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:采用JMatPro軟件對 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′相的析出并增強其穩定性,鋁元素可增加γ′相的析出量.關鍵詞:Haynes２８２合金;JMatPro軟件;熱力學計算;元素;平衡析出相

中圖分類號:TG１４２．７１ 文獻標志碼: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性能良好而廣泛應用于航天和發電行業的燃氣輪機等高溫部件上[１].Haynes公司于２００５年開發了 Haynes２８２鎳基高溫合金,其使用溫度在６４９~９２７℃之間;通過優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性能[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,對合金的沖擊韌性有一定影響.晶界上離散分布的 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、形態和分布對合金的力學性能有重要影響[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布的薄片狀硼化物會導致晶界脆化而成為裂紋形核與擴展之地,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、片狀或針狀分布,且尺寸較大,對合金的室溫塑性、高溫持久性能和抗氧化能力均不利,因此要盡量避免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/中溫塑性和沖擊性能,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性能上,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軟件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性能[７].余勇等[６]采用JMatPro軟件對 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軟件計算并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.

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,采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.采用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,均勻分布于基體上.

采 用 JMatPro 軟 件 計 算 Haynes２８２ 合 金 在６００~１４００ ℃溫度范圍內的相圖,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軟件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.作為單獨變量時不同元素的含量見表２

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.該相圖與余勇等[６]計算的相圖比較一致,但由于計算采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)后可觀察到細小的γ′相彌散分布于基體上,晶界存在 Cr２３C６ 碳化物,晶內存在富鈦的 MC一次碳化物,與由JMatPro軟件計算得到的相圖相符;但是在７６０ ℃和８００ ℃長期時效３０００h后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占據了主導地位,導致這些化合物并未形成;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.

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,這是因為熱處理時并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局部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℃范圍內,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,這應是由于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％,繼續增大鉻含量后,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.由于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 ℃范圍內,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 ℃范圍內,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,但變化范圍較小,這應是由于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.

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 ℃范圍內,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于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,并且降低其穩定性.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 ℃范圍內,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％范圍內,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.

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,鈦元素的存在有利于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相的析出并降低其穩定性.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,即有利于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,即有利于 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于 γ′相的析出,其中鈦元 素 可 促 進 γ′相 的 析 出 并 增 強 其 穩 定性,鋁元素則可提高γ′相的析出量.