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第3代粉末高温合金的成分设计

发布时间：2011/5/5 4:00:41

    镍基粉末高温合金自上世纪60年代诞生以来，国际上已经历了3代粉末高温合金的研制。我国研制的第1代粉末高温合金*高使用温度为650℃，第2代*高使用温度为750℃，现在正在向使用温度为750~800℃的第3代粉末高温合金进军。
　　
　　总体而言，第3代粉末高温合金的合金化程度更高，元素的添加比例更合理，从而使合金的性能有全面的提高。从目前研发情况看，对第3代粉末高温合金的成分设计主要基于以下一些考虑：
　　
　　1.增Co降Cr趋势。Co和Cr是固溶强化的主要元素，两者添加量一般都超过10%。Co能与Ni形成连续置换固溶体而变成（Ni,Co）3（Al,Ti），可以提高合金的高温性能;Co降低了基体的堆垛层错能，降低Al、Ti在基体中的溶解度，从而在一定范围内增加γ′相数量和提高γ′相固溶温度，从而提高合金的蠕变抗力。因此，第3代合金通常添加更多量Co（一般≥15%）。Cr主要固溶强化γ基体，但Cr的高温强化效果远低于W，Mo等难熔元素，故要进一步提高合金的高温强度，就要降低Cr量并增加难熔元素的含量。同时，Cr高温下有促使σ相形成的倾向。因此，增Co降Cr是新型高性能粉末高温合金成分设计的一个趋势。
　　
　　2.优化W，Mo含量。W，Mo是镍基粉末高温合金的固溶强化元素，它们在γ相中有较大的固溶度。Mo会引起γ相的点阵常数和弹性模量的变化，导致明显的固溶强化效果。W可显著提高合金的蠕变强度。W和Mo还能减缓Al，Ti，Cr的高温扩散速度，增加蠕变的扩散激活能，减缓高温合金的蠕变软化速度。但是，过高的W和Mo会促进TCP相（μ相）的形成。因此，Mo，W的*佳添加量和相对比例是新型高性能粉末高温合金成分优化设计的关键之一。
　　
　　3.减小γ′相的点阵错配度。点阵错配度可引起共格应力强化效应，但其作用主要在650~700℃以下有效，而在高温下，半共格界面会改变为位错型界面结构而松弛弹性应力;同时，点阵错配度大的γ′相不稳定，易于聚集长大。对于高于750℃温度下使用的高温合金，γ′相与γ相的点阵常数差越小，γ′相越稳定、越难长大，合金才有更好的高温强度。Nb，Ta会增大两相的点阵错配度，Cr，Co，Mo，W和低Ti/Al比均可减少错配度。新型高性能粉末高温合金成分设计需要通过调节合金元素含量以获得较小的点阵错配度。
　　
　　4.进一步强化晶界。晶界作为高温合金的薄弱环节，一直都是合金设计中的重点考虑环节。C，B和Zr，这些晶界微量元素偏聚到晶界处，可提高晶间结合力，强化晶界，从而提高合金的蠕变强度、塑性和低周循环疲劳寿命。C的有利作用是在晶界析出链状、断续碳化物来强化晶界;B则在晶界偏聚造成局部合金化，强烈改变晶界状态，降低元素在晶界的扩散速度而强化晶界。然而，当这些元素添加过量时，会促进碳硼化物的析出，对合金性能不利。