二---北京师范大学核科学与技术学院

CH4镍基超合金

CH2.1镍基超合金的成分和微结构（上）

一．介绍

面心立方结构；对许多合金元素有高的溶解度；可以通过直接和间接的多种手段强化。图

镍基超合金应用：航空燃气轮机、复式发动机（涡轮增压器、排气阀）以及高温作业工具、压模和蒸汽发生器的连接螺栓。

二．组成、微结构和性质

对于大多数零件，通过固溶体强化结合、有序金属间化和相的沉淀可以获得高温强化。氧化物颗粒或者碳化物可以获得更多的好的特性。

1．镍基合金中的元素

一些有代表性的镍合金的组成列于下表：

元素影响

铬抗氧化和热腐蚀，固溶体强化

钼、钨固溶体强化，形成M6C碳化

物

铝、钛形成γ’Ni3 (Al,Ti)，淀积硬化，

Ti还可以形成MC碳化物，

Al增强抗氧化性

钴提高γ’的固-溶相线温度

硼、锆通过增加延展性提高断裂寿

命，B还可以形成硼化物

碳形成MC，M7C3，M23C6碳化

物

铌形成γ’Ni3Nb淀积硬化，形成

δ正交Ni3Nb，形成碳化物

钽固溶体强化，形成MC碳化

物，增强抗氧化性

铼提高蠕变强度，抵抗环境影

响，可以参与γ’

铪形成MC碳化物，提高晶界延

展性，增加共熔的γ/γ’的体积

比例，提高抗氧化性，提高抗

热腐蚀性

（1）要获得增强和抗氧化性，铝是镍中最重要的合金元素。（2）要获得抗热腐蚀性，是铬。铬带来对合金的弱化作用。因此，当早期的时候，超合金中包含多达20％的Cr，现代超合金更多的是包含大约10％Cr。

大多超合金包含8种或者更多的元素，每种元素有特定的关于强度、合金稳定性或者环境抵抗性方面的作用，往往要考虑折衷。

它们分为三类：各方等大的、直接固化的和单晶。一般

每种溶质元素提供一种以上的作用。有害的元素诸如硅、磷、硫、氧或者氮必须通过合适的工艺来控制。在主要部件中，其它微量元素（例如硒和铅）控制在很低的水平。大多数镍基超合金包含10－20％的铬来保护表面，多达8％的铝和钛结合来保持强度，还有5－10％的钴和少量的硼、锆和碳，后三者提高高温下抵抗晶界断裂的能力。其它常见的添加元素有钼、铌、钨、铊和铪，这些元素扮演双重角色：起强化作用的溶质和形成碳化物的元素。另外，铬和铝是提高表面稳定性所必需的，它们分别形成Cr2O3和Al2O3。

2．镍基合金中的相

在超合金中，是否达到希望的特性很大程度上依赖γ’相的数量、尺寸、形状以及碳化物的分布。在多晶中晶界上存在硼和锆可以进一步提供高温下的强度。

镍基合金中出现的主要相如下：

相晶体结构晶格参数（nm）典型例子

γ’fcc 纯Ni3Al：0.3561

Ni3(Al0.5Ti0.5)：

0.3568

Ni3Al

Ni3(Al，Ti)

ηhcp a0=0.5093

c0=0.8476

Ni3Ti γ’’bct a0=0.3624

c0=0.7406

Ni3Nb

Ni3Nb(δ)斜方a0=0.5106-0.511

b0=0.421-0.4251

c0=0.452-0.4556

Ni3Nb

MC fcc a0=0.430-0.470 TiC、NbC M23C6fcc a0=1.050-1.070 （Cr,Fe,W,Mo）

M23C6

M6C 立方a0=1.085-1.175 Fe3Mo3C

M3B2四方a0=0.560-0.620

c0=0.300-0.330 Ta3B2 Nb3B2

Laves 六角a0=0.475-0.495

c0=0.770-0.815

Fe2Nb

σ四方a0=0.880-0.910

c0=0.450-0.480

FeCr FeCrMo

（1）γ基体（γ）。Fcc镍基相，常常含有高百分比的固溶体元素，诸如：铬、铁、钴、铼、钼和钨。所有镍基合金含有这种相作为基体。

（2）Gamma Prime(γ’) 加入足够数量的铝和钛沉淀出有序Fcc γ’，Ni3（Al,Ti）。与奥氏体γ基体完全共格。其它元素，尤其是铌、铬、铼和钛也进入γ’相。需要这种相来保持高温下强度和抵抗蠕变。

（3）Gamma double prime（γ’’）。在铁存在的情形下，镍和

铌结合，形成bct[1]Ni3Nb，与基体共格但引入大量失配应力。在低温到中温区，这种相提供很高的强度，但在高于大约815℃时不稳定。可以用铊替代部分或全部铌来提高性质。（4）碳化物。碳加入到0.05-0.2%的数量与钛、铊和铪等反应元素结合形成MC碳化物。在热处理或热工作条件下这些趋于分解和产生其它的碳化物，诸如：M23C6和／或者趋于产生于晶界上的M6C。碳化物在除单晶之外的所有超合金中存在。它们仅提供间接强化。

（5）晶界γ’。在较强的合金中，热处理或者工作在暴露条件下会沿着晶界产生一层γ’薄膜。这可以提高抗腐蚀特性。（6）硼化物。硼隔离在晶界上，结果会形成一层密度相对较低的硼粒子。

（7）拓扑密堆积相。对于一些成分，或者是在一定条件下，象盘子一样的相诸如：σ、μ和Laves可以形成，引起腐蚀强度和延展性降低。

在镍基超合金中，上面大多数相（除γ’’）经常出现。另一方面，一些Ni-Fe超合金诸如IN706和IN718，包含γ’’Ni3Nb作为基本沉淀，还有γ’。另外，氧分散体强化的合金包含百分之几体积的分散体相，诸如γ-γ’基体中的Y2O3。还有合成物（机械混合）可以在γ-γ’包含钨或者钨合金纤维。3．γ基体

[1]体心正方