高温合金教材重点

注意：

1、M 和Mo 是非常有效的固溶强化元素，W 在γ和γ`相各占一半，W 既强化γ也强化γ`相，而Mo 主要溶解于γ相，对固溶强化起主要作用。

2、Nb 和Ta 主要溶解于γ`相，对固溶强化也起主要作用。

3、Re 原子在γ基体中易形成短程有序原子团，阻碍位错运动。

4、V 对变形镍基高温合金的热加工塑性有明显提高，少量V 使铁基高温合金消除缺口敏感性。

5、Ru 是一种有效的固溶强化元素，可抑制TCP 相，明显改善高温蠕变强度。

第四章 合金高温的沉淀强化及合金元素的作用

4.1 沉淀强化机理

4.1.1共格应变强化机制

1.晶格常数相差越大（即点阵错配度）愈大，γ'相周围应力场越强，造成的效果越显著。

γγγ']/a a -[a ε

2.凡是能够提高γ'相晶格常数的合金元素：如Nb 、Ti 和Ta 等，都增加γ'相周围的宫格相变，起显著强化作用。凡是大部分能进入γ奥氏体的合金元素：如Mo 、Fe 和Cr 等固溶强化元素，都能提高γ奥氏体的晶格常数，从而降低γ和γ'相的共格应变。γ''相为体心立方结构，晶格常数更大。造成γ/γ'及γ/γ''相点阵错配度大大增加。

3.错配度太大的合金，在高温下γ'相变得很不稳定，容易聚焦长大，而松弛弹性应力。Γ错配度小的合金，γ'相在高温稳定，因而对抗蠕变性能特别有利，通常表现为错配度越小，高温抗蠕变性能越好。

4.1.2 Orowan 绕过机制

在高温合金γ奥氏体基体内弥散分布的沉淀相颗粒，当这些颗粒比基体硬，强度比基体高，颗粒间距较大或者是与基体没有共格关系的外加弥散质点时，运动位错不能切割这些质点，而只能通过绕过方式越过这些障碍。

4.1.3位错切割有序颗粒机制

当高温合金γ基体中沉淀相硬度较硬，强度不高，且与基体γ共格，具有公共的滑移面。且博格斯矢量相差很少或者基体中的全位错是沉淀相的半位错时，运动位错以切割γ'相形式越过障碍。

位错切割γ'相的所有理论，都与有序相γ'相反相筹界能有关，通常是反相筹界（APB ）能高者合金的屈服强度高。

4.1.4 位错攀移机制

当施加应力较低时，不足以开动位错切割机制或者Orowan 绕过机制时，蠕变变形只能借助于位错以热激活攀移方式越过强化粒子。沉淀相颗粒越大，间距越小，稳态蠕变速率越低，强化效果越好。

在高应力条件下，n=8.3~9.8，位错以Orowan 绕过机制通过γ'相沉淀，并在γ'沉淀质点周围下留下位错环，而在低应力条件下，n=4.1~4.9，位错以攀移方式通过γ'相颗粒。

4.1.5 沉淀强化机理的实际应用

1 沉淀强化相的数量是高温合金强化的根本保证

室温下的屈服强度均随合金中的γ'相总量的增加而提高。同样，高温合金的持久强度也随γ'相的体积分数增加而增大。通常γ'相的体积分数随合金中的Al+Ti的含量而增加。Al+Ti 之和对高温持久强度起绝对性作用。

2 沉淀强化相尺寸与间距在高温合金强化中具有重要的作用

3 有序沉淀相的反相筹界能对位错切割机制起关键作用

4 高温合金的碳化物强化

VC主要弥散分布于γ奥氏体，尺寸约几个nm，呈球形分布，尺寸很小的VC颗粒与γ'基体甚至存在部分共格关系，错配度较小。

5 弥散强化

用粉末冶金的方法把惰性的氧化物质点加入到金属或者合金中，使其在0.7T m（熔点绝对温度）至熔点的温度范围内产生强化，这种机理叫做弥散强化。

4.2 合金元素的作用

4.2.1 铝

铝是形成γ'-Ni3Al相的基本组成元素，加入高温合金中的Al，约有20%进入γ固溶体，起固溶强化作用，而80%的Al，与Ni形成Ni3Al，进行沉淀强化。其次Al的加入改变γ'相中各元素的溶解度，随着Al含量增加，Al和Ni进入γ'相的数量增多（也影响其它合金元素如Ti、W、Mo、Fe等进入γ'相的数量增多）。进一步增加γ'的数量。通常还增加反相筹界能，使切割机制的强化效果增强。第三，Al含量增加，改变了γ'和γ的相之间的错配度。随着Al的增加，蠕变断裂时间增加，在某个值达到峰值，当超过峰值时，蠕变断裂时间下降，其主要原因是合金析出了大块laves相和NiAl相，使裂纹易于形成与扩展。

4.2.2 钛

钛元素加入镍基和铁基高温合金中，约10%进入γ固溶体，起一定固溶强化作用。约90%进入γ'相，钛原子可以代替γ'-Ni3Al相中的Al原子，而形成Ni3（Al，Ti）。在一定铝含量条件下，随着Ti含量增加，γ'相数量增加，引起合金室温和高温强调增加。γ'相中存在的Ti原子明显提高反相筹界能，Ti/Al之比增加，γ'相的反相筹界能提高。反相筹界能提高可强化切割机制引起的强化效应。但Ti/Al之比过高使γ和γ'晶格常数差别太大，将加速γ'相长大，使γ'相在热力学上不稳定，有向η-Ni3Al转变的倾向。

4.2.3 Al+Ti之和和Ti/Al之比的影响

铁、镍基高温合金中γ'相的数量通常随Al+Ti之和增加而增加。但Ti/Al比对γ'相数量影响不太大。Ti/Al之比提高，明显增加反相筹界能。Al+Ti含量的增加还影响γ'相的尺寸，γ'相的大小随着Al+Ti含量的增加而减少，但Ti/Al比基本不影响γ'的尺寸。同时Al+Ti之和和Ti/Al之比还明显影响γ'相和γ相的点阵错配度。γ'相的点阵常数随合金Ti含量及Ti/Al 比成正比增加。而γ奥氏体的点阵常数随Ti/Al比的增加而减少，随Al+Ti的增大而增大。γ'与γ相的错配度随Al+Ti的增加直线增加，而当Al+Ti一定时，错配度随Ti/Al的增加而降低。

4.2.4 铌

铌在γ'相中约占90%，主要进入γ'相，形成Ni3（Al，Ti，Nb），使γ'相数量增多，γ'相反相筹界能增大，γ'相颗粒尺寸增大，有序度增加，从而引起γ'相的沉淀强化作用增强。由