Ni基高溫合金中Nb的固溶強(qiáng)化

晶格中的部分原子被其他原子置換可產(chǎn)生和位錯(cuò)相互作用的晶格畸變。Nb在Ni和Cr20-Ni80合金中的溶解度不大，在1200℃時(shí)，Nb在Cr20-Ni80中的溶解度為7％，且隨著溫度的降低溶解度也減小。Nb和Ni之間的原子尺寸錯(cuò)配度高達(dá)15％左右，這限制了Nb在Ni中的充分溶解。然而，這樣高的原子尺寸錯(cuò)配度在另一方面也表明Nb在產(chǎn)生晶格畸變方面具有很強(qiáng)的能力。

無論Nb含量多少，Nb主要存在于γ相中(~57％)，其次存在于γ‘相中(-28％)，在碳化物中的Nb最少(-15％)。研究發(fā)現(xiàn)Nb含量從0％提高到2．46％，7相的點(diǎn)陣間隔從3．5634nm增加到3．5713nm。γ和γ‘相的晶格錯(cuò)配度先從無Nb時(shí)的0．76增加到含Nbl．24％時(shí)的0．81，之后又開始下降，含Nb量為2．46％時(shí)晶格錯(cuò)配度降到原始值。隨著Nb含量從o％提高到2．46％，剪切模量從81．7x103提高到85．0x103。研究已證實(shí)．在含Cr20％的Ni和Ni-Fe基625、706和718合金中Nb能起到固溶強(qiáng)化的效果。據(jù)估算，加入2．46％的Nb產(chǎn)生的固溶強(qiáng)化可使合金的屈服強(qiáng)度提高約44Mpa。這大概占由于Nb的添加而產(chǎn)生的室溫屈服強(qiáng)度增加量的一半。由于隨著Nb含量的增加，γ和γ‘相的晶格錯(cuò)配度變化不大，因此，Nb對(duì)由于晶格錯(cuò)配所產(chǎn)生的共格應(yīng)變的貢獻(xiàn)不大。結(jié)果，合金強(qiáng)度增量的其余部分就主要?dú)w因于由于Nb增大合金的反相疇界能而產(chǎn)生的共格應(yīng)變強(qiáng)化。

Ni基高溫合金中Nb的共格相強(qiáng)化

我們就可以推測(cè)Nb在625、706和718合金中所起的作用。Nb所具有的適中的熔點(diǎn)和低彈性模量使Nb在固溶強(qiáng)化方面效果不明顯。其較大的原子半徑限制了其在鎳基合金中的溶解度，而其正電性特性使Nb易形成穩(wěn)定的碳化物和氮化物。另外，Nb的低密度使含Nb合金適于制作轉(zhuǎn)動(dòng)件，實(shí)際上，Nb的最大優(yōu)勢(shì)在于其可促進(jìn)γ，和γ‘相的形成。Nb傾向于偏聚在這兩個(gè)相中，從而導(dǎo)致其體積分?jǐn)?shù)的增加。同時(shí)，Nb可減少Al和Ti在基體中的溶解度，從而進(jìn)一步增加γ和γ‘相的含量。此外，Nb可增加γ‘相的反相疇界能，這增大了位錯(cuò)切割γ‘相的阻力從而提高合金的高溫強(qiáng)度。

在對(duì)Nb的特性有一個(gè)初步了解后，就可以開始研究Nb在625、706和718合金中的作用了。首先，我們將對(duì)三種合金中最富Ni的625合金進(jìn)行研究。三種合金的名義成分如表所示。

625合金中Nb的冶金特性

在航空航天領(lǐng)域，625合金被廣泛用來制作推力換向器、消聲器、殼體、排氣管、燃燒室、轉(zhuǎn)換導(dǎo)管、排氣元件和發(fā)動(dòng)機(jī)安裝法蘭及支架。多年來，隨著對(duì)625合金的性能優(yōu)化已出現(xiàn)了一些新的商用合金，比如725合金、CustomAge625Plus®合金、626合金、625LCF®合金和718合金(通過增加Nb含量來增加高溫強(qiáng)度)。

最終因子試驗(yàn)確定了Nb、Mo、Cr、A1和Ti的最佳含量。Nb在625合金中的溶解度大約為2．5％，且隨著Mo+Cr含量的降低而增加(基于和718合金時(shí)效效果的比較)。

在固溶狀態(tài)，Nb只是略微增大625合金的基體強(qiáng)度。然而．在時(shí)效狀態(tài)(704℃／16h／AC)，當(dāng)Nb含量超過2．5％時(shí)，屈服強(qiáng)度顯著增大。這些研究表明，Mo可增大基體的固溶強(qiáng)度，并且還可單獨(dú)或與Nb一起增大高溫時(shí)效合金的時(shí)效強(qiáng)化效果，同時(shí)降低高溫時(shí)效合金的沖擊韌性。

Nb在鎳鐵基高溫合金中的作用

大量的以Nb強(qiáng)化的變形高溫合金從技術(shù)上來說就是鎳鐵基高溫合金，這類合金包括眾所周知的：706，718，903和909合金。這些合金具有一些共同的特點(diǎn)：這些合金主要以鍛造或變形態(tài)應(yīng)用，使用溫度不超過650℃的。這些合金都以Nb進(jìn)行強(qiáng)化，并且常常主要通過沉淀析出共格的γ和γ‘相來提高合金的使用性能。這些合金的Ni含量必須超過25％，這樣才能保證在面心立方奧氏體基體中可以析出γ‘相。

鎳鐵基高溫合金的固溶強(qiáng)化

在鎳鐵基高溫合金中，Co、Cr、Mo及w元素連同Nb一起，使合金得到固溶強(qiáng)化，但對(duì)Nb元素來說，沉淀強(qiáng)化相起著更重要的作用?！toloff估計(jì)在718合金的固溶體中，Nb大約占3％(18)。

鎳鐵基高溫合金中鈮對(duì)碳化物強(qiáng)化的作用

鎳鐵基高溫合金中可形成MC型碳化物，這類高溫合金廣泛用于制造渦輪盤和渦輪轉(zhuǎn)子，而它們中的碳化物在合金鍛造及熱處理過程中，將在合金晶粒度的控制上發(fā)揮重要作用。這些碳化物中一般富集Ti、Ti與Nb的復(fù)合物以及其它難熔元素。Nb可以使MC型碳化物更加穩(wěn)定，但是在后序高溫?zé)崽幚砑盁釙r(shí)效中，MC型碳化物還是會(huì)轉(zhuǎn)變成為M23C6和M6C。

鎳鐵基高溫合金中鈮對(duì)共格相強(qiáng)化的作用

在鎳鐵基高溫合金中可以形成兩種共格相即γ‘和γ“相。γ’相是一種有序共格相，是Ti和Ni反應(yīng)形成的，它與在鎳基合金中Ni和Al反應(yīng)形成的γ‘相相比有差異。由于鎳鐵基合金中Nb的存在，γ“相成為了合金強(qiáng)度的主要提供者，這個(gè)共格相是體心四方結(jié)構(gòu)(BCT)，(它的結(jié)構(gòu)可以看作是兩個(gè)FCC單胞的堆垛)。在基體中γ“相是圓盤和片狀析出的，還曾觀察到有γ“包覆著γ‘顆粒，這種γ”相的穩(wěn)定性明顯高于γ‘。γ“相的析出依賴于Nb和Fe的存在，這是因?yàn)镹b和Nb提供了γ“形成所需的電子—原子比以及基體與沉淀錯(cuò)配相的關(guān)系。

δ相是圓盤或胞狀，與基體不共格，用δ相可以來控制晶粒度，而δ相對(duì)合金強(qiáng)度則具有雙重作用。另一種直接來自于γ‘的相是η相(Ni3Ti)，合金中Ti和Nb的高含量是η相的形成的原因，η相通常在晶界呈盤狀或胞狀，它會(huì)大大降低合金的塑性。某種熱處理可以使鎳鐵基合金中析出一種更加溫和的塊狀析出相，它可以象δ相一樣，在制造中用于控制合金的晶粒度。刀相和δ相的形成，將會(huì)降低合金潛在的強(qiáng)度，因?yàn)樗鼈兌叨紩?huì)占用形成強(qiáng)化相γ‘和γ“所需的Ti和Nb。鎳鐵基合金中也可以形成拓?fù)涿芘畔?TCP)和Laves相。Laves相比較常見，它與合金中的Nb、Fe和Si有關(guān)。

Nb在706合金中的冶金行為

706合金是60年代后期由718合金發(fā)展而來的，以滿足大型鍛造燃?xì)鉁u輪件的冶金需求。706合金中的Ni、Mo及強(qiáng)化元素含量較低，因而提高了合金的可鍛性，減少了大尺寸合金錠橫截面上形成宏觀偏析的趨勢(shì)，同時(shí)合金的機(jī)械加工性能也得到了改善，降低了成本。合金中Nb、Al含量的降低，也使得合金形成偏析和黑斑的趨勢(shì)降低。另外，在合金強(qiáng)化元素降低的同時(shí)，增加了一定的Ti含量以保持706合金的強(qiáng)度，為了改善706合金加工性能，合金中的c含量控制的比718合金要低。706合金中主要的相及它們典型的形貌。

706合金中的第三種析出相是刀相(Ni3Ti，Nb)，它是六方晶系D024晶體結(jié)構(gòu)，在晶界以細(xì)小片狀析出，在晶內(nèi)以長(zhǎng)片狀(針狀)析出，在760-870℃之間η相以消耗γ‘和γ“相的方式粗化長(zhǎng)大。經(jīng)過1120℃的退火處理，η相可以在晶內(nèi)均勻形核，但低于該溫度則不均勻，這可能是因?yàn)闅堄鄟喗Y(jié)構(gòu)，這些亞結(jié)構(gòu)與預(yù)先析出的MC型碳化物顆粒有關(guān)，而碳化物的形成會(huì)對(duì)η相溶解溫度產(chǎn)生影響。從斜方晶系的Ni3Nb)γ“相轉(zhuǎn)變?yōu)榱骄档?Ni3NbO．33TiO．67)η相時(shí)，存在一些成分的轉(zhuǎn)變。隨著合金中Ti含量的增加，合金中的η相還會(huì)進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)槿蔷档?Ni3NbO．11Ti0．89)η相、六方晶系的(Ni3NbO．03Ti0．97)η相，利用析出的，η相可以在合金鍛造過程中控制晶粒尺寸(24，30，32)。在低于η相溶解溫度下，706合金的流變應(yīng)力大大增加，同樣鍛造所需的壓力也大大增加了。

706合金在經(jīng)過高達(dá)870-930℃的高溫時(shí)效后，就會(huì)析出Laves相(Fe2Nb)[六方晶系C36的晶體結(jié)構(gòu)]，顯微組織中Laves相看起來像晶界上的η相，但略粗大些。

在加工和時(shí)效熱處理過程中，706合金中還會(huì)形成富Nb和Ti的MC型碳化物(面心立方結(jié)構(gòu)，a=4．43埃)，這些碳化物如同非常細(xì)小沉淀相大多位于晶界。706合金顯微組織中通常還可以觀察到少量的M23C6，NbC，NbN或Nb(C，N)。

Nb在718合金中的冶金行為

718合金是最主要的鎳鐵基高溫合金，它幾乎占了全世界高溫合金用量的一半?？梢灾瞥筛鞣N各樣的產(chǎn)品，它可用于制造盤件、軸、承力件、緊固件、薄板件及結(jié)構(gòu)件。53％Ni~20％Fe的基體中合金的強(qiáng)化作用主要靠5．3％Nb來形成γ“(18％-20％)，這使得718合金的屈服強(qiáng)度比其它靠同樣數(shù)量γ‘強(qiáng)化的合金更高。但是γ“相是一種亞穩(wěn)定相，在650℃以上的長(zhǎng)期使用中會(huì)轉(zhuǎn)變成δ相導(dǎo)致合金的強(qiáng)度降低。

和706合金一樣，在718合金的γ基體中會(huì)析出共格的細(xì)小片狀γ“相，在某種熱處理?xiàng)l件和特定的(AL+Ti／Nb比率下，γ“可能會(huì)包覆在立方體γ‘相所有6個(gè)面上，這種結(jié)構(gòu)被證明可以推遲γ“相的粗化。隨著合金中Nb含量從3．5％增至6．5％，合金的強(qiáng)度不斷提高，但當(dāng)Nb>5％時(shí)，就會(huì)促進(jìn)合金中Laves相及δ相的析出，從而對(duì)合金的塑性和強(qiáng)度產(chǎn)生潛在的危害，因?yàn)長(zhǎng)aves相中會(huì)占有28％Nb和10％Mo，從而減少這些元素對(duì)合金強(qiáng)度的作用。