某高温合金高温时效稳定性研究

王希多　韩晓东（中航工业沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司，辽宁　沈阳　110043）

某高温合金高温时效稳定性研究

王希多韩晓东
（中航工业沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司，辽宁沈阳110043）

摘要：本文研究了某高温合金高温时效稳定性，分析了合金在高温长期时效过程中，γ΄相的粗化遵循Ostwald熟化理论。

关键词：合金；高温时效稳定性；实验方法

1　引言

某合金长期在高温下处于工作状态，研究它的高温时效稳定性非常重要。

2　实验方法

从同炉的试棒上切取金相试样观察金相组织；试样经磨平抛光腐蚀后，经40%HCl+20%C2H5OH+1.5gCuSO4+40%H2O的腐蚀液腐蚀后分别在光学显微镜观察（OM）、S360型扫描电镜（SEM）观察和TEM样品PhilipsLEM420型分析电镜在上进行观察和分析。

图1　γ’相的粗化规律和激活能

3　合金高温时效稳定性

3.1γ΄相粗化动力学规律

γ΄相粗化动力学有如下规律：

γ΄相粗化激活能Q可通过下列关系式计算得到

ln（kT）=constant-Q/RT

这里T是绝对温度，R是气体常数。γ΄相粗化激活能为255kJ/mol，这个数值和γ΄相形成元素在Ni中的扩散激活能大致相当（Al在Ni中的体扩散激活能270kJ/mol）。

3.2实验结果分析

这些γ΄相的扫描电镜观察说明，合金时效到1000h后均未发现针状相的析出。这主要是由于在炉冷过程中，在γ΄相的析出的同时，在较高的温度就能够较充分的同步析出M6C，从而减少了基体中Mo和W的过饱和度，从而抑制了μ相的析出。

γ΄相的平均尺寸随时效时间的延长而增大，γ΄相沿一定方向发生聚集长大，由原来的正方形小颗粒变为长条形或多边形；组织特征表明，长期时效后γ΄相发生了明显的粗化现象：一次γ΄相长大，二次γ΄相形态退化，三次γ΄相粗化。

这表明，γ΄相的粗化主要是由Al在基体中的扩散所控制的。

由图1可见：长期时效对合金中的初生γ΄相即γ/γ΄共晶也产生了明显的影响。900℃长期时效过程中γ/γ΄共晶的变化，标准热处理态的筛网状共晶和粗大γ΄相，经过500h时效后，共晶胞界γ΄相显著粗化，部分MC碳化物发生反应：γ+MC→γ΄+M23C6。

1000h时效后，γ/γ΄共晶胞界γ΄相一步粗化，γ΄相内部析出了大量的γ΄相。

较大的γ΄粒子的形态较稳定，在长期时效过程中逐渐粗化，只发生了形貌退化现象，即立方体的边角钝化，整体还保持立方形貌，但相对较小的立方γ΄相则出现了形态不稳定现象，γ΄颗粒分步“分裂”：首先从一个或几个面分裂成两部分，然后在各部分分裂面上发生溶解现象。高温合金中两相错配度较小时γ΄沉淀相为球形，当两相错配度较大时，γ΄相则呈现出立方体形貌。γ΄相的形貌退化说明了在粗化过程中，两相错配度有所降低，γ΄相的总体表面能降低，形貌趋于稳定。

沉淀相的形态不稳定性是由扩散的点效应引起的。扩散的点效应与界面稳定性因素（例如表面能、表面扩散或者表面张力的各向异性）相竞争。当前者占主要地位时，会发生沉淀相形态不稳定现象；反之，第二相就会长大而不会发生形态不稳定现象。对于处于平衡态的γ΄相不稳定性，则由界面能和晶格错排引起的弹性能的竞争机制来解释。由于溶质原子扩散和两相热膨胀等因素，γ/γ΄两相的共格特性会发生变化，当弹性应变能起主要作用时，分裂会导致相对较小的γ΄界面能稍有升高，但却使总的弹性能大大降低，这样总能量会达到最低；而当界面能起主要作用时，界面能的降低成为γ΄相长大的驱动力，立方体退化为球形具有更小的表面积，因而长时间时效后大γ΄相的边角会钝化。

分析结果表明，枝晶干μ相比枝晶间μ相含较多的Cr、W和Mo。枝晶间和枝晶干上μ相形貌的差异可以归结为如下原因：

（1）μ相形核位置的不同；

（2）μ相形成元素的差异。

μ相的出现趋势可以通过电子空位理论计算来预测。近年来，相计算方法应用在基于合金成分的计算，从而预测出现μ相的趋势。

在长期时效过程中γ΄相粗化主要由Al在基体中的扩散控制，同时，相关的其他元素（Cr和Mo）由于互扩散作用远离γ΄粒子，μ相形成元素（Cr、Mo）在基体中达到饱和，这些元素在富W区偏聚导致这些位置成为μ相的形核位置。随着时效时间的延长，μ相形成元素通过两相界面提供所需，Mo的长程扩散成为控制μ相长大的因素，引起短而粗的μ相形貌。

通过上述分析，在高温长期时效过程中，γ΄相的粗化遵循Ostwald熟化理论。即γ΄相从过饱和的γ固溶体生长要经过三个阶段：

（1）形核；

（2）γ΄相利用γ基体中的元素长大；

（3）γ΄相通过Ostwald熟化（或竞争长大）过程粗化。

结论

研究了某合金高温时效稳定性，得出如下结论：

合金在高温长期时效过程中，γ΄相的粗化遵循Ostwald熟化理论：即形核、γ΄相利用γ基体中的元素长大和γ΄相通过Ostwald熟化（或竞争长大）过程粗化，γ΄相粗化是由溶质原子通过γ-γ΄界面扩散来进行的。枝晶干μ相比枝晶间μ相含较多的Cr、W和Mo。

参考文献

[1]王从曾，刘会亭.材料性能学[M].北京：北京工业大学出版社，2011：106.

中图分类号：TG156

文献标识码：A