分享：Haynes282合金中不同元素含量对析出相析出行为的影响

王静霖,姚志浩,董建新,江 河

(北京科技大学材料科学与工程学院,北京 １０００８３)

    摘 要:采用JMatPro软件对 Haynes２８２ 合金进行热力学计算,得 到 温 度 由 １４００ ℃ 降 至６００ ℃时合金内不同析出相的含量,分析了铬、钴、钼、钛、铝、碳、硼等元素含量对析出相析出行为的影响.结果表明:碳化物的析出量主要由碳含量决定;铬元素可以增强 M２３C６ 的稳定性;铬、钴、钼、钛、铝能促进σ相的析出及稳定;钼含量增加可以促进μ相的析出,而硼、钴、铬、钛、铝等元素会抑制μ相的析出;硼元素对 M３B２ 的稳定性没有影响,但含量增加会增大其析出量;钛元素能促进γ′相的析出并增强其稳定性,铝元素可增加γ′相的析出量.关键词:Haynes２８２合金;JMatPro软件;热力学计算;元素;平衡析出相

中图分类号:TG１４２．７１ 文献标志码:A 文章编号:１０００Ｇ３７３８(２０１９)１０Ｇ００５９Ｇ０７

０ 引 言

    镍基高温合金因高温强度高、抗蠕变性好、疲劳寿命长以及耐腐蚀性能良好而广泛应用于航天和发电行业的燃气轮机等高温部件上[１].Haynes公司于２００５年开发了 Haynes２８２镍基高温合金,其使用温度在６４９~９２７℃之间;通过优化成分及控制合金中γ′相的含量,Haynes２８２合金兼具较高的蠕变强度、良好的热稳定性以及优越的可加工性和焊接性能[２Ｇ４].Haynes２８２合金的热力学平衡析出相包括γ、γ′、MC、M６C、M２３C６、M３B２、σ和 μ等[５].MC 相尺寸较大,呈不规则形状,对合金的冲击韧性有一定影响.晶界上离散分布的 M２３C６ 碳化物会阻碍晶界滑移,从而提高合金的高温持久强度,但是晶界上大块或连续的 M２３C６ 碳化物也会导致合金的脆化,造成沿晶断裂[６].γ′相的尺寸、数量、形态和分布对合金的力学性能有重要影响[７].M３B２ 可阻止晶界滑动,抑制有害相在晶界析出,从而提高持久强度;然而晶界上呈连续状或半连续状分布的薄片状硼化物会导致晶界脆化而成为裂纹形核与扩展之地,从而明显缩短合金的持久寿命、降低塑性.μ相通常呈颗粒状、棒状、片状或针状分布,且尺寸较大,对合金的室温塑性、高温持久性能和抗氧化能力均不利,因此要尽量避免μ相的析出.σ相硬而脆,容易发生破碎;片状或针状σ相的析出会大幅度降低合金的温/中温塑性和冲击性能,缩短其持久寿命[７].目前,国内外对 Haynes２８２合金的研究主要集中在其热处理工艺和力学性能上,有关其成分的研究较 少. 已 有 研 究 表 明,通 过 热 力 学 计 算 软 件JMatPro软件可以比较准确地计算出不同成分镍基高温合金的平衡相含量和物理性能[７].余勇等[６]采用JMatPro软件对 Haynes２８２合金进行了相图计算,讨论不同元素对析出相的影响,但是没有具体分析元素含量对析出相的影响规律.为此,作者利用JMatPro软件计算并分析了元素含量对合金中析出相含量和析出温度的影响,拟为该合金成分设计及热处理工艺的制定提供参考.

１ 试验材料与计算方法

    试验材料为圆柱状的锻态 Haynes２８２合金,在其端面１/２半径处取样,采用电抛电解方法侵蚀试样.电抛液组成(体积分数)为２０％浓硫酸＋８０％甲醇,电抛电压为８~１５V,电抛时间为２~１０s;电解液组成为１５０mL磷酸＋１０mL浓硫酸＋１５g三氧化铬,电解电压为２~１０V,电解时间为１~１０s.采用ZEISSSUPRA５５ 型场发射扫描电镜(SEM)观察 试 样 中 析 出 相 的 形 貌. 由 图 １ 可 知,锻 态Haynes２８２合金中主要析出了 γ′相,γ′相呈细小球形,均匀分布于基体上.

采 用 JMatPro 软 件 计 算 Haynes２８２ 合 金 在６００~１４００ ℃温度范围内的相图,计算时所用元素含量取合金成分[８Ｇ９]的中值,见 表 １.在 保 持 其他元素含量不变的条件下,利用JMatPro软件计算得到其中一种元素含量对析出相含量和析出温度的影响.作为单独变量时不同元素的含量见表２

２ 结果与讨论

２．１ 合金相图

    Haynes２８２合金中的析出相 有 γ′、MC、M６C、M２３C６、M３B２、σ 和 μ 等. 由 图 ２ 可 知:γ、MC、M３B２、M６C、γ′、σ、M２３C６ 和 μ等析出相的析出温度分别为 １３４６．８１,１２６９．８２,１２６１．６６,１１６９．０５,１０００．０２,８４５．６０,８３９．４４,６００．８６ ℃,液相开始出现的温度为１２６０．３８ ℃;当 MC相析出时,液相几乎完全消失.该相图与余勇等[６]计算的相图比较一致,但由于计算采用的合金元素含量有所不同,不    同析出相的析出温度存在差异.符锐等[１０]研究发现,经过标准热处理(１１２１~１１４９℃保温２h空冷＋１０１０℃保温２h空冷＋７８８℃保温８h空冷)后可观察到细小的γ′相弥散分布于基体上,晶界存在 Cr２３C６ 碳化物,晶内存在富钛的 MC一次碳化物,与由JMatPro软件计算得到的相图相符;但是在７６０ ℃和８００ ℃长期时效３０００h后出现了针状或者棒状的μ相,与计算得到的相图不符.对此,徐仰涛等[７]给出了相关解释,计算结果是完全建立在热力学基础上的,而合金的实际凝固过程是热力学与动力学综合作用的结果.一些化合物虽然在理论上是存在的,但实际过程中可能动力学等因素占据了主导地位,导致这些化合物并未形成;同理,一些理论上不存在的化合物在实际过程中也可能因为动力学等因素而析出.

２．２ 不同元素含量对析出相析出行为的影响

２．２．１ 碳含量的影响

    由图３可以看出:随着碳含量的增加,MC、M６C、M２３C６ 等碳化物的析出温度升高、最大析出量增加,但 MC和 M６C碳化物的回溶温度降低.碳含量增加促进了碳化物的析出.在实际的显微组织中可以观察到大量的 MC、晶界 M２３C６ 和少量 M６C碳化物,与图３中 MC和 M６C碳化物最终消失的结果有所差异,这是因为热处理时并不能达到理论上的热力学条件.MC在长期时效或服役过程中,会发生退化反应转变为 M２３C６、M６C或其他相.随着碳含量的增加,μ相的析出温度降低、最大析出量减少,但σ相则相反,其析出温度升高、最大析出量增加.σ相析出量的减少和μ相析出量的略有增加应与 M２３C６ 碳化物的形成能消耗相对多的铬元素,导致合金基体中出现局部钼和钨等元素的富集有关[９].碳含量的变化对 M３B２和γ′相的析出行为没有影响.

２．２．２ 铬含量的影响

    由图４可以看出:随着铬含量的增加,γ′相的最大析出量不变,均在２２％(质量分数,下同)左右,析出温度也几乎不变,表明铬元素对γ′相的析出没有影响;MC的析出温度基本不变,在１２８６~１２９０℃范围内,回溶温度降低,最大析出量增加;M６C的析出温度 降 低,最 大 析 出 量 减 少,回 溶 温 度 升 高;M２３C６的析出温度由７９４℃升高到１０２４℃,说明铬元素能促进 M２３C６ 的稳定性,但最大析出量差别不大,均在１．１７％左右,这应是由于合金中的碳含量相对铬而言是不足的,M２３C６ 的最大析出量由碳含量决定.铬是组成σ相的元素,因此随着铬含量的增加,σ相的析出温度升高,最大析出量增加;铬元素含量的增加对提高σ相的析出量和稳定性作用很大.当铬含量(质量分数,下同)为１８．５％,１９．０％时,

μ相的析出温度分别为６２５,６０６ ℃,最大析出量分别为２．２１％,０．５４％,继续增大铬含量后,合金中未能析

出μ相,这说明铬含量的增加会降低μ相的析出量和稳定性.由于铬含量的增加会促使 M２３C６ 的析出,造成晶界处钼、钨等元素含量的减少,因此μ相的析出量减少.铬含量对 M３B２ 的析出行为没有影响.

２．２．３ 硼含量的影响

    由图５可知:随着硼含量的增加,MC的析出温度略微降低,在１２９０~１２８５ ℃范围内,最大析出量略微减少,回溶温度在１０６７~１０６２ ℃;M３B２ 的析出温度基本不变,在１２５３~１２６０ ℃范围内,最大析出 量 由 ０．０３７％ 增 至 ０．１２３％,说 明 硼 含 量 对M３B２ 的稳定性影响很小,主要影响的是其析出量.随着硼含量的增加,μ相的析出温度略有降低、最大析出量略有减少,但变化范围较小,这应是由于硼含量的增加造成硼化物析出量增加,固定了钴、钨等 μ

相中含有的元素,导致 μ相析出量降低.硼含量对σ相、M６C、M２３C６、γ′相的析出行为没有影响.

２．２．４ 钴含量的影响

    由图６可以看出:随着钴含量的增加,MC的析出温度基本不变,保持在１２８９~１２９０ ℃范围内,最大析出量增加,回溶温度降低;M６C 的析出温度降低,回溶 温 度 升 高,最 大 析 出 量 基 本 不 变,均 在２．２２％左右;M２３C６ 的析出温度稍有升高,析出量几乎没有变化;σ相的析出温度略有升高,最大析出量增加,可见钴含量增加有利于σ相的析出.当钴含量９．０％,９．５％,１０．０％时,合金中有 μ相析出,析出温度分别为６４１,６２３,６０６ ℃,最大析出量依次降低;而当钴含量继续增加到１０．５％,１１．０％时,合金中没有μ相析出.由此可见,钴含量增加会减少 μ相的析出,并且降低其稳定性.钴含量对 M３B２、γ′相的析出行为没有影响.

２．２．５ 钼含量的影响

    由图７可以看出:随着钼含量的增加,MC的析出温度基本不变,在１２８６~１２９１ ℃范围内,最大析出量减少,回溶温度升高;M６C的析出温度升高,最大析出量变化不大,在２．２２％~２．２３％范围内,回溶 温度降低;M２３C６的析出温度降低,最大析出量几乎保持不变,为１．１７％,这应是受到了碳含量的控制;μ相和σ相的析出温度均升高,最大析出量增

加,这说明钼含量的增加可以促进 μ相和σ相的析出.钼含量对 M３B２、γ′相的析出行为没有影响.

２．２．６ 钛含量的影响

    由图８可以看出:随着钛含量的增加,γ′相和σ相的析出温度升高,最大析出量增加,钛元素的存在有利于γ′相和σ相的析出和稳定;MC的析出温度不变,均在１２８９℃左右,回溶温度降低,最大析出量增加;M６C的析出温度降低,最大析出量变化不大,回溶温度升高;M２３C６ 的析出温度升高,最大析出量不变,均在１．１７％左右.当钛含量由１．０％增至２．２％时,μ相的析出温度降低,最大析出量减少;而当钛含量增加至２．３％时,合金中没有μ相的析出.由此可见,钛元素的存在可以抑制 μ相的析出并降低其稳定性.钛含量对 M３B２ 的析出行为没有影响.

２．２．７ 铝含量的影响

    由 图９可以看出:随着铝含量的增加,γ′相的析出温度几乎不变,σ相的析出温度升高,两相的最大析出量均增加,说明铝元素的存在可以促进γ′相和σ相的析出,增强σ相的稳定性.γ′相的析出通常伴随着铝元素在晶界前的扩散[１１].随着铝含量的增加,M２３C６ 的析出温度升高,最大析出量变化很小,均在１．１７％左右;M６C的析出温度和最大析出量的变化均较小,回溶温度升高;MC 的析出温度不变,最大析出量略微增加,回溶温度略微降低.随着铝含量的增加,μ 相的析出温度降低,最大析出量减少;当铝含量增至１．６５％时,合金中没有 μ相析出.可见铝元素的存在会抑制 μ相的析出,降低其稳定性.铝含量对 M３B２ 的析出行为没有影响.

３ 结 论

    (１)碳元素主要决定了碳化物的析出行为,随着碳含量的增加,MC、M６C、M２３C６ 的析出温度升高,最大析出量增加,MC、M６C的回溶温度降低;铬含量的增加增强了 M２３C６ 的稳定性,随着铬含量的增加,M２３C６ 的析出温度显著升高;随着钛含量的增加,MC的析出温度不变,回溶温度降低,最大析出量显著增 加;其 他 元 素 对 碳 化 物 的 析 出 行 为 影响较小.

    (２)铬、钴、钼、钛或铝含量的增加会提高σ相的析出温度和最大析出量,即有利于σ相的析出及稳定;钼含量的增加会提高 μ相的析出温度和最大析出量,即有利于 μ相的析出及稳定,铬、钴、硼、钛或铝则相反,其含量的增加会降低其析出温度,减少其析出量.

    (３)硼 含 量 的 增 加 对 M３B２ 的 稳 定 性 影 响 较小,其析出温度基本不变,但是会增加其析出量.

    (４)钛和铝元素含量的增加有利于 γ′相的析出,其中钛元 素 可 促 进 γ′相 的 析 出 并 增 强 其 稳 定性,铝元素则可提高γ′相的析出量.