从 0%提高到 2.46%，剪切模量从 81.7×103 提高到 85.0×103。郭恩才和马福俊已证实，在含 Cr20%的 Ni 和 Ni-Fe 基 625、706 和 718 合金中 Nb 能起到固溶强化的效果。据他们估算，加入 2.46%的 Nb 产生的固溶强化可使合金的屈服强度提高约 44MPa。这大概占由于 Nb 的添加而产生的室温屈服强度增加量的一半。由于随着 Nb 含量的增加，γ 和 γ′相的晶格错配度变化不大，因此，Nb 对由于晶格错配所产生的共格应变的贡献不大（表 3），也 就是说，Nb 的加入不会通过增大由于晶格错配产生的共格应变而提高合金的强度。结果，合金强度增 量的其余部分就主要归因于由于 Nb 增大合金的反相畴界能而产生的共格应变强化。
如前所述，Nb 能通过固溶强化、碳化物强化和共格析出相强化等方式强化 Ni 基合金。下面我们 分别考察 Nb 的这些强化机理。
2.1 镍基高温合金中铌的固溶强化
晶格中的部分原子被其他原子置换可产生和位错相互作用的晶格畸变。如表 1 所示，Nb 在 Ni 和 Cr20-Ni80 合金中的溶解度不大，在 1200℃时，Nb 在 Cr20-Ni80 中的溶解度为 7％，且随着温度的降低 溶解度也减小。Nb 和 Ni 之间的原子尺寸错配度高达 15%左右，这限制了 Nb 在 Ni 中的充分溶解。然 而，这样高的原子尺寸错配度在另一方面也表明 Nb 在产生晶格畸变方面具有很强的能力。早期有关 Nb 对 Cr20-Ni80 合金的影响的研究对我们了解 Nb 在 625、706 和 718 合金中的固溶强化效果具有极大 的价值。
625、706 和 718 合金之所以被称为高温合金是由于他们的使用温度较高，同时，对他们的力学性 能和表面完整性的要求也十分苛刻。尽管为了减少 706 和 718 合金大锻件的生产成本，在 706 和 718 合金中加入了相当数量的 Fe，但这三种高温合金通常还是被称为 Ni 基高温合金。由于 Nb 元素的有关 性能影响其在高温合金中的使用，因此，有必要首先对 Nb 元素的有关性能进行研究。在我们研究的合 金中，Nb 元素的含量由低到中，且对合金性能有显著影响。由于这些合金一般用于燃气涡轮发动机， 因此，对这些合金的拉伸强度和塑性、持久蠕变强度及塑性、组织稳定性、低周疲劳性能、密度、热 导率和线膨胀系数都有很高的要求。本文试图阐明 Nb 在使这些合金成为目前航空航天和地面燃机中的 首选材料方面所起的作用。
左右。在大约 820℃以上，M23C6 型碳化物中基本不含 Cr，而主要由 30%的 Ti、70% Nb 和 0.18% C 组 成。这表明在适当的热处理条件下，Nb 可提高合金的稳定性。对 750 合金而言，在 820~930℃之间进
行热处理可确保片状碳化物邻近区的 Cr 含量，凭此可阻止 γ′相的固溶。这就消除了降低合金持久寿
能是一个位错源和疲劳裂纹源。在铸态和热加工状态下，Nb 通常形成 MC 型碳化物。在随后的热暴露
过程中，MC 型碳化物可通过如下反应退化为含 Cr 的 M23C6 型碳化物。
MC + γ = M23C6 + γ′
(1)
Mihalisin 在一种含 2%Nb 的铸造合金 713 C 中已经确证了上述反应(2)。Nb 可抑制 MC 型碳化物向
图 1 含 Nb 为 0%～2.5%的固溶镍基合金中 Nb 在 γ、γ′和 碳化物中的分配及 γ′相的长程有序参数“S”（1）
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2.2 镍基高温合金中铌的碳化物强化
一般来说，在加工和热处理过程中，碳化物在组织细化方面起着十分重要的作用。碳化物存在于
晶内时可强化基体，并且可通过阻止晶界滑移而有助于合金高温强度的提高。另一方面，碳化物也可
命和增大裂纹扩展速率的晶界低强度区的出现。
2.3 镍基高温合金中铌的共格相强化
Ni 基合金中最重要的强化机理是 γ′相的析出强化。γ′相通过与基体的共格应变并由此影响位错 切割时产生的反相畴界能以及 γ′相的强度、尺寸和其他因素引起合金的强化。γ′相中的 Al 可被 Nb 和 Ti 替换， Ni 可被 Cr 和 Co 替换。Mihalisin 发现在铸造合金 713C 中大约 10％的 Al 已被 Nb 替换掉 (2)。对一系列高温合金进行分析后，Kriege 和 Baris 发现在 γ′相中 Nb 替换了其中大约 12％的 Al(7)。 Nb 可增加含 γ′相高温合金中 γ′相的数量并可改变其稳定性，更重要的是，Thornton 等人发现在典型 的高温合金工作温度区间，即 600~900℃，Nb 和 Ti 能使 γ′相的流变应力提高一倍(8)。详见图 2。
2 铌的基本性能
Nb 属于体心立方（BCC）VA 族元素，是在高温合金中使用的四种主要难熔元素之一，其它三种 难熔元素为 Mo（在含 Nb 的 625 和 718 合金中存在）、W 和 Ta。这些合金化元素，无论是单独添加， 还是复合添加，都有助于合金的固溶强化、碳化物强化和含 Nb 合金的析出强化。由表 1 可知：难熔元 素 Nb 与其他 3 种难熔元素相比，有较低的弹性模量、熔点和密度。由于较高的弹性模量和熔点能产生 较好的固溶强化效果，因此，Nb 的固溶强化效果比另外 3 种难熔元素要差一些。
X-750 合金，虽然不是本文详细研究的合金，但它也含 1% Nb。E.L.Raymond 已研究了该合金中
Nb 在 M23C6 中的分配(6)。他发现在 650℃和 930℃间形成的 M23C6 中，Nb 的含量最高，其次为 Ti， 而 Cr 的含量最低。在碳化物中随着 Cr 逐渐取代 Nb 和 Ti，Nb 的含量从最初的 60％~70%逐渐降到 45%