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瀏覽✘·◕▩▩:- 釋出日期✘·◕▩▩:2021-09-10 13:55:55【


王靜霖,姚志浩,董建新,江 河

(北京科技大學材料科學與工程學院,北京 100083)

    摘 要:採用JMatPro軟體對 Haynes282 合金進行熱力學計算,得 到 溫 度 由 1400 ℃ 降 至600 ℃時合金內不同析出相的含量,分析了鉻▩✘、鈷▩✘、鉬▩✘、鈦▩✘、鋁▩✘、碳▩✘、硼等元素含量對析出相析出行為的影響.結果表明:碳化物的析出量主要由碳含量決定;鉻元素可以增強 M23C6 的穩定性;鉻▩✘、鈷▩✘、鉬▩✘、鈦▩✘、鋁能促進σ相的析出及穩定;鉬含量增加可以促進μ相的析出,而硼▩✘、鈷▩✘、鉻▩✘、鈦▩✘、鋁等元素會抑制μ相的析出;硼元素對 M3B2 的穩定性沒有影響,但含量增加會增大其析出量;鈦元素能促進γ′相的析出並增強其穩定性,鋁元素可增加γ′相的析出量.關鍵詞:Haynes282合金;JMatPro軟體;熱力學計算;元素;平衡析出相

中圖分類號:TG142.71 文獻標誌碼:A 文章編號:1000G3738(2019)10G0059G07

EffectsofDifferentElementContentonPrecipitateBehaviorofPrecipitatesinHaynes282Alloy

WANGJinglin,YAOZhihao,DONGJianxin,JIANGHe

(SchoolofMaterialsScienceandEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China)

    Abstract:Thermodynamiccalculationwasconductedon Haynes282alloybyusingJMatProsoftware,and

thenthecontentofdifferentprecipitatesinthealloyfrom 1400 ℃ to600 ℃ wasobtained.Theeffectsof

chromium,cobalt,molybdenum,titanium,aluminum,carbonandboronontheprecipitatebehaviorofprecipitates

wereanalyzed.Theresultsshowthattheprecipitateamountofcarbideswasmainlydeterminedbycarboncontent.

ChromiumcouldenhancethestabilityofM23C6.Chromium,cobalt,molybdenum,titaniumandaluminumcould

promotethe precipitation andstability ofσ phase.Theincreaseof molybdenum contentcould promotethe

precipitationofμphase,whileboron,cobalt,chromium,titaniumandaluminuminhibitedtheprecipitationofμ

phase.BoronhadnoeffectonthestabilityofM3B2,buttheincreaseofcontentimprovedtheprecipitateamount.

Titaniumcontributedtotheprecipitationandstabilityofγ′phase,andaluminumimprovedtheprecipitateamountof

γ′phase.

    Keywords:Haynes282alloy;JMatProsoftware;thermodynamiccalculation;elementcontent;equilibriumprecipitate 


0 引 言

    鎳基高溫合金因高溫強度高▩✘、抗蠕變性好▩✘、疲勞壽命長以及耐腐蝕效能良好而廣泛應用於航天和發電行業的燃氣輪機等高溫部件上[1].Haynes公司於2005年開發了 Haynes282鎳基高溫合金,其使用溫度在649~927℃之間;透過最佳化成分及控制合金中γ′相的含量,Haynes282合金兼具較高的蠕變強度▩✘、良好的熱穩定性以及優越的可加工性和焊接效能[2G4].Haynes282合金的熱力學平衡析出相包括γ▩✘、γ′▩✘、MC▩✘、M6C▩✘、M23C6▩✘、M3B2▩✘、σ和 μ等[5].MC 相尺寸較大,呈不規則形狀,對合金的衝擊韌性有一定影響.晶界上離散分佈的 M23C6 碳化物會阻礙晶界滑移,從而提高合金的高溫持久強度,但是晶界上大塊或連續的 M23C6 碳化物也會導致合金的脆化,造成沿晶斷裂[6].γ′相的尺寸▩✘、數量▩✘、形態和分佈對合金的力學效能有重要影響[7].M3B2 可阻止晶界滑動,抑制有害相在晶界析出,從而提高持久強度;然而晶界上呈連續狀或半連續狀分佈的薄片狀硼化物會導致晶界脆化而成為裂紋形核與擴充套件之地,從而明顯縮短合金的持久壽命▩✘、降低塑性.μ相通常呈顆粒狀▩✘、棒狀▩✘、片狀或針狀分佈,且尺寸較大,對合金的室溫塑性▩✘、高溫永續性能和抗氧化能力均不利,因此要儘量避免μ相的析出.σ相硬而脆,容易發生破碎;片狀或針狀σ相的析出會大幅度降低合金的溫/中溫塑性和衝擊性能,縮短其持久壽命[7].目前,國內外對 Haynes282合金的研究主要集中在其熱處理工藝和力學效能上,有關其成分的研究較 少. 已 有 研 究 表 明,通 過 熱 力 學 計 算 軟 件JMatPro軟體可以比較準確地計算出不同成分鎳基高溫合金的平衡相含量和物理效能[7].餘勇等[6]採用JMatPro軟體對 Haynes282合金進行了相圖計算,討論不同元素對析出相的影響,但是沒有具體分析元素含量對析出相的影響規律.為此,作者利用JMatPro軟體計算並分析了元素含量對合金中析出相含量和析出溫度的影響,擬為該合金成分設計及熱處理工藝的制定提供參考.

圖1 鍛態 Haynes282合金中析出相的SEM 形貌


1 試驗材料與計算方法

    試驗材料為圓柱狀的鍛態 Haynes282合金,在其端面1/2半徑處取樣,採用電拋電解方法侵蝕試樣.電拋液組成(體積分數)為20%濃硫酸+80%甲醇,電拋電壓為8~15V,電拋時間為2~10s;電解液組成為150mL磷酸+10mL濃硫酸+15g三氧化鉻,電解電壓為2~10V,電解時間為1~10s.採用ZEISSSUPRA55 型場發射掃描電鏡(SEM)觀察 試 樣 中 析 出 相 的 形 貌. 由 圖 1 可 知,鍛 態Haynes282合金中主要析出了 γ′相,γ′相呈細小球形,均勻分佈於基體上.

採 用 JMatPro 軟 件 計 算 Haynes282 合 金 在600~1400 ℃溫度範圍內的相圖,計算時所用元素含量取合金成分[8G9]的中值,見 表 1.在 保 持 其他元素含量不變的條件下,利用JMatPro軟體計算得到其中一種元素含量對析出相含量和析出溫度的影響.作為單獨變數時不同元素的含量見表2

表1 Haynes282合金的成分中值(質量分數)


2 結果與討論

2.1 合金相圖

    Haynes282合金中的析出相 有 γ′▩✘、MC▩✘、M6C▩✘、M23C6▩✘、M3B2▩✘、σ 和 μ 等. 由 圖 2 可 知:γ▩✘、MC▩✘、M3B2▩✘、M6C▩✘、γ′▩✘、σ▩✘、M23C6 和 μ等析出相的析出溫度分別為 1346.81,1269.82,1261.66,1169.05,1000.02,845.60,839.44,600.86 ℃,液相開始出現的溫度為1260.38 ℃;當 MC相析出時,液相幾乎完全消失.該相圖與餘勇等[6]計算的相圖比較一致,但由於計算採用的合金元素含量有所不同,不    同析出相的析出溫度存在差異.符銳等[10]研究發現,經過標準熱處理(1121~1149℃保溫2h空冷+1010℃保溫2h空冷+788℃保溫8h空冷)後可觀察到細小的γ′相彌散分佈於基體上,晶界存在 Cr23C6 碳化物,晶記憶體在富鈦的 MC一次碳化物,與由JMatPro軟體計算得到的相圖相符;但是在760 ℃和800 ℃長期時效3000h後出現了針狀或者棒狀的μ相,與計算得到的相圖不符.對此,徐仰濤等[7]給出了相關解釋,計算結果是完全建立在熱力學基礎上的,而合金的實際凝固過程是熱力學與動力學綜合作用的結果.一些化合物雖然在理論上是存在的,但實際過程中可能動力學等因素佔據了主導地位,導致這些化合物並未形成;同理,一些理論上不存在的化合物在實際過程中也可能因為動力學等因素而析出.


圖2 採用JMatPro軟體計算得到 Haynes282合金的相圖


2.2 不同元素含量對析出相析出行為的影響

2.2.1 碳含量的影響

    由圖3可以看出:隨著碳含量的增加,MC▩✘、M6C▩✘、M23C6 等碳化物的析出溫度升高▩✘、最大析出量增加,但 MC和 M6C碳化物的回溶溫度降低.碳含量增加促進了碳化物的析出.在實際的顯微組織中可以觀察到大量的 MC▩✘、晶界 M23C6 和少量 M6C碳化物,與圖3中 MC和 M6C碳化物最終消失的結果有所差異,這是因為熱處理時並不能達到理論上的熱力學條件.MC在長期時效或服役過程中,會發生退化反應轉變為 M23C6▩✘、M6C或其他相.隨著碳含量的增加,μ相的析出溫度降低▩✘、最大析出量減少,但σ相則相反,其析出溫度升高▩✘、最大析出量增加.σ相析出量的減少和μ相析出量的略有增加應與 M23C6 碳化物的形成能消耗相對多的鉻元素,導致合金基體中出現區域性鉬和鎢等元素的富集有關[9].碳含量的變化對 M3B2和γ′相的析出行為沒有影響.

2.2.2 鉻含量的影響

    由圖4可以看出:隨著鉻含量的增加,γ′相的最大析出量不變,均在22%(質量分數,下同)左右,析出溫度也幾乎不變,表明鉻元素對γ′相的析出沒有影響;MC的析出溫度基本不變,在1286~1290℃範圍內,回溶溫度降低,最大析出量增加;M6C的析出溫度 降 低,最 大 析 出 量 減 少,回 溶 溫 度 升 高;M23C6的析出溫度由794℃升高到1024℃,說明鉻元素能促進 M23C6 的穩定性,但最大析出量差別不大,均在1.17%左右,這應是由於合金中的碳含量相對鉻而言是不足的,M23C6 的最大析出量由碳含量決定.鉻是組成σ相的元素,因此隨著鉻含量的增加,σ相的析出溫度升高,最大析出量增加;鉻元素含量的增加對提高σ相的析出量和穩定性作用很大.當鉻含量(質量分數,下同)為18.5%,19.0%時,

μ相的析出溫度分別為625,606 ℃,最大析出量分別為2.21%,0.54%,繼續增大鉻含量後,合金中未能析

出μ相,這說明鉻含量的增加會降低μ相的析出量和穩定性.由於鉻含量的增加會促使 M23C6 的析出,造成晶界處鉬▩✘、鎢等元素含量的減少,因此μ相的析出量減少.鉻含量對 M3B2 的析出行為沒有影響.

2.2.3 硼含量的影響

    由圖5可知:隨著硼含量的增加,MC的析出溫度略微降低,在1290~1285 ℃範圍內,最大析出量略微減少,回溶溫度在1067~1062 ℃;M3B2 的析出溫度基本不變,在1253~1260 ℃範圍內,最大析出 量 由 0.037% 增 至 0.123%,說 明 硼 含 量 對M3B2 的穩定性影響很小,主要影響的是其析出量.隨著硼含量的增加,μ相的析出溫度略有降低▩✘、最大析出量略有減少,但變化範圍較小,這應是由於硼含量的增加造成硼化物析出量增加,固定了鈷▩✘、鎢等 μ

相中含有的元素,導致 μ相析出量降低.硼含量對σ相▩✘、M6C▩✘、M23C6▩✘、γ′相的析出行為沒有影響.


圖3 不同碳質量分數 Haynes282合金中不同析出相的含量隨溫度的變化曲線

圖4 不同鉻質量分數 Haynes282合金中不同析出相的含量隨溫度的變化曲線

圖5 不同硼質量分數 Haynes282合金中不同析出相的含量隨溫度的變化曲線


2.2.4 鈷含量的影響

    由圖6可以看出:隨著鈷含量的增加,MC的析出溫度基本不變,保持在1289~1290 ℃範圍內,最大析出量增加,回溶溫度降低;M6C 的析出溫度降低,回溶 溫 度 升 高,最 大 析 出 量 基 本 不 變,均 在2.22%左右;M23C6 的析出溫度稍有升高,析出量幾乎沒有變化;σ相的析出溫度略有升高,最大析出量增加,可見鈷含量增加有利於σ相的析出.當鈷含量9.0%,9.5%,10.0%時,合金中有 μ相析出,析出溫度分別為641,623,606 ℃,最大析出量依次降低;而當鈷含量繼續增加到10.5%,11.0%時,合金中沒有μ相析出.由此可見,鈷含量增加會減少 μ相的析出,並且降低其穩定性.鈷含量對 M3B2▩✘、γ′相的析出行為沒有影響.

2.2.5 鉬含量的影響

    由圖7可以看出:隨著鉬含量的增加,MC的析出溫度基本不變,在1286~1291 ℃範圍內,最大析出量減少,回溶溫度升高;M6C的析出溫度升高,最大析出量變化不大,在2.22%~2.23%範圍內,回溶 溫度降低;M23C6的析出溫度降低,最大析出量幾乎保持不變,為1.17%,這應是受到了碳含量的控制;μ相和σ相的析出溫度均升高,最大析出量增

加,這說明鉬含量的增加可以促進 μ相和σ相的析出.鉬含量對 M3B2▩✘、γ′相的析出行為沒有影響.


圖6 不同鈷質量分數 Haynes282合金中不同析出相的含量隨溫度的變化曲線

圖7 不同鉬質量分數 Haynes282合金中不同析出相的含量隨溫度的變化曲線

圖7 不同鉬質量分數 Haynes282合金中不同析出相的含量隨溫度的變化曲線

2.2.6 鈦含量的影響

    由圖8可以看出:隨著鈦含量的增加,γ′相和σ相的析出溫度升高,最大析出量增加,鈦元素的存在有利於γ′相和σ相的析出和穩定;MC的析出溫度不變,均在1289℃左右,回溶溫度降低,最大析出量增加;M6C的析出溫度降低,最大析出量變化不大,回溶溫度升高;M23C6 的析出溫度升高,最大析出量不變,均在1.17%左右.當鈦含量由1.0%增至2.2%時,μ相的析出溫度降低,最大析出量減少;而當鈦含量增加至2.3%時,合金中沒有μ相的析出.由此可見,鈦元素的存在可以抑制 μ相的析出並降低其穩定性.鈦含量對 M3B2 的析出行為沒有影響.

2.2.7 鋁含量的影響

    由 圖9可以看出:隨著鋁含量的增加,γ′相的析出溫度幾乎不變,σ相的析出溫度升高,兩相的最大析出量均增加,說明鋁元素的存在可以促進γ′相和σ相的析出,增強σ相的穩定性.γ′相的析出通常伴隨著鋁元素在晶界前的擴散[11].隨著鋁含量的增加,M23C6 的析出溫度升高,最大析出量變化很小,均在1.17%左右;M6C的析出溫度和最大析出量的變化均較小,回溶溫度升高;MC 的析出溫度不變,最大析出量略微增加,回溶溫度略微降低.隨著鋁含量的增加,μ 相的析出溫度降低,最大析出量減少;當鋁含量增至1.65%時,合金中沒有 μ相析出.可見鋁元素的存在會抑制 μ相的析出,降低其穩定性.鋁含量對 M3B2 的析出行為沒有影響.

3 結 論

    (1)碳元素主要決定了碳化物的析出行為,隨著碳含量的增加,MC▩✘、M6C▩✘、M23C6 的析出溫度升高,最大析出量增加,MC▩✘、M6C的回溶溫度降低;鉻含量的增加增強了 M23C6 的穩定性,隨著鉻含量的增加,M23C6 的析出溫度顯著升高;隨著鈦含量的增加,MC的析出溫度不變,回溶溫度降低,最大析出量顯著增 加;其 他 元 素 對 碳 化 物 的 析 出 行 為 影響較小.

    (2)鉻▩✘、鈷▩✘、鉬▩✘、鈦或鋁含量的增加會提高σ相的析出溫度和最大析出量,即有利於σ相的析出及穩定;鉬含量的增加會提高 μ相的析出溫度和最大析出量,即有利於 μ相的析出及穩定,鉻▩✘、鈷▩✘、硼▩✘、鈦或鋁則相反,其含量的增加會降低其析出溫度,減少其析出量.

    (3)硼 含 量 的 增 加 對 M3B2 的 穩 定 性 影 響 較小,其析出溫度基本不變,但是會增加其析出量.

    (4)鈦和鋁元素含量的增加有利於 γ′相的析出,其中鈦元 素 可 促 進 γ′相 的 析 出 並 增 強 其 穩 定性,鋁元素則可提高γ′相的析出量.


(文章來源✘·◕▩▩:材料與測試網-機械工程材料 > 2019年 > 10期 

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