先进金属结构材料-高温合金2012.pdf

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1、先进金属结构材料先进金属结构材料 Advanced metallic structural materials 高温合金高温合金 北京航空航天大学材料学院北京航空航天大学材料学院 School of materials science and engineering,BUAA 李树索李树索 82314488 E-mail 主 要 内 容 1.1.高温合金概论高温合金概论 2.2.高温合金物理冶金原理高温合金物理冶金原理 3.3.高温合金微观组织高温合金微观组织 4.4.高温合金热处理高温合金热处理 5.5.高温合金制备技术高温合金制备技术 6.6.高温合金的防护高温合金的防护 7.7.高温合金

2、的应用高温合金的应用 8.8.高温合金在接近使用条件下的力学性能高温合金在接近使用条件下的力学性能 1 1高温合金概论高温合金概论 高温合金的定义高温合金的定义 高温合金的特点高温合金的特点 高温合金的分类高温合金的分类 高温合金的用途及发展历史高温合金的用途及发展历史 高温合金是指以铁高温合金是指以铁、镍镍、钴为基钴为基，能在能在600以上以上高温抗氧化或抗腐蚀高温抗氧化或抗腐蚀，并能在一定应力作用下可并能在一定应力作用下可长期工作的一类金属材料长期工作的一类金属材料。因其合金化程度很高因其合金化程度很高，在英美称之为超合金在英美称之为超合金（superalloy）。高温合金既是航空发动机热

3、端部件高温合金既是航空发动机热端部件、航天火箭发航天火箭发动机各种高温部件的关键材料动机各种高温部件的关键材料，又是工业燃气轮又是工业燃气轮机机、能源能源、化工等工业部门所需的高温耐蚀部件化工等工业部门所需的高温耐蚀部件材料材料，因而是国防建设和经济建设不可缺少的一因而是国防建设和经济建设不可缺少的一类重要材料类重要材料。在先进的航空发动机中在先进的航空发动机中，高温合金材料的用量占高温合金材料的用量占总重量的总重量的80%左右左右。航空发动机构造航空发动机构造 二二 燃气涡轮发动机燃气涡轮发动机 特点：重量轻、体积小、行进平稳，广泛应用于飞机、直升机的动力装置。涡轮航空发动机主要组成部分：进

4、气道、压气机、燃烧室、燃气涡轮、尾喷管。进气道，发动机的进气通道，其功用是整理进入发动机的气流，消除漩涡，进气道，发动机的进气通道，其功用是整理进入发动机的气流，消除漩涡，并利用飞行时冲入的气流提高压力并利用飞行时冲入的气流提高压力 压气机是利用高速旋转的叶片对空气做功以提高空气压力的部件，有压气机是利用高速旋转的叶片对空气做功以提高空气压力的部件，有离心式和轴流式两种离心式和轴流式两种 燃烧室是煤油和压缩空气充分混合燃烧，释放出热量，在涡轮所要求的各种工作状态下燃烧室是煤油和压缩空气充分混合燃烧，释放出热量，在涡轮所要求的各种工作状态下提供温度一致的均匀燃气流的部件，常见的有联管燃烧室、环形

5、燃烧室。提供温度一致的均匀燃气流的部件，常见的有联管燃烧室、环形燃烧室。燃气涡轮是将高温高压燃气的能量转化为机械能的一种叶燃气涡轮是将高温高压燃气的能量转化为机械能的一种叶片机。片机。尾喷管的发动机的排气系统，燃气涡轮发动机不同，尾喷管设计也尾喷管的发动机的排气系统，燃气涡轮发动机不同，尾喷管设计也不同，利用燃气流产生反作用的发动机都有较长的尾喷管，其作用不同，利用燃气流产生反作用的发动机都有较长的尾喷管，其作用是使燃气流在其膨胀加速和获得较大的推动力是使燃气流在其膨胀加速和获得较大的推动力 发动机涡轮 组成组成 静子（导向器）静子叶片 内、外环 转子 工作叶片 盘 轴 排列方式 静子在前 转

6、子在后 高温合金的定义高温合金的定义 高 温 合 金高 温 合 金 又 称 热 强 合 金又 称 热 强 合 金、耐 热 合 金 或耐 热 合 金 或 超 合 金超 合 金（superalloy)，是指以是指以铁铁、镍镍、钴为基钴为基，能在能在600以上温度以上温度，一定应力条件下适应不同环境短时或长一定应力条件下适应不同环境短时或长时使用的金属材料时使用的金属材料。6001100 氧化和燃气腐蚀环境氧化和燃气腐蚀环境 复杂应力（蠕变，高、低周疲劳，热疲劳等）复杂应力（蠕变，高、低周疲劳，热疲劳等）长期可靠工作长期可靠工作 高温合金特点高温合金特点 优良的高温性能优良的高温性能 600600

7、以上的以上的比强度比强度高于高于AlAl合金、合金、TiTi合金和结构钢等合金和结构钢等 从室温到高温：从室温到高温：良好的塑性良好的塑性 承温能力强承温能力强 使用温度：使用温度：熔点的熔点的0.50.5-0.90.9范围内长期可靠工作范围内长期可靠工作 高温合金的特点高温合金的特点 综合性能优越综合性能优越 优良的高温强度、良好的塑性优良的高温强度、良好的塑性 良好的抗高、低周疲劳良好的抗高、低周疲劳 抗冷热疲劳，抗高温氧化、腐蚀抗冷热疲劳，抗高温氧化、腐蚀 可采用多种强韧化途径改善合金性能可采用多种强韧化途径改善合金性能 合金化（固溶强化、第二相强化、晶界强化）合金化（固溶强化、第二相强

8、化、晶界强化）工艺强化（工艺强化（P/MP/M，DSDS，SXSX）高温下强度高，变形加工困难高温下强度高，变形加工困难 高温合金的分类高温合金的分类 按基体分类：按基体分类：铁基：铁基：（含（含2560%Ni，又称，又称铁镍基铁镍基）最高使用温）最高使用温度度800 镍基镍基:(Ni-Al-Cr-Co-W-Mo-Nb-Ta-C-B-Zr-Ce-Y-Hf-Re-Ru)最高使用温度最高使用温度1150 钴基钴基；（；（Co-Cr-W-Mo-Nb-Al-Ti-C)最高使用温度最高使用温度1100 IMC基合金基合金（Ni3Al、NiAl、高、高NbTiAl)铬基合金铬基合金（特殊情况下使用）（特殊

9、情况下使用）高温合金的分类高温合金的分类 按强化机制分类：按强化机制分类：固溶强化型固溶强化型 时效沉淀强化型时效沉淀强化型 弥散强化型弥散强化型 复合强化型复合强化型 高温合金的分类高温合金的分类 变形合金变形合金：铸锭：铸锭 热变形（锻、轧）热变形（锻、轧）热处理热处理（固溶时效）（固溶时效）铸造合金铸造合金：铸锭：铸锭 重熔成零件重熔成零件 热处理（固溶热处理（固溶时效）时效）细分：普通铸造（细分：普通铸造（CC）定向凝固定向凝固 (DS)单晶单晶 (SX)粉末冶金高温合金粉末冶金高温合金：铸锭：铸锭 制粉制粉 压实压实 热变热变形形 热处理热处理 按成型方式分类按成型方式分类 高温合金

10、的分类高温合金的分类 按使用特性分类按使用特性分类 高强度合金高强度合金 抗松弛合金抗松弛合金 低膨胀合金低膨胀合金 抗腐蚀合金抗腐蚀合金 高温合金系列高温合金系列 美国美国:Inconel系，系，IN，Mar-M,Udimet,CMSX,Rene,PWA 等等 英国英国:Nimomic,PE,PK,RR 法国法国:AM,MC 俄罗斯俄罗斯：，C等等 中国中国：变形合金：变形合金：GH（50）铸造合金：铸造合金：CC：K（28）DS：DZ（10）SX：DD 粉末合金：粉末合金：FGH（95，96）高温合金的用途高温合金的用途 主要应用领域主要应用领域 航空、航天、核工业、能源动力、交通运输、航

11、空、航天、核工业、能源动力、交通运输、石油化工、冶金等石油化工、冶金等 航空上的应用：航空上的应用：航空发动机（叶片、涡轮盘、燃烧室等）航空发动机（叶片、涡轮盘、燃烧室等）高温合金用量高温合金用量50%（高性能发动机上（高性能发动机上 60%）高温合金的发展历史高温合金的发展历史 发展推动力发展推动力 涡轮前进口温度涡轮前进口温度T3*叶片使用温度叶片使用温度 1939年：年：Nimomic75(Ni-20Cr-0.4Ti-0.01C)760:b=290MPa 1942年：年：Nimomic80(Ni-20Cr-1.3Al-2.5Ti-0.06C）760:b=758MPa 1950s：Nimo

12、mic115(Ni-15Cr-15Co-3.5Mo-5.0Al-4.0Ti-0.15C)760:b=1083MPa Rene95(Ni-14Cr-8.0Co-3.0Mo-3.5W-3.5Ta-3.5Al-2.5Ti-0.15C-0.01B-0.05Zr)760:b=1171MPa 发展推动力的需要推动了高温合金的发展发展推动力的需要推动了高温合金的发展 高温合金的发展历史高温合金的发展历史 1.1.变形合金向铸造合金发展变形合金向铸造合金发展 变形合金发展中碰到的问题：高温强度高，变形合金发展中碰到的问题：高温强度高，热加工困难热加工困难 发展铸造高温合金（合金化程度大幅度提发展铸造高温合金（

13、合金化程度大幅度提高）高）Al+Ti总量不断提高：总量不断提高：-Ni3(Al,Ti)为为 5065%2.2.真空感应熔炼真空感应熔炼 提高合金纯洁度提高合金纯洁度 高高Al、Ti含量合金的熔炼含量合金的熔炼 工艺的进步推动了合金发展工艺的进步推动了合金发展 高温合金的历史发展高温合金的历史发展 3.粉末冶金粉末冶金 消除偏析消除偏析 提高初熔温度提高初熔温度50 细小晶粒细小晶粒 提高中温强度和塑性提高中温强度和塑性 4.定向结晶定向结晶 高温下（等强温度以上）晶界强度低于晶内高温下（等强温度以上）晶界强度低于晶内 消除主应力方向上的晶界消除主应力方向上的晶界 提高了高温蠕变强度、塑性、热疲

14、劳抗力提高了高温蠕变强度、塑性、热疲劳抗力 降低了晶界强化元素含量，提高了初熔点降低了晶界强化元素含量，提高了初熔点 工艺的进步推动了合金发展工艺的进步推动了合金发展 2高温合金的物理冶金原理高温合金的物理冶金原理 高温合金中基体元素的作用高温合金中基体元素的作用 由于基体元素由于基体元素镍镍、铁铁、钴钴的基本属性不同的基本属性不同，因而这三类高温因而这三类高温合金的合金强化特点不同合金的合金强化特点不同，合金的某些特性也不同合金的某些特性也不同。元元素素 晶体结构晶体结构 低温低温高温高温 熔点熔点/密度密度/g.cm3 线膨胀系数线膨胀系数/1/(0100)导热系数导热系数/J.(s.cm

15、.)-1 相稳定相稳定的次序的次序 Ni fcc 1453 8.9 13.3106 0.88 最稳定最稳定 Fe bcc fcc bcc 1538 7.87 12.1106 0.71 最不最不 稳定稳定 Co hcp fcc 1492 8.9 12.5106 0.69 居中居中 镍为面心立方结构，镍为面心立方结构，没有同素异构转变没有同素异构转变，而铁、钴室温下，而铁、钴室温下分别为体心立方和密排六方结构，高温下为面心立方奥氏分别为体心立方和密排六方结构，高温下为面心立方奥氏体结构。体结构。目前，几乎全部高温合金的基体都是具有面心立方结构的目前，几乎全部高温合金的基体都是具有面心立方结构的奥氏

16、体，因为奥氏体，因为奥氏体比体心立方的铁素体有更高的高温强奥氏体比体心立方的铁素体有更高的高温强度。度。奥氏体的高温强度较高的原因是它的原子扩散能力较小，奥氏体的高温强度较高的原因是它的原子扩散能力较小，即自扩散激活能较高即自扩散激活能较高。为了得到直到低温仍然稳定的奥氏体结构，为了得到直到低温仍然稳定的奥氏体结构，铁基和钴基合铁基和钴基合金中必须加入扩大奥氏体的合金元素。金中必须加入扩大奥氏体的合金元素。高温合金中基体元素的作用高温合金中基体元素的作用 高温合金中基体元素的作用高温合金中基体元素的作用 镍具有较高的化学稳定性镍具有较高的化学稳定性，在在500以下几乎不氧化以下几乎不氧化，常温

17、下不易受潮气常温下不易受潮气、水及某些盐类水溶液的侵蚀水及某些盐类水溶液的侵蚀。钴钴和铁的抗氧化性能都比镍差和铁的抗氧化性能都比镍差，但但钴的抗腐蚀能力比镍钴的抗腐蚀能力比镍强强。镍镍、铁铁、钴的合金化能力不同钴的合金化能力不同，镍具有最好的相稳定镍具有最好的相稳定性性，铁最差铁最差，这是最重要的特性这是最重要的特性。镍或镍铬基体可以镍或镍铬基体可以固溶更多的合金元素而不生成有害的相固溶更多的合金元素而不生成有害的相，而铁或铁镍而铁或铁镍基体却只能固溶较少的合金元素基体却只能固溶较少的合金元素，有强烈的析出各种有强烈的析出各种有害相的倾向有害相的倾向。这一特性为改善镍的各种性能提供了这一特性为

18、改善镍的各种性能提供了潜在的可能性潜在的可能性，而铁而铁、钴则受到了一定的限制钴则受到了一定的限制。镍镍、铁铁、钴的这种特性与其各自的电子结构有关钴的这种特性与其各自的电子结构有关。高温合金中基体元素的作用高温合金中基体元素的作用 镍铁钴的某些物理性能略有差别，铁的密度最小，但镍铁钴的某些物理性能略有差别，铁的密度最小，但膨胀系数最大，导热能力较好。钴与镍比较，其导热膨胀系数最大，导热能力较好。钴与镍比较，其导热性较好，膨胀系数较低，所以其热疲劳性能较优。性较好，膨胀系数较低，所以其热疲劳性能较优。综上所述，镍是一种最佳的基体金属，使得镍基高温综上所述，镍是一种最佳的基体金属，使得镍基高温合金

19、成为最佳的高温合金系列。合金成为最佳的高温合金系列。在某些使用条件下，钴基合金可以发挥其优势，如在在某些使用条件下，钴基合金可以发挥其优势，如在耐热腐蚀和耐热疲劳方面。高温低应力下长期使用的耐热腐蚀和耐热疲劳方面。高温低应力下长期使用的静态部件往往用钴基合金。静态部件往往用钴基合金。易析出有害相，使铁基合金的发展受到限制。易析出有害相，使铁基合金的发展受到限制。铁基合铁基合金的使用温度范围较镍基和钴基低金的使用温度范围较镍基和钴基低。合金化元素及其作用合金化元素及其作用 A A A B C Mg Al B B B B B Ti V Cr Fe Co Ni Y(B)Zr Nb Mo Ru Hf

20、Ta W Re B,C,Mg,Zr,Y晶界强化元素（图中晶界强化元素（图中蓝色蓝色）Al,Ti,Nb,Ta,Hf(Ni3Al)中中Al元素（图中元素（图中红色红色）其余为进其余为进(Ni)或或Ni3Al中的中的Ni位元素位元素 碳化物形成元素：碳化物形成元素：Cr,Mo,W,V,Nb,Ta,Ti 氧化物形成元素：氧化物形成元素：Cr,Al,Y,Hf 合金元素的含量及其作用合金元素的含量及其作用 微量元素微量元素B、C、Zr(Hf)、Mg、Y (填充晶界空位填充晶界空位,降低晶界上元素的扩散降低晶界上元素的扩散 强化晶界强化晶界)B:0.010.1 wt%0.05 wt%(改善铸造性能改善铸造性

21、能)C:0.050.2 wt%(Ni基基)0.11.0 wt%(Co基基)(填补空位和碳化物强化填补空位和碳化物强化)合金元素的含量及其作用合金元素的含量及其作用 Zr、Hf、Y Zr:0.050.1 wt%(晶界强化晶界强化)Hf:0.12.0 wt%(DS、SX)提高涂层氧化层提高涂层氧化层/基体结合力基体结合力,改善抗氧化改善抗氧化 改善铸造性能改善铸造性能 Y:0.030.1 wt%(改善抗氧化改善抗氧化)Mg:0.01 wt%GH220合金合金950的的%从从46%上升为上升为16%作用作用:改善塑性改善塑性,降低缺口敏感性降低缺口敏感性,细化组织细化组织,减小偏析减小偏析 P:低偏

22、析合金低偏析合金 合金元素的含量及其作用合金元素的含量及其作用 强化强化-Ni固溶体的元素固溶体的元素(固溶强化固溶强化元素元素)Co、Fe、Cr、Mo、W、Re、(Ti):020 wt%强化机理强化机理:1.降低堆垛层错能降低堆垛层错能 2.晶格常数晶格常数(原子半径原子半径)差异差异 晶格畴变晶格畴变应力场应力场 阻碍位错运动阻碍位错运动 3.降低元素扩散降低元素扩散提高高温蠕变强度提高高温蠕变强度 W、Mo、Re 合金元素的含量及其作用合金元素的含量及其作用 强化强化-Ni3Al的元素的元素 Al、Ti、Nb、Ta (Al位元素位元素)Al:06.5 wt%(IMC:8.0 wt%)Ti

23、:04.5 wt%Nb:02.0 wt%(Fe-Ni合金中达到合金中达到9.0 wt%)Ta:09.0 wt%(也进入也进入基体基体)强化强化,相相,改善抗腐蚀性能改善抗腐蚀性能 合金元素的含量及其作用合金元素的含量及其作用 碳碳(硼硼)化物形成元素化物形成元素:C、Mo、W、V、Nb、Ta、Ti、Cr等等 CrCr23C6/Cr7C3(低低Cr时时)(颗粒状颗粒状,晶界晶界)Mo、WM6C(大块状立方体大块状立方体)V、Nb、Ta、TiMC(中文草书体状中文草书体状)Mo、Cr、Ti、NiM3B2(鱼骨状鱼骨状)作用作用:碳碳(硼硼)化物强化晶界化物强化晶界(阻止晶界滑移阻止晶界滑移)强化晶

24、内强化晶内(Co基合金更重要基合金更重要)缺点缺点:大块碳大块碳(硼硼)化物化物降低合金塑性降低合金塑性 (控制尺寸和分布控制尺寸和分布)在在DS、SX中不加碳或很少中不加碳或很少(0.1,Hf1.5,Y0.1 wt%时时 (局部偏析时含量更低局部偏析时含量更低)形成形成:Ni5Zr,Ni5Hf,Ni5Y (TM=11001150)对合金高温强度不利对合金高温强度不利 高温合金中的主要相高温合金中的主要相 Ni基固溶体基固溶体 (FCC)Ni3Al(FCC)实际合金中为实际合金中为 (Ni,Co,Fe)3(Al,Ti,Nb,Ta)碳化物碳化物:MC,M6C,M23C6,Cr7C3 B化物化物:

25、M3B2-Ni3Nb(BCT)在高在高Nb合金如合金如718中存在中存在 高温合金中的主要相高温合金中的主要相 相相(BCT):(Cr,Mo)x(Ni,Co)y(x,y=17)针状相针状相,对中对中、高温性能有害高温性能有害(Nv2.5,中温长期时效中温长期时效)-A7B6相相(三角晶系三角晶系):高高W,Mo合金中出现合金中出现 不常见的相不常见的相:Laves相相,R相相,相相 高温合金的强化高温合金的强化 固溶强化固溶强化 第二相强化第二相强化()晶界强化晶界强化 工艺强化工艺强化 同低温强化的材料不同低温强化的材料不同：没有同：没有细晶强化细晶强化和和位错强化位错强化 高温合金的强化高

26、温合金的强化固溶强化固溶强化 固溶强化固溶强化：将一些合金元素加入到镍、铁或钴基高温将一些合金元素加入到镍、铁或钴基高温合金中，使之形成合金化的单相奥氏体而得到强化。合金中，使之形成合金化的单相奥氏体而得到强化。1.晶格错配强化晶格错配强化（尺寸因素，弹性应力场，增加位错运动阻力尺寸因素，弹性应力场，增加位错运动阻力）=2GC :屈服应力屈服应力 G:切变模量切变模量 :错配度错配度=(a-a0)/(ca0)C:溶质原子浓度溶质原子浓度 溶质强化元素与溶质强化元素与NiNi原子直径差原子直径差:Co Fe Cr V Ti Mo W Nb Ta Zr Mg Hf B C+1 +3 +3 +5 +

27、9 +12 +13 +18 +18 +28 +29 30-21 -27 2.原子价差（电子空位数差）强化原子价差（电子空位数差）强化(至至815)YsYs Cr Cr FeFe Mo,W Mo,W 溶质元素溶质元素NvNv值值 Ti V Cr/Mo/W Mn Fe Co NiTi V Cr/Mo/W Mn Fe Co Ni 6.66 5.66 4.66 3.66 2.66 1.66 0.666.66 5.66 4.66 3.66 2.66 1.66 0.66 机理：电子机理：电子/原子比原子比 增大，堆垛层错能降低，增大，堆垛层错能降低，增加增加 高温合金的强化高温合金的强化固溶强化固溶强化

28、固溶强化固溶强化：将一些合金元素加入到镍、铁或钴基高温将一些合金元素加入到镍、铁或钴基高温合金中，使之形成合金化的单相奥氏体而得到强化。合金中，使之形成合金化的单相奥氏体而得到强化。3.高温下高温下(T0.6Tm)降低原子扩散系数降低原子扩散系数 固溶强化作用随温度升高而下降。固溶强化作用随温度升高而下降。晶格畸变弹性应变能晶格畸变弹性应变能及原子不均匀分布均会因温度升高，使原子扩散能力增及原子不均匀分布均会因温度升高，使原子扩散能力增大而减弱。大而减弱。同时，高温强度不同于室温强度，它更依赖同时，高温强度不同于室温强度，它更依赖原子扩散能原子扩散能力力。只有那些能提高原子间结合力，只有那些能

29、提高原子间结合力，降低扩散系数降低扩散系数，提高再，提高再结晶温度及阻止扩散型形变的元素，才会有更佳的提高结晶温度及阻止扩散型形变的元素，才会有更佳的提高高温强度的作用。高温强度的作用。主要强度元素：主要强度元素：W、Mo、Re 机理：高温下保持缓慢的扩散速度，降低其它元素的扩机理：高温下保持缓慢的扩散速度，降低其它元素的扩散速度散速度阻止高温下位错攀移阻止高温下位错攀移提高蠕变抗力提高蠕变抗力 高温合金的强化高温合金的强化固溶强化固溶强化 固溶强化固溶强化：将一些合金元素加入到镍、铁或钴基高温合金中，将一些合金元素加入到镍、铁或钴基高温合金中，使之形成合金化的单相奥氏体而得到强化。使之形成合

30、金化的单相奥氏体而得到强化。高温合金的强化高温合金的强化第二相强化第二相强化 第第 二二 相相 强强 化化 铸造第二相铸造第二相 骨架强化骨架强化 弥散质点强化弥散质点强化 时效析出时效析出 沉淀强化沉淀强化/(Ni3Al)、/(NixNb)碳化物碳化物 碳化物骨架强化碳化物骨架强化（钴基铸造合金）（钴基铸造合金）氧化物质点或氧化物质点或 其它化合物质点其它化合物质点 先进高温合金主要依赖于第二相强化。先进高温合金主要依赖于第二相强化。镍基高温合金由于可以获得共格的镍基高温合金由于可以获得共格的 相而得到不同寻相而得到不同寻常的发展。常的发展。第二相强化主要取决于第二相强化主要取决于:的的Vo

31、l.%，的尺寸、的尺寸、形态和分布，形态和分布，相本身的强化。相本身的强化。高温合金的强化高温合金的强化第二相强化第二相强化 相沉淀强化机理相沉淀强化机理 ）共格应变（晶格常数差别）共格应变（晶格常数差别）弹性模量差别弹性模量差别 ）相的有序化相的有序化 ）堆垛层错能差堆垛层错能差 ）之间产生的附加界面能之间产生的附加界面能 ）相的相的R现象现象 相沉淀强化相沉淀强化 高温合金的强化高温合金的强化第二相强化第二相强化 对于以碳化物析出沉淀硬化的铁基和钴基高温合金，由于碳化物对于以碳化物析出沉淀硬化的铁基和钴基高温合金，由于碳化物 硬而脆的本质及其非共格析出特点，其强化作用有以下特点：硬而脆的本

32、质及其非共格析出特点，其强化作用有以下特点：低温下位错以低温下位错以Orowan绕过方式通过碳化物第二相。高温蠕变条绕过方式通过碳化物第二相。高温蠕变条件下，位错攀移机制起重要作用，位错切割碳化物是非常困难件下，位错攀移机制起重要作用，位错切割碳化物是非常困难的。的。作为时效强化相的碳化物须具备以下条件：作为时效强化相的碳化物须具备以下条件：具有高温下可以溶解和低温下析出的可能性具有高温下可以溶解和低温下析出的可能性 碳化物的结构与奥氏体基体相似，具有均匀析出的条件碳化物的结构与奥氏体基体相似，具有均匀析出的条件 作为主要强化相的碳化物必须有一定的稳定性。高温下容易长作为主要强化相的碳化物必须

33、有一定的稳定性。高温下容易长大的碳化物将失去强化效果。大的碳化物将失去强化效果。碳化物强化碳化物强化 高温合金的强化高温合金的强化第二相强化第二相强化 增加碳化物数量及弥散度有利于提高强化效果，但增加碳化物数量及弥散度有利于提高强化效果，但过高的碳饱和度，往往有利于形成大块碳化物，引过高的碳饱和度，往往有利于形成大块碳化物，引起脆性。一般碳化物总量不能太大，因此强化程度起脆性。一般碳化物总量不能太大，因此强化程度是有限制的。是有限制的。强化基体，减小元素的扩散能力。强化基体，减小元素的扩散能力。碳化物强化碳化物强化 高温合金的强化高温合金的强化第二相强化第二相强化 低温下低温下，晶界是位错运动

34、的阻碍，晶界是位错运动的阻碍，起强化作用，起强化作用，细化晶粒是一种重细化晶粒是一种重要的强化手段要的强化手段。当当温度升高时温度升高时，晶界对位错运动晶界对位错运动的阻碍作用易被恢复的阻碍作用易被恢复，晶界区的，晶界区的塞积位错容易与晶界的缺陷产生塞积位错容易与晶界的缺陷产生交互作用而消失，并产生晶界滑交互作用而消失，并产生晶界滑动与迁移。这样动与迁移。这样高温下晶界就成高温下晶界就成为薄弱环节为薄弱环节。如右图所示，随温度升高，在一如右图所示，随温度升高，在一定温度时，晶界和晶内强度相等，定温度时，晶界和晶内强度相等，这一温度就是“这一温度就是“等强温度等强温度”，一”，一般是一个温度区间

35、。般是一个温度区间。晶界晶界 晶内晶内 T等强等强 T熔熔 强强 度度 高温合金的强化高温合金的强化晶界强化晶界强化 纯净化：纯净化：有些晶界偏聚的元素是低熔点的有些晶界偏聚的元素是低熔点的，并与基体并与基体 生成低熔点的化合物或共晶体生成低熔点的化合物或共晶体。它们使合金的热加工它们使合金的热加工 性及高温力学性能显著降低性及高温力学性能显著降低。高温合金的强化高温合金的强化晶界强化晶界强化 首先要严格控制气体（首先要严格控制气体（N2、O2、H2）含量）含量 控制有害元素的含量，最主要的是铋、蹄、控制有害元素的含量，最主要的是铋、蹄、硒、铅、跎。硒、铅、跎。微合金化微合金化：晶界强化元素晶

36、界强化元素 B、Zr、Mg、Hf等等 提高高温蠕变寿命和塑性提高高温蠕变寿命和塑性 B、Zr对对U500合金合金870蠕变的影响蠕变的影响 0.19%Zr 50h 140h 0.009%B 50h 400h 0.009%B 0.01%Zr 50h 647h 对蠕变延伸率的影响对蠕变延伸率的影响 0.009%B 0.01%Zr =2%=14%高温合金的强化高温合金的强化晶界强化晶界强化 晶界控制：晶界控制：大晶粒一般有较高的持久强度与蠕变强度大晶粒一般有较高的持久强度与蠕变强度，较小的蠕变速率较小的蠕变速率，小晶粒材料却表现出较高的抗拉强度与疲劳强度小晶粒材料却表现出较高的抗拉强度与疲劳强度。在

37、高温静态下工作的材料晶粒可以控制度大一些在高温静态下工作的材料晶粒可以控制度大一些，对于中温对于中温动态下工作的材料则应小些动态下工作的材料则应小些。晶粒大小的选择是十分重要的晶粒大小的选择是十分重要的合金设计内容合金设计内容。消除横向消除横向（与应力垂直的方向与应力垂直的方向）晶界能非常有效地提高高温晶界能非常有效地提高高温强度强度。高温合金的强化高温合金的强化晶界强化晶界强化 高温合金的强化高温合金的强化工艺途径工艺途径 形变热处理强化：形变热处理强化：通过形变与热处理的结合通过形变与热处理的结合，优化合优化合金的组织结构金的组织结构，提高合金的强度提高合金的强度。复相组织强化：复相组织强

38、化：复相组织是指尺度相差不多的两个相复相组织是指尺度相差不多的两个相的混和组织，定向共晶组织和纤维强化高温合金的组的混和组织，定向共晶组织和纤维强化高温合金的组织属于这一类组织。一般一个是基体相（软的固溶体织属于这一类组织。一般一个是基体相（软的固溶体相），另一个是起增强作用的硬相。相），另一个是起增强作用的硬相。定向凝固与单晶定向凝固与单晶 快速凝固快速凝固 高温合金的韧化化高温合金的韧化化 随着航空工业的发展，航空发动机涡轮前温度不断提高，对高温合金的高温强度提出了越来越高的要求，与此同时，对材料的韧化也提出了更高的要求。为了保证材料安全使用，且无缺口敏感性，工程上一般希望材料：伸长率大于

39、5%冲击功不低于23.5J 持久伸长率或蠕变断裂伸长率大于4%高温合金的韧化化高温合金的韧化化 根据manson 的通用斜率方程：6.06.012.05.3ffuNDNE 若材料受到已知的总应变，则其寿命Nf取决于塑性D、抗拉强度u和弹性模量E。这一方程包括弹性和塑性两部分的作用。在小应力长寿命时，弹性应变为主，材料的强度作用显著。相反，在大应力短寿命时塑性应变为主，材料的塑性作用明显。因此，高温合金塑性的提高，必然有利于大应力低周疲劳寿命的延长。高温合金的韧化化高温合金的韧化化 韧化途径：（1）控制TCP的析出 可通过平衡各强化元素的含量，通过相计算和实验验证的方法，避免TCP析出。（2）加

40、入适量有益的微量元素 如C、B、Zr、Mg、Hf等（3）提高合金纯度 高温合金的韧化化高温合金的韧化化 韧化途径：（1）控制TCP的析出（2）加入适量有益的微量元素（3）提高合金纯度（4）改变晶粒形状 通过形变热处理和特殊热处理，可使变形高温合金的晶界由平直变为弯曲。前者使合金在变形与热处理的共同作用下，通过部分再结晶或再结晶造成晶界迁移，形成弯曲晶界；后者通过固溶处理后等温处理、固溶处理或控制冷却处理，在晶界析出相或碳化物，引起晶界局部迁移，形成弯曲晶界。弯曲晶界可以延缓裂纹在晶界的萌生与扩展，使晶内产生更多的变形所致。3 3 高温合金显微组织高温合金显微组织 高温合金的典型显微组织高温合金

41、的典型显微组织 高温合金的异常显微组织高温合金的异常显微组织 高温合金中的成分偏析高温合金中的成分偏析 高温合金中各类第二相的典型金相形态高温合金中各类第二相的典型金相形态 最初的高温合金由于铝、钛等元素含量较低，合金组织由固溶强化的最初的高温合金由于铝、钛等元素含量较低，合金组织由固溶强化的单相奥单相奥氏体氏体（含有少量碳化物）组成（含有少量碳化物）组成 随着铝、钛及其它强化元素含量的增加，合金组织逐渐演变为用随着铝、钛及其它强化元素含量的增加，合金组织逐渐演变为用强化强化的多的多相合金相合金 对于固溶强化合金，随着合金强度提高，合金强化元素饱和度不断提高，长对于固溶强化合金，随着合金强度提

42、高，合金强化元素饱和度不断提高，长期时效后会有新相析出。期时效后会有新相析出。镍基镍基高温合金高温合金显微组织随合显微组织随合金强度提高而金强度提高而不断变化不断变化 高温合金的典型显微组织高温合金的典型显微组织 1m 1m b d 001 010 Mo,W Al,Ti 以金属间化合物以金属间化合物强化的强化的镍基镍基合金合金，随着合金强度的提高随着合金强度的提高，相的变化包括：相的变化包括：相数量由约相数量由约10增加到增加到6070；相形态由球形逐渐变为立方形；尺寸逐渐变大相形态由球形逐渐变为立方形；尺寸逐渐变大，并且由一种并且由一种球状的球状的相演变为大小两种尺寸的相演变为大小两种尺寸的

43、相共存；相共存；相组成中含有相组成中含有更多的难熔元素更多的难熔元素Nb、Ta、Hf等；等；晶界则由两侧为贫晶界则由两侧为贫区的链状碳化物逐步变为有区的链状碳化物逐步变为有相膜包覆的相膜包覆的链状碳化物；链状碳化物；随着合金化程度的提高随着合金化程度的提高，组织中出现组织中出现（）共晶；同时共晶；同时，铸造合金中的成分和组织不均匀性加剧铸造合金中的成分和组织不均匀性加剧。为了得到更高强度的合金为了得到更高强度的合金，发展了定向铸造合金和单晶合金发展了定向铸造合金和单晶合金。高温合金的典型显微组织高温合金的典型显微组织 铁基和铁镍基铁基和铁镍基合金显微组织：合金显微组织：固溶强化固溶强化的铁基奥

44、氏体合金的铁基奥氏体合金，其组织除其组织除奥氏体奥氏体外外，还有一些碳还有一些碳氮化物氮化物。碳化物时效硬化型碳化物时效硬化型铁基合金的组织铁基合金的组织，强化水平低的合金一般以强化水平低的合金一般以M23C6为主要强化相为主要强化相，分布不均匀分布不均匀，颗粒较大颗粒较大。强化水平高的强化水平高的合金常以合金常以MC为主要强化相为主要强化相，呈弥散呈弥散、细小质点均匀析出细小质点均匀析出。金属间化合物强化金属间化合物强化的铁基合金的铁基合金，随着合金强度提高随着合金强度提高，显微组织显微组织演变趋势为：演变趋势为：相的数量由相的数量由23增加到约为增加到约为20，相的大相的大小保持在小保持在

45、1530nm，形状一直为圆球形；碳化物相由单一的形状一直为圆球形；碳化物相由单一的MC到多种晶界碳化物；固溶体过饱和度不断增加到多种晶界碳化物；固溶体过饱和度不断增加，析出析出Laves相和其他相的倾向较大相和其他相的倾向较大，高强度化的铁基合金一般皆存在高强度化的铁基合金一般皆存在Laves相相。高温合金的典型显微组织高温合金的典型显微组织 钴基合金基体为奥氏体钴基合金基体为奥氏体，主要强化相为碳化物主要强化相为碳化物，有有MC、M7C3、M7C3、M23C6 等类型等类型。左下图为强度低的钴基合金左下图为强度低的钴基合金X40，有晶界和枝晶间块状有晶界和枝晶间块状的的M23C6、M7C3

46、和和（M23C6）共晶共晶，共晶中的共晶中的M23C6 为细片状为细片状。右边的两幅图为强度较高的钴基铸造合金的显右边的两幅图为强度较高的钴基铸造合金的显微组织微组织，特点是有骨架状和块状的特点是有骨架状和块状的MC、共晶共晶M23C6 和块和块状状M6C。高温合金的典型显微组织高温合金的典型显微组织 异常的显微组织异常的显微组织 高温合金中异常显微组织往往损害合金性能，高温合金中异常显微组织往往损害合金性能，或降低强度，或增加脆性等，但在某些特殊或降低强度，或增加脆性等，但在某些特殊条件下，人们可以利用这些组织发挥其有利条件下，人们可以利用这些组织发挥其有利作用。作用。异常的显微组织异常的显

47、微组织 下图为各类强度水平不同的镍基高温合金中可能出现的主下图为各类强度水平不同的镍基高温合金中可能出现的主要异常组织要异常组织。M23C6 晶界胞状析出晶界胞状析出，片状甚至是魏氏组织片状甚至是魏氏组织状的状的相和相和相均含有损合金性能相均含有损合金性能。晶界胞状晶界胞状M23C6；针状针状相；相；片（针）状片（针）状相相 异常的显微组织异常的显微组织 下图为铁基合金中的异常组织下图为铁基合金中的异常组织-Ni3Ti和和-Ni3Nb片状是过片状是过时效产生的稳定相时效产生的稳定相，相以沿晶颗粒析出喝晶内片状析出相以沿晶颗粒析出喝晶内片状析出。Laves相及相及相亦类似相亦类似。铁基合金容易出

48、现异常组织铁基合金容易出现异常组织，限制限制了铁基合金的发展了铁基合金的发展，铁基合金容易析出晶界铁基合金容易析出晶界MC或碳化物或碳化物薄膜薄膜，严重影响合金的塑性严重影响合金的塑性，导致缺口敏感性导致缺口敏感性。相相 相相 Ni3Nb 高温合金中的成分偏析高温合金中的成分偏析 高温合金由于合金化程度高而很容易产生成分偏析高温合金由于合金化程度高而很容易产生成分偏析。随着合金强化程度的提高随着合金强化程度的提高，使凝固过程不可避免造使凝固过程不可避免造成的成分偏析更加严重成的成分偏析更加严重。这种偏析不仅对铸造合金而且对变形合金的组织性这种偏析不仅对铸造合金而且对变形合金的组织性能都有很大的

49、影响能都有很大的影响。高温合金中的成分偏析高温合金中的成分偏析 高温合金凝固时形成树枝晶高温合金凝固时形成树枝晶，在枝晶干和枝晶间同一元素的含在枝晶干和枝晶间同一元素的含量是不同的量是不同的，即有偏析出现即有偏析出现。最后凝固产生的共晶体与其它位最后凝固产生的共晶体与其它位置同一元素的含量也是不同的置同一元素的含量也是不同的，容易有偏析出现容易有偏析出现。对于对于树枝晶偏析树枝晶偏析，钨和钴容易偏析于晶轴内钨和钴容易偏析于晶轴内，而而Ti、Mo、Cr、Al、Nb、Zr（还有微量元素还有微量元素S和和Sn）等都偏聚于树枝晶间隙等都偏聚于树枝晶间隙。（+）共晶处共晶处一般含有一般含有Ti、Al、N

50、b和和Ni量要高于平均含量量要高于平均含量，含含Cr、Mo、Co量低于平均含量量低于平均含量，（+）共晶边缘的偏析比共晶边缘的偏析比共晶心部更为严重共晶心部更为严重。由于存在上述两种偏析由于存在上述两种偏析，所以在所以在共晶周围的枝晶处共晶周围的枝晶处，元素的元素的偏析为上述两类偏析的叠加偏析为上述两类偏析的叠加，结果造成此处极富结果造成此处极富Cr、Mo等等TCP相形成元素相形成元素。因此因此，控制铸造合金的铸造工艺以调整偏析控制铸造合金的铸造工艺以调整偏析是一项重要的环节是一项重要的环节。高温合金中的成分偏析高温合金中的成分偏析 铸造工艺中很重要的因素之一是控制合金的凝固速度铸造工艺中很重