高温合金金相检验

高温合金金相检验
王元瑞（上海材料研究所检测中心，200437）
一、高温合金低倍检验
1.低倍试样的切取与制备
1.1试样的数量及截取部位按相应技术条件中规定执行。

1.2横向试样厚度约20~30mm。

1.3纵向试样长度约55±5mm，试验面应通过轴向中心。

1.4试样经砂轮磨平后，用砂纸或磨盘磨光，最理想进行抛光，试片洗涤干净后吹干。

1.5板材试样沿纵向磨制。

2.试样侵蚀
2.1棒材、板坯、铸锭横向试样，能反映低倍组织及缺陷的，可采用下面浸蚀剂侵蚀。

a）盐酸500ml、硫酸35ml、硫酸铜150g
b）盐酸1000ml、水1000ml、硫酸100ml、重铬酸钾50g
c）盐酸3份、硝酸1份
2.2 棒材纵向低倍组织可选用盐酸500ml、硫酸35ml、硫酸铜150g
3.侵蚀操作
3.1一般试样侵蚀在室温下进行，将试面向上浸入侵蚀剂中进行观察。

3.2浸蚀时间以清晰显示低倍组织及缺陷为准，时间约5～30min。

3.3 浸蚀后立即取出，用水冲洗并将试面上的浸蚀产物刷洗干净，必要时可采用约10%过硫酸铵水溶液洗涤，然后用水冲干净并用酒精清洗，后用吹风机吹干。

二、高温合金高倍检验
1.试样的选取与制备
1.1试样的数量及切取部位按相应技术条件规定进行。

1.2试样采用冷切或热切方法,热切须刨去热影响区，棒材厚度约10~15mm，板材试片为20~30mm。

1.3按相应的技术条件规定热处理后加工试片。

1.4试棒＜32mm时，试面中心线通过轴线沿纵向切取试棒1/2；试棒＞32mm时，沿纵向切取试棒1/4。

1.5板材沿纵向磨制。

由于这些材料基体多数是奥氏体型，质地较软，磨抛过程中试面容易滑移变形，制样时要十分
仔细，最好采用水砂纸，用力不要过猛，最后几道要轻磨，磨光后应进行清洗。

2.试样抛光和组织显示
抛光时选用磨削能力大的磨料（如钻石抛光膏或氧化铝等），抛光时间不宜过长。

为消除变形层和
加快抛光过程，抛光和腐蚀可以交替进行。

对一些较难制备的样品或较软组织，可采用电解抛光。

也可在机械抛光后，再进行电解抛光。

2.1板材电解抛光液：⑴ 40ml高氯酸+450ml乙酸+15mlH2O
⑵ 380mlH3PO4+200mlH2O+180mlH2SO4
这类合金由于耐腐蚀性能较好，同时在腐蚀过程中表面易生成致密的钝化膜，经组织显示带来
一定困难，一般采用电解侵蚀，也可选用较强的还原性的侵蚀剂进行侵蚀。

2.2常用的电解侵蚀和化学侵蚀剂如下：
化学侵蚀：⑴ 30mlHCl+10mlHNO3+CuCl2（过饱和）
⑵ 50mlHCl+50mlH2O+5gCuSO4
⑶ 100mlHCl+5mlH2SO4+5gCuSO4
⑷ 100mlHCl+5mlH2SO4+20gCuSO4+80mlH2O
电解侵蚀：⑴ 90ml甘油+50mlHCl+10mlHNO3
⑵ 12mlH3PO4+47mlH2SO4+41mlHNO3
⑶ 10ml高氯酸+30ml冰醋酸+60mlH2O
⑷ 10﹪草酸水溶液
2.3低合金含量的铸造合金，常采用盐酸：水：过氧化氢=2：2：1；
2.4高合金化的变形高温合金晶粒度，采用盐酸-硝酸-甘油
2.5低合金化的变形高温合金晶粒度，采用三氯化铁-盐酸-水溶液，盐酸-硫酸-硝酸溶液，10%草酸溶液。

三、高温合金分类
高温合金通常按其用途、工艺和成分分类。

按用途分：导向叶片、涡轮叶片、涡轮盘、燃烧室及其它高温部件的合金；
按其工艺：变形合金、铸造合金；
按其成分：铁基、镍基、钴基。

1.铁基合金成分特点是以铁为主，含有大量镍、铬和其它元素，又称Fe-Ni-Cr基合金。

以变形合金为主，也有铸造合金（一般含B较高）。

根据合金不同的强化类型又可细分为四种：
弱时效硬化型合金：其成分特点是含适量的C和N、有弱时效硬化能力，但主要靠W、Mo、Nb难熔元素强化固溶体，通常采用热机械加工工艺强化。

其成分一般为：13~20%Cr，10~25%Ni，3~7%W+Mo+Nb，0.2~0.3%C+N。

加工性能良好，做一些次要紧固件等。

固溶强化型合金：其成分特点是含Cr较高，在20%以上，以获得良好的抗氧化性。

含Ni约25~40%，
使奥氏体稳定，还含有W、Mo、Nb和少量Al、Ti、N等元素，起固溶强化作用。

其成分一般为：19~23%Cr，24~40%Ni，2~11%W+Mo+Nb，0.06~0.12%C，微量B、Ce、Zr，某些合金还有0.13~0.30%N。

加工性能良好，加工成板材做燃料室材料，使用温度达800~900℃。

碳化物时效硬化型合金：其成分特点是含C较高，并含有W、Mo、Nb等强碳化物形成元素。

其成分一般为：13~20%Cr，8~25%Ni，6~10%Mn，3~6%W+Mo+Nb+V，0.3~0.4%C+N+P，微量B、Zr等。

可做涡轮盘及紧固件等部件，使用温度为600~650℃。

金属间化合物时效硬化型合金：其成分特点是都含有Al、Ti、Nb等元素，以形成金属间化合物起时效硬化作用。

其成分一般为：10~16%Cr，25~45%Ni，1.8~3.5%Ti，0.2~2.8%Al，3~3%Nb，1~3%W，1~5%Mo，≤0.08%C，微量B、Ce、Zr等。

主要做涡轮盘，也可以做涡轮叶片及其它高温部件，使用温度为650~800℃。

2.镍基合金以Ni为基，一般含10~20%Cr形成铬镍奥氏体基体，又称Ni-Cr基合金，部分还含有
10~20%Co形成铬钴镍奥氏体基体，又称Ni-Cr-Co基合金。

根据合金不同的强化类型可细分为：
固溶强化型合金：含有大量的W、Mo和少量Al、Ti、Nb以强化固溶体，W和Mo之和达13~20%，微量B、Ce、Zr强化晶界。

可做燃烧室部件及其它板材部件，使用温度可达900~1000℃。

以金属间化合物γ′相强化的时效硬化型合金：都含大量Al、Ti、Nb和Ta，其和达2.7~16%，以形成Ni3Al 型γ′相，产生强烈的时效硬化作用。

总量高达3~18%的W和Mo，微量B、Ce、Zr起强化晶界作用。

主要做涡轮叶片、导向叶片、涡轮盘和及其它高温部件。

镍基铸造合金都以γ′相强化的时效硬化型合金，合金化程度比变形合金高，高温强度也比变形合金高。

以γ′相强化的时效硬化型镍基合金的使用温度一般为750~1000℃左右。

3.钴基合金基体以Co为主的Co-Ni-Cr奥氏体，含有大量W起固溶强化作用，而Ti、Zr、Nb、Ta、W、Mo和Cr也能形成碳化物以强化合金。

成分一般为20~25%Cr，0~20% Ni，10~15%W，0~9% Ta、0.1~1.0%C、0~2% Zr、0~1%Ti，微量B、Y、La等。

具有良好的抗腐蚀性能和抗冷热疲劳性能，具有较平直的持久-断裂时间-温度参数性能。

四、合金元素的基本作用
1.形成面心立方奥氏体基体的元素——Ni、Fe、Co、Mn。

2.提高抗氧化和耐腐蚀性的元素——Cr、Al（抗氧化）、Ti（抗热腐蚀）。

3.固溶强化元素——W、Mo、Cr、N、Al。

4.碳化物强化元素——C、Cr、W、Mo、V、Nb、Ta、Hf、N。

5.金属间化合物强化元素——Al、Ti、Nb、Ta、Hf。

W能大量进入γ′相增强γ′相强化作用。

6.晶界强化元素——B、稀土、碱土、Zr以及Hf、Nb。

五、高温合金的热处理
变形高温合金一般由固溶处理、中间处理和最终时效处理组成。

固溶处理目的：得到均匀的过饱和固溶体，控制一定的晶粒度。

温度大约在980~1250℃之间。

对于高温长时使用的合金，可选择较高的固溶温度，获得较粗的晶粒度（2~3级）。

对于中温使用并要求有高的短时强度和疲劳强度的合金，可采用较低的固溶温度，保持较细的晶粒度（5~6级或更细）。

高温固溶处理时各相逐步溶解同时晶粒长大，低温固溶处理时主要强化相的溶解，而且可能有某些相的析出。

过饱和程度低的合金可选择较快的冷却速度，如油、水冷，过饱和程度高的合金可选择空气中冷却。

组织基本是奥氏体和MC碳化物（少量MN、M3B2等）
中间处理（即二次固溶处理或中间时效处理）目的：改变晶界碳化物状态和造成大小两种尺寸的γ′相。

温度一般在1000~1150℃之间，保温和冷却过程中于晶界析出链状碳化物，起强化晶界作用。

过饱和度低的合金往往伴随有晶界贫γ′区，过饱和度高的合金往往形成包覆链状碳化物的γ′膜。

时效处理的目的：使强化相充分而均匀地析出，温度一般在700~1000℃之间。

镍基合金组织由固溶强化的单相奥氏体演变为用γ′相强化的多相合金。

铁基和铁镍基合金组织除奥氏体外，还有一些碳氮化物。

强化水平低的合金以M23C6为主强化相，分布不均匀，颗粒较大。

强化水平高的合金以MC为主强化相，呈弥散、细小质点均匀析出。

钴基合金组织主要强化相为碳化物，有MC、M7C3、M23C6等。

强化低的合金晶界和枝晶间块状的M23C6、M7C3和（γ+ M23C6）共晶，共晶中的M23C6为细片状。

强化高的合金骨架状和块状MC，共晶M23C6和块状M6C。

六、高温合金中的主要组成相
相的分类常见分二类：过渡金属元素与碳、氮、硼（氢）形成的间隙相，
过渡金属元素之间形成的金属间化合物。

1.金属间化合物——GCP相（几何密排相）
γ′相（Ni3 Al）
γ′为高温合金的主要强化相，点阵常数与γ基体相近。

时效析出时具有弥散均匀形核，共格、质点细而间距小，相界面能低而温稳定性高的特点。

时效析出常为三角形、矩形、球形，个别呈片状或胞状。

高温时效时不仅能在晶内弥散析出，还可以在晶界析出链状的方形γ′，或包覆碳化物的γ′膜。

长期时效（或应力时效）和使用过程中，γ′相聚集长大，如球状、条状、树枝状。

初生γ′呈白色大块状分布于晶界和树枝晶间，白色大块内有点状、条状和网状组成物，基体是γ
η相（Ni3Ti）
直接从γ基体中析出，也可以由高Ti低Al合金中的亚稳定的Ni3（Al、Ti）相转变而来。

初生与γ′相似，分布于枝晶间，一般呈块状和片状，次生呈针状或片状。

金相形态二种：一种是晶界胞状，由交错分布的η和γ半共格层组成，另一种为内片状或魏氏组织，位向关系为｛0001｝η‖｛111｝γ，［1210］η‖［110］γ。

γ″相（Ni3Nb）
是含Nb高的Fe-Ni基合金中的重要强化相。

γ″相是亚稳定的过渡相，在高温长期作用下，γ″易长大并发生→δ-Ni3Nb的转变，因此使用温度不能超过650~700℃。

电子显微镜才能观察到，呈圆盘状和球状；γ″析出温度约550~900℃。

δ-Ni3Nb相
为正交点阵，金相形态多数为薄片状，位向关系为｛010｝δ‖｛111｝γ，［100］δ‖［110］γ。

低温时效δ-Ni3Nb在晶界上呈胞状沉淀，较高温度γ″在晶内转变成片状δ。

析出温度约780~980℃。

2.金属间化合物——TCP相（拓扑密排相）
σ相（BA）
金相形态为颗粒状和片状（针状），量多时也可以呈魏氏组织，个别合金中有短棒状。

铁基沿晶界析出小颗粒状镍基三维呈片状、二维呈针状
σ相常在晶界形核，也常在M23C6颗粒上形核。

组织中出现δ铁素体或出现富Cr、Mo的相都会促进σ相形成。

最快析出温度约750~870℃。

Ni阻止σ相形成，Fe、Co、W、Mo、Al、Ti、Si都促进σ相形成。

Laves（B2A）相
有三种晶体结构：MgCu2型、MgZn2型、MgNi2型。

MgCu2面心立方，单位晶胞中有24个原子，MgCu2六方点阵，单位晶胞中含有12个原子，MgNi2六方点阵，单位晶胞中有24个原子。

常见的MgZn2型的Laves相低温时效析出细小颗粒状，高温时效析出短棒状或竹叶状。

细小弥散质点析出Laves相对合金有一定硬化作用，大量针状Laves相降低室温塑性，少量短棒状Laves 相没有严重有害作用。

析出温度约650~1100℃。

Laves相倾向于高温析出。

Fe基合金易产生Laves相。

W、Mo、Nb、Al、TSi等元素促进Laves相形成，Ni、C、B、Zr抑制Laves相形成。

μ相（B7A6）
三角晶系，单位晶胞有13个原子。

金相形态呈颗粒状、棒状、片状或针状。

颗粒较大，没有强化作用。

次生二维呈针状，三维呈片状初生无规则的几何形状出现在枝晶间及共晶γ′周围。

χ相
具有α-Mn结构，单位晶胞有58个原子。

金相形态一般呈块状，不起强化作用。

3.其它金属间化合物
β相（NiAl）和Ni2AlTi相
体心立方有序结构，金相形态一般呈块状、棒状或粗片状。

碱性苦味酸溶液煮，β相变褐色，Ni2AlTi 相为杏黄色。

Fe基合金易形成NiAl，Ni基合金易形成Ni3Al
G相（A6 B16 C7）
三元化合物，分子式A6B16C7，C为Si原子，A为Ti族和V族原子，B为Co、Ni原子。

晶体结构为面心立方，单位晶胞有116个原子。

金相形态为晶界呈块状，量多时呈网状。

具有Ni13Ti8Si6化学组成。

α′相
富Cr的体心铁素体。

在高Cr、Ni的Fe-Ni基合金中出现。

π相
在高氮合金系中观察到，时效后在晶内呈小颗粒状析出
4.碳化物（MC、M7C3、M23C6、M6C）
MC碳化物和M N（MC，N）碳氮化合物
MC呈块状或骨骼状，M（C，N）呈金黄色的方块形状。

分布于枝晶间和晶界上，硬度3000HV。

TiN 金黄色多边形块状，TiC灰色不规则颗粒。

快速凝固时分散的块状或条状慢速凝固时骨架状或树枝状
M7C3碳化物
高温时效主要沿晶界析出，一般呈颗粒状
M23C6碳化物
析出温度约650~1100℃，析出峰在850~950℃之间。

倾向在晶体缺陷上形核。

初生骨架状（三维形貌）、块状和条状（二维形貌）
次生①从MC分解而成，②从溶解剩余C的合金基体里形成
高温时效低温时效
钴基颗粒状或层片状魏氏组织析出
镍基颗粒状析出于晶界上呈胞状在晶界上沉淀
M6C碳化物
比M23C6稳定，析出温度约750~1150℃，析出峰在900~1050℃左右。

颗粒状析出于晶界上，片状在基体上析出
5.硼化物相
主要为M3B2型，硼化物数量过多，成为疲劳开裂的根源。

铸造合金以共晶形态分布于枝晶间和晶界上，变形合金呈块状分布于晶内，时效析出分布于晶界上。

6.Z相
为NbCrN型多元氮化物，四方结构。

通常为一次相，时效时有少量析出，金相形态为不规则块状。

7.Y相（M2SC）
与共晶γ′共存并相切或穿入；位于晶界和枝晶间；初生硼化物共存；与Ni5Zr或Ni5Hf共存；与初生MC碳化物共存。

8.Ni5Zr、Ni5Hf相
一般呈蜂状分布于枝晶间
四、高温合金的金相分析方法
1. 观察抛光后未经浸蚀的试片，氮化物呈金黄色，M23C6、M6C、M7C3、硼化物隐约可见，M2SC呈金
褐色
2. 选择性叠加浸蚀
3. 碱性浸蚀剂显示碳化物、硼化物、σ、μ
4. 酸性浸蚀剂基本显示所有的相
5. 化学着色浸蚀
五、浸蚀剂
试剂成分方法备注
4克
NaOH+4KMnO4+100mlH2O 化学初生MC红绿色，硼化物褐色，次生M23C6、M6C针状，σ相显示
NH4OH:H2O=1:1 化学初生MC棕色，次生M6C红绿色，硼化物褐色，
M23C6针状，σ相显示
40%NaOH 电解σ和碳化物黑色
5mlH2SO4+150mlHCl+ 20克CuSO4.H2O+80mlH2O 化学或电
解
显示全部组织
硝酸：氢氟酸：甘油
=1:1:3或1:2:3
化学显示全部组织
10mlHNO3+数滴HF 电解显示全部组织
10%草酸电解基体变黑色，γ′，初生γ′亮白色，大块Fe2（Ti，Nb）白色10%磷酸电解基体变黑色，γ′，初生γ′亮白色。