合金元素对新型镍基粉末高温合金的热力学平衡相析出行为的影响

D01:10.13374.isml00103x.2009.06.007 第31卷第6期 北京科技大学学报 Vol.31 No.6 2009年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jum.2009 合金元素对新型镍基粉末高温合金的热力学平衡相析 出行为的影响 吴凯”刘国权2) 胡本芙》吴昊”张义文)陶宇)刘建涛) 1)北京科技大学材料科学与工程学院。北京1000832)北京科技大学新金属材料国家重点实验室，北京100083 3)北京科技大学治金与生态工程学院北京1000834)钢铁研究总院高温材料研究所，北京100081 摘要通过热力学平衡相计算方法系统研究了某新型镍基粉末高温合金时效温度下合金元素对热力学平衡相析出行为 的影响.计算结果表明：R104合金析出的主要平衡相为Y、MC、M2aC6M,B2和TCP相.Cr和Co含量主要影响TCP相的 析出行为及Y相的析出温度.Cr含量对M23C6和M3B2的析出行为有一定的影响，Cr的建议质量分数为13%：Mo和W含量 影响TCP相和M3B2的析出行为.质量比AVTi和Nb/Ta影响Y相的析出行为，建议控制AVTi和Nb/Ta比平衡，以使Y相 起到理想的强化效果.C和B含量显著影响碳化物和硼化物的析出量，还可间接抑制TCP相析出：Zr含量对MC和M3C6碳 化物的析出有影响：增C。降C:和调节合金元素含量以获得小的点阵错配度是第3代涡轮盘用粉末治金高温合金成分优化设 计的趋势。 关键词粉末治金高温合金：热力学计算：平衡相：涡轮盘；优化设计 分类号TG146.1+5:TG1115 Effect of alloy elements on the precipitation behavior of thermodynamic equilibri- um phases in new type nickel-based P/M superalloys WU Kai.LIU Guo-quan2.HU Be-fu.WU Hao,ZHANG Yi-wen3.TAO Yu LIU Jiantao 1)School of Materials Science and Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083 China 2)State Key Laboratory for Advanced M ctals and Materiak University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China 3)School of Metallurgical and Ecological Engineering.University of Science and Technology Beijing.Bijng 100083.China 4)High Temperature Materials Research Institution.CISRI.Beijing 100081.China ABSTRACT The effects of alloy elements on the precipitation behaviors of equilibrium phases in new ty pe nickel-based powder met- allurgy(P/M)superalloys at aging temperature were studied systematically by a thermody namic calculation method.The calculation results show that the equilibrium precipitation phases of Rere 104 are Y,MC M23C M3B2 and TCP phases.Cr and Co contents mainly influence the precipitation behaviors of TCP phases and the precipitation temperature of y phase.Cr content also plays a role in the precipitation behaviors of M23C6 and M3B2.The suggested content of Cr is 13%.Mo and W contents influence the precipita- tion behaviors of TCP phases and M3B2.The mass ratios of AV Ti and Nb/Ta affect the precipitation behaviors of y phase.It sug- gests controlling the values of Al Ti and Nb/Ta to be unity in order to makey phase having desire strengthen effect.C and B com tents significantly influence the precipitation volumes of carbides and borides;they can restrain the precipitation of TCP phases indi- rectly.Zr content influences the precipitation behaviors of MC and M23C6.Besides it is revealed that the composition optimization and design trend of the 3rd generation P/M turbine disc superalloys is with more Co less Cr and to obtain a smaller lattice mismatch by adjusting the contents of alloy elements. KEY WORDS P/M superalloy:thermody namic calculation equilibrium phase turbine disc;optimization design 在20世纪90年代，由美国国家航空航天局(NASA)格伦研究中心与美国通用(GE)飞机引擎公 收稿日期：200807-08 基金项目：国家武器装备预研基金资助项目(No.9140A12070507QT0202):国家高技术研究发展计划资助项目(No.2007AA03A223) 作者简介：吴凯(1984-，男。博士研究生：刘国权(1952一)，男，教授博士生导师E-maila:g.im@usth.ed血.cn

合金元素对新型镍基粉末高温合金的热力学平衡相析 出行为的影响 吴 凯 1) 刘国权 1, 2) 胡本芙 1) 吴 昊 1) 张义文 1 , 4) 陶 宇 4) 刘建涛 4) 1)北京科技大学材料科学与工程学院, 北京 100083 2)北京科技大学新金属材料国家重点实验室, 北京 100083 3)北京科技大学冶金与生态工程学院, 北京 100083 4)钢铁研究总院高温材料研究所, 北京 100081 摘 要 通过热力学平衡相计算方法, 系统研究了某新型镍基粉末高温合金时效温度下合金元素对热力学平衡相析出行为 的影响.计算结果表明:René 104 合金析出的主要平衡相为γ′、MC 、M23C6 、M3B2 和 TCP 相.Cr 和 Co 含量主要影响 TCP 相的 析出行为及γ′相的析出温度, Cr 含量对 M23C6 和 M3B2 的析出行为有一定的影响, Cr 的建议质量分数为 13%;Mo 和 W 含量 影响 TCP 相和 M3B2 的析出行为.质量比 Al/ Ti 和 Nb/ Ta 影响γ′相的析出行为, 建议控制 Al/ Ti 和 Nb/ Ta 比平衡, 以使γ′相 起到理想的强化效果.C 和 B 含量显著影响碳化物和硼化物的析出量, 还可间接抑制 TCP 相析出;Zr 含量对 MC 和 M23C6 碳 化物的析出有影响;增 Co 降 Cr 和调节合金元素含量以获得小的点阵错配度是第3 代涡轮盘用粉末冶金高温合金成分优化设 计的趋势. 关键词 粉末冶金高温合金;热力学计算;平衡相;涡轮盘;优化设计 分类号 TG146.1 +5 ;TG 111.5 Effect of alloy elements on the precipitation behavior of thermodynamic equilibri￾um phases in new type nickel-based P/M superalloys WU Kai 1), LIU Guo-quan 1 , 2), HU Ben-fu 1), WU Hao 1), ZHANG Yi-wen 1 , 3), TAO Yu 3), LIU J ian-tao 3) 1)School of Mat erials Science and Engineering , University of S cience and Technology Beijing , Beijing 100083 , China 2)St at e Key Laborat ory for Advanced M etals and Materials, University of S cience and Technology Beijing , Beijing 100083 , China 3)School of Met allurgical and Ecologi cal Engineering , University of Science and T echnology Beijing , Beijing 100083 , China 4)High Temperature Mat erials Research Institution , CISRI , Beijing 100081 , China ABSTRACT The effects of alloy elements o n the precipitatio n behaviors of equilibrium phasesin new ty pe nickel-based powder met￾allurgy (P/ M)superalloys at aging tempera ture were studied systematically by a thermody namic calculatio n method .The calculation results show that the equilibrium precipitation phases of René 104 are γ′, MC, M23C6 , M3B2 and TCP phases.Cr and Co co ntents mainly influence the precipitation behavio rs of TCP phases and the precipitatio n temperature of γ′phase.Cr content also play s a role in the precipitation behaviors of M23C6 and M3B2.The suggested content of Cr is 13%.Mo and W contents influence the precipita￾tio n behaviors of TCP phases and M3B2 .The mass ratios of Al/ Ti and Nb/ Ta affect the precipitation behavio rs of γ′phase.It sug￾gests controlling the values of Al/ Ti and Nb/ Ta to be unity in o rder to make γ′phase having desire streng then effect .C and B co n￾tents significantly influence the precipitation volumes of carbides and borides ;they can restrain the precipitation of TCP phases indi￾rectly.Zr content influences the precipitation behaviors of MC and M23C6 .Besides, it is revealed that the composition optimization and design trend of the 3rd generation P/M turbine disc superalloy s is with more Co , less Cr and to obtain a smaller lattice mismatch by adjusting the contents of alloy elements. KEY WORDS P/ M superalloy;thermody namic calculation;equilibrium phase;turbine disc;optimization desig n 收稿日期:2008-07-08 基金项目:国家武器装备预研基金资助项目(No .9140A12070507QT0202);国家高技术研究发展计划资助项目(No .2007AA03A223) 作者简介:吴 凯(1984—), 男, 博士研究生;刘国权(1952—), 男, 教授, 博士生导师, E-mail:g .liu@ustb.edu.cn 在 20 世纪 90 年代, 由美国国家航空航天局 (NASA)格伦研究中心与美国通用(GE)飞机引擎公 第 31 卷 第 6 期 2009 年 6 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol .31 No.6 Jun.2009 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2009.06.007

。720 北京科技大学学报 第31卷 司和普慧(Pratt&Whit ney)公司开始联合研制先 件与相应Nⅱ基数据库进行模拟计算，通过利用系统 进大盘件用粉末治金高温合金Rene1O4(ME3),并 中各相热力学特征函数严格的热力学关系，建立起 在航空发动机中得到应用.ReI04合金在一 相应的热力学模型，将相图和各种热力学数据联系 定成分范围和处理条件下具有较强的适应性，其性 起来.由于在恒温恒压的条件时，体系处于平衡的 能不随成分波动和热处理条件的小幅变化而急剧变 条件是在满足物料平衡方程的前提下，使体系的吉 化.在600~700℃具有优异的持久性能，采用 布斯自由能为最小值：从而计算出系统中所有的热 RenéIO4合金制作的发动机涡轮盘的热时寿命是当 力学信息，得到可能析出的平衡相，并预测RenéIO4 前正在使用的第2代粉末高温合金盘件的30倍). 合金中合金元素对热力学析出相的影响，揭示各平 我国刚开始进行温度为750~800℃的第3代 衡相的析出规律.由于Remé104合金的时效温度为 涡轮盘用粉末治金高温合金的研制.第3代粉高合 760℃，合金经时效后其组织达到近平衡状态，且其 金的优异性能主要取决于合金成分，析出相和制备 与第3代涡轮盘用粉末治金高温合金实际要求的使 工艺，且与前两代合金的不同之处是尤其注重合金 用温度范围相符合，故设定计算温度为760℃. 在高温服役工况下的长时组织稳定性，这主要与合 2结果与讨论 金析出有害的TCP(topologically close packed)相、对 晶界起强化作用的碳化物和硼化物以及起析出强化 2.1Ref104合金热力学平衡相 作用的Y相等相关.本文通过采用当今最具代 Re104合金的典型化学成分（质量分数）为： 表性的材料热力学相图计算软件Thermo-Calc,分析 Cr,13%;Co,20.6%;Mo,3.8%:W,2.1%: 计算了Rene1O4合金在时效温度下析出的平衡相， Al,3.4%:Ti,3.7%;Nh,09%:Ta2.4%:C 重点研究了合金元素对该合金中TCP相、碳化物、 0.05%:B,0.025%:Zr,0.05%:Ni,余量.经热 硼化物和Y相等析出行为的影响，验证该合金成分 力学平衡相计算，得到当其各化学成分为典型含量 设计的合理性与不足之处，以期为我国第3代涡轮 时各相析出量与析出温度的关系见图1.由图1可 盘用粉末治金高温合金的成分优化设计提供参考. 知，合金中的主要平衡析出相为Y、MC、M23C6、 1研究方法 M3B2和TCP相（如，o).表1为Bee104在 760℃时各平衡相的计算成分. 采用Thermo-Cale相平衡计算和热力学评估软 100 15 (a) (b) 80- 10 是60 40 5 20 MaC. MC 十 MB: 96060080010001200140016001800 40060080010001200140016001800 温度K 温度K 图1Rae104合金各相析出量与析出温度的计算曲线.(a)整体图：(b)局部放大图 Fig I Calculated dependences of precipitation phases on temperature (a)and its local magnificat ion (b)of Rere104 图2为Ree104合金在过固溶热处理（固溶 图1)，在760℃时Y相的体积分数约为53%：与实 1171℃/2h,空冷：时效760℃/8h,空冷)后SEM组 测Y'相的固溶温度为1157℃，平衡态时Y相体积分 织形貌，碳化物(M3C6和MC)和硼化物(M3B2)在 数为51%左右刂相差不大.同时可得M3C6初始 晶界（内）析出，晶内有大量的Y相析出，实验所观 溶解温度为922℃，MB2低于1122℃就开始析出， 测到的析出相与图1中平衡相计算所给出的结果相 其最大析出量分别为1.1%和0.33%（摩尔分数）. 吻合.主要平衡相Y相的固溶温度为1161℃（见

司和普慧(Pratt &Whitney)公司开始联合研制先 进大盘件用粉末冶金高温合金 René104(ME3), 并 在航空发动机中得到应用[ 1-2] .René104 合金在一 定成分范围和处理条件下具有较强的适应性, 其性 能不随成分波动和热处理条件的小幅变化而急剧变 化,在 600 ～ 700 ℃具有优异的持久性能[ 3-4] , 采用 René104 合金制作的发动机涡轮盘的热时寿命是当 前正在使用的第 2 代粉末高温合金盘件的30 倍 [ 5] . 我国刚开始进行温度为 750 ～ 800 ℃的第 3 代 涡轮盘用粉末冶金高温合金的研制.第 3 代粉高合 金的优异性能主要取决于合金成分 、析出相和制备 工艺, 且与前两代合金的不同之处是尤其注重合金 在高温服役工况下的长时组织稳定性, 这主要与合 金析出有害的 TCP(topologically close packed)相、对 晶界起强化作用的碳化物和硼化物以及起析出强化 作用的 γ′相等相关[ 6-8] .本文通过采用当今最具代 表性的材料热力学相图计算软件 Thermo-Calc ,分析 计算了 René104 合金在时效温度下析出的平衡相 , 重点研究了合金元素对该合金中 TCP 相 、碳化物 、 硼化物和 γ′相等析出行为的影响, 验证该合金成分 设计的合理性与不足之处 , 以期为我国第 3 代涡轮 盘用粉末冶金高温合金的成分优化设计提供参考 . 1 研究方法 采用 Thermo-Calc 相平衡计算和热力学评估软 件与相应 Ni 基数据库进行模拟计算 ,通过利用系统 中各相热力学特征函数严格的热力学关系 ,建立起 相应的热力学模型, 将相图和各种热力学数据联系 起来 .由于在恒温恒压的条件时 ,体系处于平衡的 条件是在满足物料平衡方程的前提下, 使体系的吉 布斯自由能为最小值 ;从而计算出系统中所有的热 力学信息 ,得到可能析出的平衡相, 并预测 René104 合金中合金元素对热力学析出相的影响 , 揭示各平 衡相的析出规律.由于 René104 合金的时效温度为 760 ℃,合金经时效后其组织达到近平衡状态 ,且其 与第 3 代涡轮盘用粉末冶金高温合金实际要求的使 用温度范围相符合 ,故设定计算温度为 760 ℃. 2 结果与讨论 2.1 René 104 合金热力学平衡相 René104 合金的典型化学成分(质量分数)为: Cr , 13 %;Co , 20.6 %;Mo , 3.8 %;W , 2.1 %; Al , 3.4 %;Ti , 3.7 %;Nb , 0.9 %;Ta , 2.4 %;C , 0.05 %;B , 0.025 %;Zr , 0.05 %;Ni , 余量 .经热 力学平衡相计算, 得到当其各化学成分为典型含量 时各相析出量与析出温度的关系见图 1 .由图 1 可 知 , 合金中的主要平衡析出相为 γ′、MC 、M23C6 、 M3B2 和 TCP 相(如 μ, σ).表 1 为 René 104 在 760 ℃时各平衡相的计算成分 . 图 1 René104 合金各相析出量与析出温度的计算曲线.(a)整体图;(b)局部放大图 Fig.1 Calculated dependences of precipitation phases on t emperature (a)and its local magnification (b)of René104 图 2 为 René104 合金在过固溶热处理(固溶 1 171 ℃/2 h , 空冷 ;时效 760 ℃/8 h , 空冷)后SEM 组 织形貌 ,碳化物(M 23C6 和 MC)和硼化物(M3B2)在 晶界(内)析出, 晶内有大量的 γ′相析出, 实验所观 测到的析出相与图 1 中平衡相计算所给出的结果相 吻合.主要平衡相 γ′相的固溶温度为 1 161 ℃(见 图 1),在 760 ℃时 γ′相的体积分数约为 53 %;与实 测γ′相的固溶温度为 1157 ℃,平衡态时 γ′相体积分 数为 51 %左右[ 1] 相差不大.同时可得 M23C6 初始 溶解温度为 922 ℃,M 3B2 低于 1 122 ℃就开始析出, 其最大析出量分别为 1.1 %和 0.33 %(摩尔分数). · 720 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷

第6期 吴凯等：合金元素对新型镍基粉未高温合金的热力学平衡相析出行为的影响 ·721。 表1R104合金在时效温度760℃下各平衡相的计算成分（质量分数） TableI Calculated chemical compositions of equilibrium precipitation phases at the aging temperature of 760C % 平衡相 Ni Cr Co Mo W Nb Ta C B 37.85 23.91 3083 3.95 250 073 016 微量 Y 6538 1.48 12.29 0.30 1.28 596 698 1.71 4.56 MC 微量 微量 012 一 016 447 1631 68.28 1055 M23C6 5.26 63.32 666 19.19 048 一 5.09 M3B2 20.16 022 7066 072 817 113513.62 24.5137.321316 微量 微量 11.20 423429.19 15.74 1.54 1 um 1 um 图2过固溶热处理（固溶：1171℃2h空冷：时效：760℃8h.空冷）后Re104的SEM组织形貌山.(a)M2C6碳化物和M,B2硼化物： (b)MC碳化物 Fig 2 SEM images of Rere 104 after supersolvus heat treatment (solution:1171 C/2h.air cooling:aging:760 C/8h.air cooling):(a)MaC carbide and M3B2 boride;(b)MC carbide 2.2合金成分对TCP相的影响 含量提高而迅速增加，随C0含量提高其增加要相 22.1Co、Cr、Mo和W元素的影响 对缓慢一些，如图3()所示：故从控制合金在高温 由图1可知，Rene104合金在时效温度760℃ 工作状态下TCP相的析出量以提高合金高温组织 下存在的TCP相为u相和ō相，结合表1可知4相 稳定性来考虑可，增Co降Cr是新型高温合金成分 为富Mo、Co、W和Cr的金属间化合物，是I族 优化设计的趋势.综合考虑，第3代涡轮盘用粉末 (Mo、W等A元素)和族元素(Co、Ni等B元素) 治金高温合金的成分设计建议控制：w>17%, 组成的BA6型化合物：o相为富Cr、Co、Mo和W的 wc=13%. 金属间化合物，是(Cr,Mo,W)x(Co,Ni),型化合 TCP相析出行为随Mo和W含量而变化的曲 物，其中x与y的值可取1~7：故Cr、Co、Mo和W 线如图4所示.从图4(a)可知：当Mo的质量分数 含量对TCP相的析出行为会有一定影响. 从21%增加到2.8%时，4相和σ相均大幅地增 图3为TCP相析出行为随Co和Cr含量变化 加：随Mo含量进一步增大，4相和σ相均基本呈线 的曲线.从图3(a)中可知，随着Co含量增加，μ相 性增加且μ相的增多更为明显.μ相和σ相析出温 缓慢增加，σ相呈线性增加.由图3(b)可得，随着C0 度随Mo含量增加而升高，如图4(b)所示.4相和σ 含量增加，μ相和。相的析出温度逐渐升高：当C0 相析出温度随W含量的变化曲线如图4(c)所示：当 的质量分数wc>17%时，μ相和σ相析出温度均 ww≤44%时，μ相析出温度随W含量增大而升 高于850℃.由图3(c)可知，随Cr含量增加，σ相析 高，进一步增大W含量时“相析出温度反而降低：0 出温度逐渐增高，“相析出温度呈现先增大后减小 相析出温度随W含量增大逐渐增高.单独调整W 的变化趋势；且在wC,=13%时，μ相析出温度达到 或Mo的添加量，TCP相析出总量随Mo的增加而 最大值，4相和6相分别在906℃和880℃析出，保 迅速增加，随W含量的提高增加要相对缓慢一些， 证了合金在750~800℃下工作时无TCP相析出. 如图4(d)所示.此外，W能显著提高在高温下镍基 单独改变Cr或Co的添加量时，TCP相总量随Cr 合金中Y相的强度。减缓Y相长大和溶解1，对合

表 1 René104 合金在时效温度 760 ℃下各平衡相的计算成分(质量分数) Table 1 Calculated chemi cal compositions of equilibrium precipit ation phases at the aging t emperature of 760 ℃ % 平衡相 Ni Cr Co Mo W Al Ti Nb Ta Zr C B γ 37.85 23.91 30.83 3.95 2.50 0.73 0.16 — 微量 — — — γ′ 65.38 1.48 12.29 0.30 1.28 5.96 6.98 1.71 4.56 — — — MC — 微量 — 微量 0.12 — 0.16 4.47 16.31 68.28 10.55 — M23C6 5.26 63.32 6.66 19.19 0.48 — — — — — 5.09 — M3B2 — 20.16 0.22 70.66 0.72 — — — — — — 8.17 μ 11.35 13.62 24.51 37.32 13.16 — — 微量 微量 — — — σ 11.20 42.34 29.19 15.74 1.54 — — — — — — — 图 2 过固溶热处理(固溶:1 171 ℃/ 2 h , 空冷;时效:760 ℃/ 8 h , 空冷)后 René104 的 SEM 组织形貌[1] .(a)M 23C6 碳化物和 M3B2 硼化物; (b)MC 碳化物 Fig.2 SEM images of René 104 aft er supersolvus heat treatment (solution:1 171 ℃/ 2 h , air cooling ;aging :760 ℃/ 8 h , air cooling):(a)M23C6 carbide and M3B2 boride ;(b)MC carbide 2.2 合金成分对 TCP 相的影响 2.2.1 Co 、Cr 、M o 和 W 元素的影响 由图 1 可知 , René104 合金在时效温度 760 ℃ 下存在的 TCP 相为 μ相和σ相 ,结合表 1 可知 μ相 为富 Mo 、Co 、W 和 C r 的金属间化合物 , 是 Ⅵ 族 (M o 、W 等 A 元素)和 Ⅷ族元素(Co 、Ni 等 B 元素) 组成的B7A6 型化合物;σ相为富Cr 、Co 、Mo 和W 的 金属间化合物, 是(Cr, Mo , W)x (Co , Ni)y 型化合 物,其中 x 与y 的值可取 1 ～ 7 ;故 Cr 、Co 、Mo 和 W 含量对 TCP 相的析出行为会有一定影响. 图 3 为 TCP 相析出行为随 Co 和 Cr 含量变化 的曲线.从图 3(a)中可知, 随着 Co 含量增加, μ相 缓慢增加 ,σ相呈线性增加 .由图3(b)可得, 随着 Co 含量增加 , μ相和 σ相的析出温度逐渐升高 ;当 Co 的质量分数 wCo >17 %时 ,μ相和 σ相析出温度均 高于 850 ℃.由图 3(c)可知 ,随 Cr 含量增加 ,σ相析 出温度逐渐增高, μ相析出温度呈现先增大后减小 的变化趋势 ;且在 wCr =13 %时 ,μ相析出温度达到 最大值,μ相和σ相分别在 906 ℃和 880 ℃析出, 保 证了合金在 750 ～ 800 ℃下工作时无 TCP 相析出 . 单独改变 Cr 或 Co 的添加量时 , TCP 相总量随 C r 含量提高而迅速增加, 随 Co 含量提高其增加要相 对缓慢一些, 如图 3(d)所示 ;故从控制合金在高温 工作状态下 TCP 相的析出量以提高合金高温组织 稳定性来考虑[ 6] , 增 Co 降C r 是新型高温合金成分 优化设计的趋势 .综合考虑, 第 3 代涡轮盘用粉末 冶金高温合金的成分设计建议控制:w Co >17 %, w Cr=13 %. TCP 相析出行为随 M o 和 W 含量而变化的曲 线如图 4 所示 .从图 4(a)可知:当 Mo 的质量分数 从 2.1 %增加到 2.8 %时, μ相和 σ相均大幅地增 加 ;随 Mo 含量进一步增大 ,μ相和 σ相均基本呈线 性增加且 μ相的增多更为明显.μ相和σ相析出温 度随 Mo 含量增加而升高 ,如图 4(b)所示 .μ相和σ 相析出温度随W 含量的变化曲线如图 4(c)所示 :当 w W ≤4.4 %时, μ相析出温度随 W 含量增大而升 高 ,进一步增大 W 含量时 μ相析出温度反而降低 ;σ 相析出温度随 W 含量增大逐渐增高 .单独调整 W 或 Mo 的添加量 , TCP 相析出总量随 Mo 的增加而 迅速增加 , 随 W 含量的提高增加要相对缓慢一些, 如图 4(d)所示 .此外,W 能显著提高在高温下镍基 合金中 γ′相的强度, 减缓 γ′相长大和溶解[ 7] , 对合 第 6 期 吴 凯等:合金元素对新型镍基粉末高温合金的热力学平衡相析出行为的影响 · 721 ·

。722 北京科技大学学报 第31卷 55 945 5.0 (a) (b) 鲁一g相 930 ■一g相 45 金μ相 女μ相 AA 900 3.0 20叶 855 15 840 14161820222426 12 14161820222426 0e% Wc/%o 1100 16 量一G相 (d) 1000叶 ★一山相 14 -Cr 900 Co 800 10 700 8 600 6 400上 101112131415 101214161820222426 Wc/% 图3Rae104合金在760C时Co和Cr含量对TCP相析出行为的影响.(a)Co对TCP相析出量的影响：(b)Co对TCP相析出温度的影 响：(c)Cr对TCP相析出温度的影响：(d)Co和Cr对TCP相析出量的影响 Fig 3 Effects of Co and Cr contents on the precipitation behavior of TCPphases at 760 C:(a)effect of Co content on the precipitation amount of TCP phases:(b)effect of Co content on the precipitation temperature of TCP phases;(c)effect ofCr content on the precipitation temperature of TCP phases:(d)effect of Co and Cr contents on the precipitation amount of TCP phases 6 (a) 1000(b) S ■一0相 950 ■一0相 ▲μ相 一相 900 3 850 800 2 750 700 650 0 2.02.53.03.54.04.55.0 2.0253.0354.0455.0 Wwo % 1000(c) -Mo 980 ■一0相 W 林相 960 940 920 4 900 2 880 1.5 2.5 3.5 4.5 5.5 6.5 2.02.53.03.54.04.55.05.5 1% 1/%o 图4Ra1O4合金在T60℃时Mo和W含量对TCP相的影响.(a)Mo对TCP相析出量的影响：(b)Mo对TCP相析出温度的影响(c) W对TCP相析出温度的影响：(d)Mo和W对TCP相析出量的影响 Fig 4 Effects of Mo and W contents on the precipitation behavior of TCP phases at 760 C (a)effect of Mo content on the precipitation amount of TCP phasess (b)effect of W content on the pcipitation temperature of TCP phases;(c)effec of Mo content on the precipitation temperature of TCP phases;(d)effect of Mo and W contents on the precipitation amount of TCP phases

图 3 René 104 合金在760 ℃时Co 和 Cr 含量对 TC P 相析出行为的影响.(a)Co 对 TCP 相析出量的影响;(b)Co 对 TCP 相析出温度的影 响;(c)Cr 对 TCP 相析出温度的影响;(d)Co 和 Cr 对 TCP 相析出量的影响 Fig.3 Effects of Co and Cr cont ents on the precipitation behavior of TC P phases at 760 ℃:(a)effect of Co cont ent on the precipit ati on amount of TCP phases;(b)effect of Co content on the precipitation temperature of TCP phases;(c)effect of C r content on the precipit ation temperatu re of TCP phases;(d)effect of Co and C r contents on the precipitation amount of TC P phases 图 4 René 104 合金在 760 ℃时 Mo 和 W 含量对 TCP 相的影响.(a)Mo 对 TCP 相析出量的影响;(b)M o 对 TCP 相析出温度的影响;(c) W 对 TCP 相析出温度的影响;(d)Mo 和 W 对 TCP 相析出量的影响 Fig.4 Effects of Mo and W conten ts on the precipitation behavior of TCP phases at 760 ℃:(a)eff ect of Mo content on the precipit ation amount of TCP phases;(b)eff ect of W cont ent on the precipitation t emperature of TCP phases;(c)effect of Mo cont ent on the precipitation t emperature of TCP phases;(d)eff ect of Mo and W cont ents on the precipit ation amount of TCP phases · 722 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷

第6期 吴凯等：合金元素对新型镍基粉末高温合金的热力学平衡相析出行为的影响 ·723。 金的强度和蠕变性能有明显的改善作用8.综合考 的析出量减少，以相的析出量略有增加，这可能与 虑，第3代涡轮盘用粉末治金高温合金的成分设计 M23C6碳化物的形成能消耗相对多的Cr,从而使 建议控制：ww≤44%：在保证W和Mo的总量不 Ree1O4合金的基体中出现局部Mo和W等的富集 少于5%以保证固溶强化效果的前提下，使W含量 有关.总体而言，提高C含量可减少TCP相的析出 大于Mo. 量.从图56)可知，随B含量的增加，ō相和μ相的 2.2.2C和B元素的影响 析出量均减少，可能是因硼化物形成的同时还固结 因Rene104合金为多元素合金，各元素之间的 一定量的Mo和Cr,降低了合金基体中Mo和Cr的 相互作用也比较复杂，非固溶强化元素通过影响 过饱和度，从而减少了TCP相的析出量.热力学计 Cr,Co、Mo和W等在合金中的分布来影响TCP相 算所揭示的C和B可间接抑制TCP相析出与文 的析出行为.从图5(a)可知，随C含量的增加，σ相 献7中的实验结果有较好的一致性. 4.51 (a) (b) ■-G相 ★μ相 3.9 一 3.3 量-G相 一 ▲一μ相 爱 21 21 1.5 0 0.02.0.030.040.050.06 0802 0.0180.0240.0300.036 t0c9% t0% 图5Re104合金在760C时C(a)和B)含量对TCP相析出量的影响 Fig 5 Effects of C (a)and B(b)contents on the precipitat ion amount of TCP phases at 760C 23合金成分对碳化物的影响 尔分数).M23C6碳化物析出行为随C含量的变化 23.1C元素的影响 如图6(b)所示：其析出温度随C含量的增加而略有 图6是C含量对MC和M23C6碳化物析出行 升高，析出量却显著增加：当C的质量分数为 为影响的计算结果.从图6(a)中可看出：随着C含 0.02%~0.06%时，M23C6析出量为0.421%~ 量增加，MC碳化物析出温度略有增加，其析出量随 1.34%(摩尔分数).另外，从图6中可知，MC碳化 C含量的增加而增多；当C的质量分数为0.02%~ 物析出量在927℃附近会出现明显减少，这与其分 006%时，MC析出量为0.0164%~0.0178%（摩 解转化为M3C6碳化物有关. 16 (e (b) 0.060%C 0.060%C 0.055%C 0.0559%C (0l/ 0.050%C 0.050%C 0.045%C 0.045%C 0.0409%C 8 0.040%C 3 0.035%C 0.035%C 0.030%C 兰2 0.030%C 0.025%C 墨 0.025%C 0.020%C 4 0.020%C 600 1000 1400 1800 600 1000 1400 1800 温度K 温度K 图6Re104合金在760C时C含量对MC(a)和MsC6(b)析出行为的影响 Fig 6 Effects of C content on the precipitation behavior of MC (a)and M23C (b)at 760C 2.3.2Zx元素的影响 含量对MC和M23C6碳化物的影响见图7所示.从 从表1平衡相的计算结果可知，MC碳化物中 图7中可知，随Zr含量的增加，MC和M23C6碳化 合金元素主要为Zr,还含有一定量的Ta和Nb.Zr 物的析出量呈无规则变化：当w2r=0.04%和

金的强度和蠕变性能有明显的改善作用 [ 8] .综合考 虑,第 3 代涡轮盘用粉末冶金高温合金的成分设计 建议控制 :w W ≤4.4 %;在保证 W 和 Mo 的总量不 少于 5 %以保证固溶强化效果的前提下 , 使 W 含量 大于 Mo . 2.2.2 C 和 B 元素的影响 因 René104 合金为多元素合金, 各元素之间的 相互作用也比较复杂 , 非固溶强化元素通过影响 Cr 、Co 、Mo 和 W 等在合金中的分布来影响 TCP 相 的析出行为 .从图 5(a)可知, 随 C 含量的增加 ,σ相 的析出量减少, μ相的析出量略有增加, 这可能与 M23C6 碳化物的形成能消耗相对多的 Cr , 从而使 René104 合金的基体中出现局部 Mo 和W 等的富集 有关.总体而言 ,提高 C 含量可减少 TCP 相的析出 量 .从图 5(b)可知 ,随 B 含量的增加, σ相和 μ相的 析出量均减少 ,可能是因硼化物形成的同时还固结 一定量的 M o 和 Cr ,降低了合金基体中 Mo 和 Cr 的 过饱和度 ,从而减少了 TCP 相的析出量 .热力学计 算所揭示的 C 和 B 可间接抑制 TCP 相析出与文 献[ 7] 中的实验结果有较好的一致性 . 图 5 René104 合金在 760 ℃时C (a)和 B (b)含量对 TC P 相析出量的影响 Fig.5 Effects of C (a)and B (b)con tents on the precipit ation amount of TCP phases at 760 ℃ 2.3 合金成分对碳化物的影响 2.3.1 C 元素的影响 图6 是 C 含量对 MC 和 M23C6 碳化物析出行 为影响的计算结果.从图 6(a)中可看出:随着 C 含 量增加 ,MC 碳化物析出温度略有增加, 其析出量随 C 含量的增加而增多 ;当 C 的质量分数为 0.02 %～ 0.06 %时, MC 析出量为 0.016 4 %～ 0.017 8 %(摩 尔分数).M23C6 碳化物析出行为随 C 含量的变化 如图 6(b)所示 :其析出温度随 C 含量的增加而略有 升高 , 析 出量却显著 增加;当 C 的质量 分数为 0.02 %～ 0.06 %时 , M23 C6 析出量为 0.421 %～ 1.34 %(摩尔分数).另外, 从图 6 中可知 ,M C 碳化 物析出量在 927 ℃附近会出现明显减少, 这与其分 解转化为 M23C6 碳化物有关 . 图 6 René104 合金在 760 ℃时 C 含量对MC(a)和 M23C6(b)析出行为的影响 Fig.6 Effects of C cont ent on the precipit ation behavior of MC (a)and M23C6(b)at 760 ℃ 2.3.2 Zr 元素的影响 从表 1 平衡相的计算结果可知, MC 碳化物中 合金元素主要为 Zr, 还含有一定量的 Ta 和 Nb .Zr 含量对 MC 和 M23C6 碳化物的影响见图 7 所示.从 图 7 中可知, 随 Zr 含量的增加, MC 和 M23C6 碳化 物的 析出量呈无 规则变化 :当 wZ r =0.04 %和 第 6 期 吴 凯等:合金元素对新型镍基粉末高温合金的热力学平衡相析出行为的影响 · 723 ·