粉末高温合金平衡相析出行为的热力学对比

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2005.05.046 第27卷第5期 北京科技大学学报 Vol.27 No.5 2005年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2005 粉末高温合金平衡相析出行为的热力学对比 吴嘉伟董建新曾燕萍张麦仓 北京科技大学材料科学与工程学院高温材料及应用研究室，北京100083 摘要利用热力学平衡相计算方法及相应的高温合金数据库对Ren95,Ren88DT和3n741Hn 三种合金在平衡相析出温度范围和析出量以及之间的关联性进行了系统的热力学计算对比 分析.结果表明：三种粉末高温合金的平衡相种类基本相同，主要平衡相为Y,Y'和碳化物 M,C,MC,MC.Ren95合金中的碳化物含量要高于其他两种合金.3n741m有着较高的Y'相析 出温度和较大的析出量.随温度降低，C0和Nb从y'相中析出，在其周围富集，其中3n741m合 金中尤为明显，合金元素的偏聚度也和合金的初熔点与终熔点之差的大小有关，其熔解区间 越大即初熔点和终熔点之差越大，合金元素的偏聚度越大， 关键词粉末高温合金：热力学计算：平衡相：析出：偏聚 分类号0642 随着现代航空航天事业的不断发展，对于高 降：增加Cr含量也提高了合金的抗氧化性，使其 温合金的性能要求越来越高.由此粉末高温合 组织性能在高温下具有较高的稳定性 金便应运而生，并得到迅速发展，世界上的主要 Rene88DT和3n741Hn相对Rene95而言，C含量明 发达国家（如美、英、法、俄）都建立了自己的粉末 显下降从而降低了碳化物的含量， 高温合金体系.经过40年的发展，目前已有多个 采用Thermo-Calc热力学评估软件1与相应 牌号的粉末高温合金得到了实际应用，并且已发 的Ni基高温合金数据库进行热力学模拟计算W, 展了两代合金.应用比较广的有美国的第一代粉 通过利用系统中各相的热力学特征函数，严格的 末高温合金Rene95和在其基础上研制的第二代 热力学关系建立热力学模型，将相图和各种热力 粉末高温合金Rene88DT,以及俄罗斯的3n741Hn. 学数据联系起来，从而计算出系统中所有的热力 本文利用热力学平衡相计算手段对Ren95, 学信息，得到可能析出的平衡相. Rene88DT和3n741Hn这三种粉末高温合金的平 表1合金的主要成分 衡相析出特征以及合金成分变化对合金平衡相 Table 1 Composition of three different alloys % 的影响规律进行系统的对比分析，为粉末高温合 编号Cr Co Mo W Nb Al Ti B C 金的设计和组织控制奠定基础. René9513.08.03.53.63.53.52.50.0100.06 Rene88DT16.013.04.04.00.72.13.70.0150.03 1材料及研究方法 3n741m8.715.23.85.42.64.91.70.0150.03 Rene95,Rene88DT和3n741Hn合金的主要成 2结果与讨论 分见表1，三种合金的成分设计存在较明显的区 21热力学平衡相对比分析 别：René95和3n741Hn由于Al,Ti,Nb含量高，故两 3n741n为俄罗斯第一代粉末高温合金，性 者的y'相含量较高，Rene88DT在Rene95合金的 能优越，目前仍在大量应用，René88DT)是在 基础上降低了Al,Ti,Nb含量，从而降低了Y'相含 Rene95的基础上适当调整部分合金元素研制成 量：同时提高了W,Mo,Co含量，加强了固溶强化 的，两者的平衡相之间有一定的继承性.经热力 的效果，弥补了由于Y'相含量降低引起的强度下 学模拟计算，可以得到这三种粉末高温合金的平 衡相与温度之间的关系，如图1所示.从图1可以 收稿日期：200409-16修回日期：20041201 作者简介：吴嘉伟(1980一，男，硕士研究生 看出，三合金的主要平衡相均为Y相、Y'相和碳化

第 2 7 卷 第 5 期 2 0 0 5 年 1 0 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n i v e r s i yt o f S c el n c e a n d eT e h n o l o yg B e ij i n g V匕1 . 2 7 N O 一 5 O C t 2 0 0 5 粉末高温合金平衡相析 出行为 的热 力学对 比 吴 嘉伟 董建新 曾燕 萍 张 麦 仓 北 京科技 大学 材料 科学 与工程 学 院高温 材料及 应用 研究 室 , 北京 10 0 0 83 摘 要 利 用热 力学平 衡 相计算 方法 及相应 的 高温 合 金数据 库对 eR n 亡95 , eR n 乙8 D T 和 3n 7 4l lH 三种 合金 在平 衡相 析 出温度 范 围和析 出量 以及 之 间的关 联性 进行 了系 统 的热力 学计 算对 比 分析 . 结 果表 明 : 三 种粉 末 高温合 金 的平 衡相 种类 基 本相 同 , 主要 平衡 相为下 , 7 ’ 和 碳化物 M 23 C ` , M C , 从C . eR n 的5 合金 中 的碳 化物含 量要 高于其 他两种 合金 . 3 n7 41 朋 有着较 高 的Y ` 相 析 出温度 和 较大 的析 出量 . 随温 度 降低 , C 。 和 Nb 从丫 ` 相 中析 出 , 在其 周 围富集 , 其 中3 n7 4l lm 合 金 中尤为 明显 . 合 金元 素 的偏聚 度 也和合 金 的初熔 点 与终熔 点之 差 的大小 有关 , 其熔 解 区间 越 大 即初熔 点 和终熔 点 之差 越大 , 合金元 素 的偏 聚度 越大 . 关键 词 粉 末 高温合 金 ; 热力 学计 算 ; 平 衡相 ; 析 出 ; 偏 聚 分类号 0 6 4 2 随着现 代 航 空航天 事 业 的不 断发 展 , 对 于 高 温合 金 的性 能 要求 越来 越 高 川 . 由此 粉末 高温 合 金便 应运 而 生 , 并 得 到迅 速 发 展 , 世 界上 的主要 发达 国家 ( 如 美 、 英 、 法 、 俄 ) 都建立 了 自己 的粉末 高温 合金 体 系 . 经 过 40 年 的发 展 , 目前 己 有 多个 牌号 的粉末 高温合 金得 到 了实 际应 用 , 并且 已发 展 了两代合 金 . 应 用 比 较广 的有美 国 的第一 代粉 末 高温合 金 eR n 亡95 和 在其 基础 上 研 制 的第 二代 粉末 高温合 金 eR n 亡8 D T , 以及 俄 罗斯 的 3n 7 l4 nH . 本 文 利 用 热 力 学 平 衡 相 计 算 手 段 对 eR n 695 , eR n 拐 SD T 和 3 n 7 l4 nH 这 三 种 粉 末 高 温合 金 的平 衡相 析 出特 征 以及 合 金 成 分变 化 对 合 金 平衡 相 的影 响规律 进 行系 统 的对 比 分 析 , 为粉 末高 温合 金 的设计 和 组 织控 制 奠定 基 础 . 降 : 增 加 C r 含 量 也提 高 了合 金 的抗 氧 化性 , 使其 组 织 性 能 在 高 温 下 具 有 较 高 的 稳 定 性 . eR n 德8 8D T 和 。 n 74 l H n 相对 eR n 6 9 5 而言 , C 含 量 明 显下 降从而 降低 了碳 化物 的 含量 . 采 用 hT ~ 。曰 C al c 热 力 学评 估 软件 。 泪 与相 应 的 N i 基 高 温合 金 数据 库 进行 热 力学 模 拟计 算 l4], 通过 利用 系 统 中各 相 的热 力学特 征 函数 , 严 格 的 热力 学关 系 建立 热力 学模型 , 将 相 图和 各种 热力 学数 据联 系起 来 , 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 . 表 1 合金 的主要 成分 介b l e 1 C o m p o ,川。 n o f ht er d i fe 花. t a lo y s 编号 R e n 6 9 5 R e n 亡8 8 D T C o M o W 8 . 0 3 . 5 3 . 6 13 . 0 4 . 0 4 . 0 1 材 料及 研究方 法 eR n 6 9 5 , eR n 68 8 D T 和 , n 7 4 l H n 合 金 的主 要成 分见 表 1 . 三 种合 金 的 成分 设 计存 在 较 明显 的 区 别 : R e n 6 9 5 和 3 n 7 4 l H n 由于 A I , iT , Nb 含 量 高 , 故两 者 的丫` 相含 量 较 高 . eR n 68 8 D T 在 eR n 695 合 金 的 基础 上 降低 了 lA , iT , Nb 含量 , 从而 降低 了Y ` 相含 量 ; 同时提 高 了 W , M o , C o 含 量 , 加 强 T 固溶 强化 的效 果 , 弥补 了 由于 Y ’ 相 含 量 降低 引起 的强 度下 收稿 日期 : 2 0() 今 -() 弘 16 修 回 日期 : 20 0今12刁l 作者 简介 : 吴嘉 伟 ( 198 -0 一 ) , 男 , 硕 士研究生 3 n 74 l l川 1 5 . 2 3 . 8 5 . 4 2 . 6 iT B C 2 . 5 0 . 0 10 0 . 0 6 3 . 7 0 . 0 15 0 . 0 3 1 . 7 0 . 0 15 0 . 0 3 一r N’b一.3507 一..352149lA :0 7 内ì一勺伟J产孔 2 结 果 与 讨论 .2 1 热 力学平 衡 相对 比分析 3 n7 4l lm 为俄 罗斯 第 一代 粉 末 高温 合 金 , 性 能优 越 , 目前 仍在 大 量应 用 . R en 6 8 8D T 「5, 是在 eR n的 5 的基 础 上适 当调 整部 分 合 金元 素研 制 成 的 , 两 者 的平 衡 相之 间 有一 定 的继 承性 . 经 热力 学模 拟计 算 , 可 以得 到这三 种粉 末 高温 合金 的平 衡相 与温 度之 间的关系 , 如 图 1所 示 . 从 图 1 可 以 看出 , 三 合 金 的主要 平衡 相 均 为Y相 、 Y ` 相 和碳 化 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2005. 05. 046

572 北京科技大学学报 2005年第5期 1.0a 0.106 0.8 0.08 0.6 0.06 尔 0.4 0.04 L MC 0.2 0.02 MaCe MC MC 0 1.0 0.10© 0.8 0.08 0.6 0.06 0 0.4 0.04 L L 0.2 0.02 M.C MaCs MB: MC 0 MC 0 .0a 0.10 (0 0.8 0.08 y $0.6 标0.06 0.4 0.04 Y L 10 0.2 Y 0.02 MC MC 0MC MC MO 0= M,B:\MC 300 600 900 1200 1500 300 600 900 1200 1500 温度/℃ 温度/℃ 图1合金平衡相析出量与析出温度的计算曲线，(a,(b)Ren95:(c,(d)Ren88DT;(e,(03n741n Fig.1 Calculated dependences of precipitation phases on temperature and their partial magnification:(a),(b)Ren95;(c),(d)Ren88DT; (e,(03n741an 物MC,MC和M,C6,另外还有MB,相、μ相和σ相 表2合金中的主要析出相的析出温度范圈以及合金的熔点 存在.但由于热力学计算结果为稳定的平衡相，σ Table 2 Calculated melting point and preclpltation temperature rang of precipitation phases ℃ 相会在合金长时间使用过程中逐渐析出，故对σ 编号培点YMCM,CMC,μ 相不做详细讨论，在三种粉末高温合金中，Y'相 Rene951267-13401158973-1310789-1028956801 的含量和析出温度存在明显差异，Rene88DT中 Re0é88DT1274135011109841302816-1000832822 Y'相的含量最低(40%左右)，Y'相的析出温度也 3n741Hm1296-136012131092-1323763~1114772871 最低.而3n741Hm中Y'相含量则达到65%左右，其 析出温度也较高.碳化物的析出行为也存在差 图2分别给出了三种高温合金经各自标准热 别，Ren95由于C含量高除导致合金不同类型碳 处理后对应的SEM组织形貌.Ren95中存在大尺 化物的析出区间存在区别外，还使其碳化物含量 寸的Y'相，而Ren88DT合金中的y'相较Ren95 明显高于其他两种合金，表2列出了三种合金对 合金要小许多，并且在其晶界上有明显的碳化物 应的初熔点和终熔点、γ'相溶解温度以及碳化物 分布.有研究表明.，Rene95和Rene88DT合金固 的析出温度范围.虽然析出相的种类相同但析出 溶处理后冷却速度越快，析出γ'相的尺寸就越 条件却存在明显的差别. 小.3n741n合金在晶界上有碳化物分布，晶内则

一 5 7 2 - 北 京 科 技 大 学 学 报 20 5 年 第 5 期 一 一 一 一一 1 0 r丁, 犷 e - - -- 一一 一一 - 一 - 0 . 10 厂二戈es e 一一 一一 - - - - 一 - - 0 . 8 0 . 6 禁 “ · ” 6「 , 喇 } \ 馒 。 .04 L 叉 撅求喇馒 M ` C M去C o 0 . 10 M , 3 C ` M 卫 : \ \ \ \冷 卜.L es es 卜 0864 O0n ù 众戴咧饵 04R6 `, . … l 一U0 撅求咽馒 M 刀 C ` M ` C 0 0 . 10 0 . 0 8 拿 0 · 0 6 咧 馒 0 . 0 4 n ù nR ù ù 6 , 曰ǎùl 0 粼余馒咽 L { Iy 一一一丝 g M , 、 G 一二上聂丛三一一丛乌 _ 6 0 0 9 0() 1 2 0 0 { { 、 叮 … 。 ’ ” ’ - J O…娜竺 ~ 二生二二二二二 1 5 0 0 3 0() 6 0 0 鉴1 2 0 0 1 5 0 0 M一亡生、h, 及亡一以=o侧 r !卜| ìo n 203 温 度 /℃ 温度 /℃ 图 1 合金 平衡 相析 出最 与析 出温度 的计 算 曲线 . ( a) , b( ) eR n 四;5 c( ) , d() eR n ` 8 8D ;T e() , 价呱74 1uH F ig . 1 C alc ul a ted d e 尹. d e . e o of P . e 扣妞. 廿o n P h a姗 o n et m p e r a tU 碑 a n d 比 e 扮 P a比 a l m a g l i口c a伽 n : a() , 伍) eR n睡95 : c( ) , d( ) eR . 胡S D T ; ( e ) , 价 3 n , 4 1 . n 物 M c , M ` c 和 M o c ` , 另外 还有 眺B Z 相 、 林相和 G 相 存 在 . 但 由于热 力 学计 算 结果 为稳 定 的平 衡 相 , a 相 会在 合 金 长 时间使 用 过 程 中逐 渐析 出 , 故对 6 相 不做 详 细 讨论 . 在 三 种粉 末 高温 合 金 中 , 丫` 相 的含量 和 析 出温 度存 在 明显 差异 , eR n ` 8 D T 中 下` 相 的 含量 最低 (40 % 左 右 ) , Y ` 相 的 析 出温度 也 最低 . 而 3 n7 4 1 H n 中下` 相含 量 则达 到 65 % 左 右 , 其 析 出温 度 也较 高 . 碳化 物 的析 出行 为 也存 在 差 别 , eR 成 95 由于 C 含 量 高除 导致 合 金 不 同类 型碳 化物 的析 出区 间存在 区别外 , 还 使其 碳化 物 含量 明显 高于 其他 两 种合 金 . 表 2 列 出 了三种 合金 对 应 的初 熔 点和 终熔 点 详 ` 相溶 解温 度 以及 碳 化物 的析 出温 度 范 围 . 虽 然 析 出相 的种类 相 同但析 出 条件 却 存 在 明显 的差 别 . 表 2 合金 中 的主要析出相 的析 出温 度范 围 以及合 金的 熔点 几b l e 2 C a l e u l a t e d m e ldu g p o 场 t a n d p er c l Plat 如 n et m eP r a tU er r a . g o f P er e lP i t a d o n Ph ” es ℃ 编 号 熔 点 丫 M C .M C M 二 C 。 林 R e n 亡9 5 1 2 6 7一 1 3 4 0 1 1 5 8 9 7 3~ 1 3 10 7 89 一 1 0 2 8 9 5 6 80 1 R e n ` 8 8 D T 1 2 7 4 ~ 1 3 5 0 1 110 9 8 4 ~ 1 30 2 8 16 一 1 0 0 83 2 8 22 , n 7 4 l H n 1 2 9卜 1 3 6 0 1 2 13 1 0 9 2~ 1 3 23 7 6 3~ 1 1 14 7 7 2 8 7 1 图 2 分 别给 出了三种 高温合 金经 各 自标 准热 处理 后对 应 的 S E M 组 织形 貌 . R e n 亡9 5 中存在 大尺 寸 的丫’ 相 `6 , , 而 R e n 68 8 D T 合 金 中 的丫` 相较 eR n 6 9 5 合金 要 小许 多 , 并且 在其 晶界上 有 明显 的碳 化物 分布 . 有研究 表 明〔 ,.8] , eR n 亡95 和 eR n 6 8 D T 合 金 固 溶处 理 后 冷 却 速 度越 快 , 析 出丫` 相 的尺 寸就 越 小 . 3 n 7 4 1 H n 合 金在 晶界上 有 碳化 物 分布 , 晶 内则

Vol.27 No.5 吴嘉伟等：粉末高温合金平衡相析出行为的热力学对比 ·573· a (b) (c) 4 um 4 jam 4um 图2经标准热处理后的SEM组织形貌.(a)Rene95;(b)Ren88DT;(c)3n741Hn Fig.2 SEM images after a standard beat treatment:(a)Ren695;(b)Ren688DT;(c)n741mn 主要是Y'相.从三者的组织上看，观察到的主要 10a 的析出相同计算结果是相吻合的 ◇-C0 8 0 Nb 2.2液态偏聚对比分析 略一。 -4-W 6 ←-Mo 粉末高温合金制备的第一步就是母合金的 冶炼，母合金的质量直接影响粉末高温合金的好 坏.由于母合金的合金化程度很高，从而导致成 分偏析.三种粉末高温合金对应的初熔点和终熔 0 点温度不同.在各自的熔点区间范围内对合金元 10 素在液态中的偏聚行为进行计算，结果如图3 (b) Nb-eAl ←M0·i 所示.可以看出，随温度的降低，在液态中Nb, -4=w Mo,T的质量分数有不同程度的增加，而W,AI 一山 的质量分数则降低，其中Nb,Mo变化最为明显. 4 说明在凝固过程中，三种合金均发生Nb,Mo,Ti 的偏析现象，但各自的偏析程度不同.以Rene95 8-8=60=0 00 为例，Nb在初熔点时的质量分数为69%，终熔点 0 时则降为3.5%，降低了一半：Mo的情况也类似 10⊙ 从5.3%降至3.5%.可见合金中的元素偏聚是非 8 Cr 常明显的.在Ren95和Rene88DT合金中，Nb, --W Mo Mo,Ti,W和A1的成分变化均相当明显.3n741Hm -oAl 中除Nb,Mo变化较大外，其他元素变化不大.可 一T 一Nb 见，Rene95和Rene88DT母合金中的液态偏聚 2 较3n741Hn母合金要严重. 另外合金元素的偏聚度也和合金的初熔点 0 26012801300132013401360 与终熔点之差的大小有关，其熔化区间越大即初 温度/℃ 熔点和终熔点之差越大，合金元素的偏案度越 图3母合金液相中合金元素的偏聚曲线.(a)Ren95;(b) 大.从图3和表2均可看出，Ren88DT的熔解区 Rene88DT;(c)3n741Hm Fig.3 Calculated curves of liquid segregation:(a)Rene95;(b) 间最大，3n741n最小，而且随着温度变化在液态 Rene88DT;(c)3n741mn 中Nb,Mo和T的质量分数也相应变化，故熔解 区间元素偏聚程度自然增加.合金冶炼完成后， 23Y'相的析出行为对比分析 为减小合金元素偏聚的影响需进行均匀化退火， 以René95和3n741m合金为代表的第一代粉 而均匀化退火温度和合金的熔点有密切关系.合 末高温合金的主要特点就是Y'相含量高.Y'相的 金成分的差异造成了合金初熔和终熔温度的不 点阵常数与Y基体相近并与基体共格，因此Y'有 同，这点从表2中可以明显看出.3n741Hm合金的 较高的组织稳定性，提高了合金的高温性能.以 初熔和终熔温度要高于Ren95和Ren88DT合 Rene88DT合金为代表的第二代粉末高温合金 金，这就要求其退火温度也要高于这两种合金， 其Y'相含量和固溶温度较第一代明显下降.图4

Vb l . 2 7 N 0 . 5 吴 嘉伟 等 : 粉 末 高温 合金 平衡 相析 出行 为 的热 力学对 比 图 2 经标准 热处 理后 的 S E M 组 织形 貌 . ( a) R e n妇 5; ( b )取 n 亡8 D T ; ( e ) , . 7 4 l nH R g . 2 S E M im a g es a fet r a s at n d a dr h e a t 饥 a恤 e . t : ( a )取 . 盛9 5: ( b ) 砒 n 盛8 8 D T ; ( e ) , n 74 l H n 主 要是丫` 相 . 从三 者 的 组织 上看 , 观 察 到 的主 要 的 析 出相 同计 算 结果 是相 吻 合 的 . .2 2 液 态偏 聚 对 比分 析 粉 末 高 温 合 金 制 备 的第 一 步 就 是 母 合 金 的 冶炼 . 母 合金 的质 量直 接 影响 粉末 高温合 金 的好 坏 . 由于母 合 金 的合 金化 程度 很 高 , 从而 导 致成 分偏析 . 三 种 粉末 高温 合 金对应 的初 熔 点和 终熔 点温度 不 同 . 在各 自的熔 点区 间范 围 内对 合 金元 素在 液态 中的偏 聚 行 为进 行 计算 『91 , 结 果如 图 3 所 示 . 可 以看 出 , 随温 度 的 降低 , 在液 态 中 Nb , M O , iT 的质 量分 数 有不 同程度 的增加 , 而 W , lA 的质量 分 数则 降低 , 其 中 N b , M o 变 化最 为 明显 . 说 明在 凝 固过 程 中 , 三种 合 金均 发 生 N b , M o , iT 的偏析 现 象 , 但各 自的偏析 程 度不 同 . 以 R en ` 95 为例 , Nb 在 初熔点 时 的质 量 分数 为 .6 9 % , 终熔 点 时则 降为 3 . 5 % , 降低 了一半 ; M 。 的情 况 也类 似 从 .5 3 % 降至 .3 5 % . 可 见 合金 中的元 素 偏 聚是 非 常 明显 的 . 在 R en 亡95 和 eR 成 8 D T 合 金 中 , N b , M 。 , iT , W 和 A I 的成 分 变 化均 相 当 明显 . 3n 7 41 朋 中除 Nb , M 。 变 化较 大外 , 其 他 元 素变 化 不大 . 可 见 , eR 成95 和 R e n 68 8 D T 母合 金 中 的液 态 偏 聚 较 3 n 74 1 H n 母 合金 要 严重 . 另外 合 金 元 素 的偏 聚 度 也 和 合 金 的 初熔 点 与终熔 点之 差 的 大小有 关 , 其熔 化 区 间越 大 即初 熔 点和 终 熔 点之 差越 大 , 合 金元 素 的偏 聚 度越 大 . 从 图 3 和 表 2 均 可 看 出 , eR n 己8 D T 的熔 解 区 间最 大 , 犯 74 1 Hn 最 小 , 而 且 随着温 度 变 化在 液态 中 Nb , M o 和 iT 的 质量 分 数也 相 应变 化 , 故熔解 区 间元 素偏 聚程 度 自然增 加 . 合金 冶 炼完 成 后 , 为减 小合金 元 素偏 聚 的影 响需进 行 均匀 化退 火 , 而均 匀化退 火温 度 和合 金 的熔 点有 密切 关系 . 合 金成 分 的 差异 造 成 了合 金初 熔 和 终 熔 温 度 的不 同 , 这 点从 表 2 中可 以明显 看 出 . 姐7 l4 H n 合 金 的 初 熔 和终 熔温 度 要 高于 R en 6 95 和 R e n 亡8 8 D T 合 金 , 这就 要 求其 退 火温 度 也要 高于这 两 种 合金 . 10 陌 一代 ) 一 C O 一 - . 卜 - N b 一代李 - W - 姗 一 M O 一 { 卜 A I 一 J卜一 . 下 ` O八U 纂尔咧馒 0 l 0 ~ 刊b 一刊今一 A I 铸 ~ M O ~ 确尸 . iT . 阅一 W } ` 闷 ~ J 6 卜` 二泛一 阅 : 二 习 象馒众咧 , o ha 片~ 一一 一 ~ ~ 一 卜 一」卜一 C r -代卜一 W 一州十一 M o 一 ( ) 一 A l 一刊` 一 叭 - -. 卜 - N b 粼众喇妈 ’0 1 2 6 0 1 2 8 0 1 3 00 1 3 2 0 1 3 4 0 1 3 6 0 温度 /℃ 图 3 母合金 液相 中合 金元 素的偏 聚 曲线 . a( ) eR吐 , 孰 (b) 砒 n 吞8 8 D T ; ( e ) , u 74 1 ” n F ig 3 C a l e u l a et d e u vr e , o f Uq u id , e g代 ga 6 o n : ( a ) eR n 四5 ; ( b ) R e n 泛8 8 D T ; ( e ) 3 n 74 1 ” n 2 3 Y ’ 相 的析 出行 为对 比分析 以 R e n 69 5 和 。 n 7 4 1 H n 合金 为 代表 的第 一代 粉 末 高温 合金 的主要 特 点就 是下` 相 含 量 高 . y ` 相 的 点 阵常 数 与丫基 体 相近 并 与基 体 共格 , 因此丫` 有 较 高 的组织 稳 定性 , 提 高 了合 金 的高 温性 能 . 以 R e能 8 D T 合 金 为 代 表 的 第 二 代 粉 末 高 温 合 金 其 丫’ 相 含 量和 固溶温 度 较第 一 代 明显 下 降 . 图 4

574 北京科技大学 学报 2005年第5期 给出了三种高温合金Y'相析出温度和对应的析 10a 出量的热力学计算结果.对比分析可以看 出：3n741n有着较高的析出温度和较大的Y'相 Nb Al 析出量.同时随着温度的升高，Y'相减少.这样就 G 可以在γ'相完全溶解温度进行固溶处理，然后在 4 一个较低的温度进行时效，最后得到均匀细小的 Cr 强化相，以提高合金的性能.图5显示了y'相中 各组成元素含量随温度变化的关系曲线.可以看 Mb 出，Co,Nb随温度的降低，其在Y'相中的含量也 b) 降低，说明随温度降低Co,Nb从Y'相中析出，在 0 Ti 其周围富集.其中Nb的析出在3n741m中更加明 Co 显，这样在其Y相周围就形成了一个富集Co,Nb 的富集区. 0.7 oAl 0.6 图4 0.5 Cr Nb 新 0.4 aw 0 Mo 0.2 ▲-3n741m -o-Rene88DT 10 0.1 -Rene95 Co oL 8 Al 200 400 60080010001200 温度/℃ 养6 图4Y相析出温度和析出量的对比计算结果 Flg.4 Calculated curves ofy'phase precipltation behavior Nb Ti .Cr 2.4碳化物析出结果的对比分析 Mo 粉末高温合金中的碳化物主要有三种：MC, 600 700800900100011001200 MC,MC6.MC中的主要元素为Nb,Ti:M,C中M 温度/℃ 主要为W,Mo,Cr:MC6中的主要元素为Cr,Mo. 图5合金中Y'相各组成元素随温度的变化曲线.(a)Ren95: 随着温度的降低三种碳化物依次析出. (b)Ren688DT;(c)30741m 合金中碳化物的变化趋势见图6和图7.合 Fig.5 Calculated curves of chemical composttion in y'phase pre- cipitation:(s)Rene95;(b)Rene88DT;(c)3n741nn 金中的碳化物含量同碳含量有直接的关系，这就 0.012a) (b) 0.025 Rene95 o-Rene88DT 0.010 0.020 ▲3n741m 献0.008 本0.015 0.006 g 0.004 0.010 Rene95 0.002 -0Rene88DT 0.005 +-3n741m 0L上 0 200 400 600 800 1000 750 850 950 1050 1150 温度/℃ 温度/℃ 图6MC.(a)和MC(b)析出行为的对比分析 Fig.6 Calculated curves of MuC.phase(a)and M.C phase(b)precipitation behavior

一 5 7 4 . 北 京 科 技 大 学 学 报 200 5 年 第 5期 给 出 了三 种 高温 合 金丫` 相 析 出 温度和 对 应 的 析 出 量 的 热 力 学 计 算 结 果 . 对 比 分 析 可 以 看 出 : 3 n 7 4 1 H n 有 着 较高 的析 出温度 和 较 大 的 Y ` 相 析 出量 . 同 时随着温度的 升高 , y ` 相减少 . 这样 就 可 以在丫` 相完全溶 解温度进行 固 溶处 理 , 然后 在 一 个较 低 的温度进行 时效 , 最后 得到 均匀 细 小的 强化相 , 以提高合 金 的性 能10 . 图 5 显 示 了Y ’ 相 中 各 组成 元 素含量 随温度变化 的关 系 曲线 . 可 以看 出 , C 。 , Nb 随 温度 的降低 , 其 在丫` 相 中 的含量 也 降低 , 说 明 随温 度 降低 C o , N b 从 丫` 相 中析 出 , 在 其 周 围 富集 . 其 中 Nb 的析 出在姐 74l lH 中更加 明 显 , 这样 在其 丫` 相 周 围就 形 成 了一 个 富集 C o, Nb 的富 集 区 . ` 0丽 。 6 圣 卜卜一刁 仁一二 菜 犷 , 二 冲一 三三蓦 一 ~ - 一 iT 瞿 4卜尸 / 卜~ ~ 一一~ 卜 C r 2 匕二宜立三 W Mb 橄求喇鸽 0片2 0 0 _ C t 一~ 曰 ~ ~ 一 r 、 。 一 .曰 .门, . . . . 八 O 一 阅 W 一 ~ - 一- 一刁 M O ( e ) C 0 ,才 6 ù弓4 月j n Z ù no ǎ” ùó 撼众喇饵 40 0 6X() 8 0 0 温 度 /℃ 1 0 00 1 2 0 0 图 4 Y ’ 相析 出温度和析 出t 的对 比计算 结果 F喀4 C血 ul aet d e u ver s o f 丫 ’ P h a se p概勿lat 咖 n b e h a 对 o r 6 4 2 O l 0 8 6 4 2 一一一一 ù一NbW .2 4 碳 化 物析 出结 果 的对 比分 析 粉 末 高温合 金 中的碳 化 物主 要 有 三种 : M C , M ` C , M ” C ` . M C 中 的主 要元 素 为 N b , iT ; 从C 中 M 主 要 为 W , M 。 , C r : M 刀 C 。 中 的主要 元 素 为 C r , M O . 随着温 度 的降低 三 种碳化 物 依次 析 出〔, 1] . 合 金 中碳 化物 的变化趋 势 见 图 6 和 图 7 . 合 金 中 的碳化 物含 量 同碳 含量 有直 接的关 系 , 这就 一三址一一卜一山声二瀚~ ~ 朱= = 二全一 . 上组一闷一一 - ~ 一闷一一一一 一一一一 粼余咽饵 0 L e es es es es 一司` - - - - - 一- ` 一 - - 一一月 - 一- - 一 -~ ` - - - - 一一一几 - - - - - - 刁 6X() 7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 0 0() 1 10 1 2 0 0 温度 /℃ 图 5 合金 中7 ’ 相 各组成 元 紊随 温度 的变 化 曲线 . ( a) eR n ` , 匀 ( b ) ae .l6 8 D T ; c() 3 n 7 4 1皿 n F ig . 5 C a l e u 肠 t e d e u r v e s fO c h e . i c a l c o . p o .川。 . 坛 丫 ’ P h as e p卜 e娜诬加” 。 n : a() 取 . 妇 5 ; 伪) eR u阴 S D T ; 仕) , n 74 1 一 n 0 . 0一Z L ( a ) 0 . 0 2 5 } (b) - 一 . 卜 R e n ` 9 5 . R T 06 匡 `ùL 矛 e ., J 孔n 口 比n r曰3 巨卜l 0 . 0 10 . r 一 - 一 一 卜气 } 0 . 0 2 0 、认队、 撼 0 . 0 8 众 耀 众 0 6 0 . 0 0 4 0 . 0 0 2 一一 . 卜一 R e n四5 一 ( 卜一 R e 口乙8 8 D T 一刁卜一 , n 7 4 h m 拿 。 . 。 1 5 咧 岭 0 . 0 1 0 0 . 0 0 5 0 L es 上 es - es es 一一 ` - - - 一 - 二- , 一- 人J ` ` - - - 一里一二 - 口 O L -J 目匕 es ~ 通 J ` 一一— — J 一一 一人一压一 ` 2 0 0 4 0 0 60() 8 00 1 0 0 0 7 50 8 50 9 5 0 10 5 0 温 度 /℃ 温 度/℃ 图 ` M ” C ` (a )和 M 工 (b )析出行 为的 对 比分析 F lg . 6 C a k 囚la t e d e u r v e s o f M . C 。 P卜a s e (a ) a n d 加` C P h嫂 助 p卿lp l加 如 n b e h a v i o r 1 15 0

VoL.27 No.5 吴嘉伟等：粉末高温合金平衡相析出行为的热力学对比 ·575· 0.0051) 0.10r Rene95 一一一 0.08 9 0.004 装0.03 脑0.06 3n741Hn 怄 0.002 IRene88DT 0.04 --Rene95 00 -o-Rene88DT 0.001 0.02 ★3n741Hm 0L 0L上 950 1050 1150 1250 1350 200 400 600 800 温度/℃ 温度/℃ 图7MC(a)和μ相b)析出行为的对比分析 Fig.7 Calculated curves of MC phase(a)and u phase(b)precipitation behavior 导致了Rene95合金中的碳化物含量要高于其他 表3650℃各合金中的平衡相含量 两种合金，另外合金碳化物的析出温度区间也不 Table 3 Calculated content of equilibrium precipitation phases % 同.图6可以看出，3n741m合金中MC的析出温 编号 Y y MaCe 度区间最大，MC6开始析出的温度最低，这同合 Rene95 40.8 52.9 1.17 金中Cr元素含量低有直接的关系.3n741Hn合金 Rene88DT 54.9 37.6 0.58 中MC在析出温度区间内的析出量基本上维持 3n741Hm 31.5 60.9 0.59 在一定的水平（质量分数为I3%).而Ren95合金 3 中MC则存在一个峰值(2.4%)，在实际热处理中 结论 应加以注意，尽量避免在其峰值处热处理，在 (1)三种粉末高温合金的平衡相种类基本相 René88DT合金中MC的析出情况同3n74lHn合金 同，主要平衡相为Y,Y',M,C,M,C和MC碳化物. 相似，只是析出温度区间缩小，析出量稍有变化 (2)合金元素的偏聚度和合金的初熔点与终 (0.9%).当温度降低后三种合金都析出MC,析 熔点之差的大小有关，其熔解区间越大即初熔 出量基本上维持在一定的水平，就碳化物的析出 点和终熔点之差越大，合金元素的偏聚度越大， 行为而言，3n741Hn合金同René88DT合金除析出 Ren95和Rene88DT母合金中的液态偏聚较 温度区间不同外，析出量和析出趋势无明显区 3n741Hn母合金要严重. 别，但Rene95合金存在明显差异， (3)3n741n有着较高的析出温度和较大的y' 高温合金中由于加入了许多固溶强化元素， 相析出量.随温度降低，三种合金中C0和Nb从 因此合金中的析出相除了γ'相和碳化物外，还 Y相中析出，在其周围富集，其中3n741Hm合金中 有μ和σ相.但在镍基高温合金中因为W,Mo的含 尤为明显， 量较高，更容易形成μ相.μ相属拓扑密堆相，易 (4)Ren95合金中的碳化物含量要高于其他 在合金的晶界处析出，对合金的性能十分有害. 两种合金.就碳化物的析出行为而言，3n741皿合 从热力学平衡相的计算结果可以看出，三种高温 金与Rene88DT合金除析出温度区间不同外，析 合金都存在析出μ相的可能，而Rene95合金中 出量和析出趋势无明显区别. 的μ相的析出量最少. 参考文献 为了比较三者平衡相数量上的差别，对 Ren95,Rene88DT和3n741Hn合金来说，其工作环 [1]董建新，李昂，张麦仓.GH586高温合金析出相的热力学 模拟计算.材料工程，2003,9：7 境的温度基本上在650℃左右，故研究其在650℃ [2]Berthod P,Michon S,Martino J D,et al.Thermodynamic calcul- 时的平衡相有助于更深的了解其组织性能.在 ations for studying high temperature oxidation of superalloys 650℃时Rene95,Rene88DT和3n741Hn合金中的主 CALPHAD,2003,27:279 [3]Broz P,Bursik J,Svoboda M,et al.Theoretical and experimental 要平衡相为Y',MC6和μ相，其具体含量见表3. study of the y and y'equilibrium in Ni-based superalloys.Mater 3n741m合金的Y'相含量最高，且Y'相固溶温度 Sci Eng A,2002,324:28 也高于其他两个，故其Y'相相对来说更加稳定， [4贾成厂，石田清仁，西泽秦二，Ni-A!系中Y,Y',B相平衡的 强化效果更好， 试验与热力学分析.金属学报，1999,35(2)：193

、 b l . 27 NO 一 5 吴嘉 伟等 : 粉 末高 温合 金平 衡相 析 出行 为的 热 力学对 比 一 5 7 5 . o . o o 5 L (a) o · ’ O丽 一 ’ . ’ ~ . 一\ 卜、从丫亡盛、nl ù ó、`、J、 `里. 0 、、 `、、` ` 一.、R 盔 , 、; 、 麟厂 一. 、 0 . 0 0 4 0 . 0 0 3 , n 74 1 1丑n 冷~ ~ , ` ~ - 奋~ 山一盛山 ~ ` 0 . 0 0 2 0 . 0 0 1 象 0 · 0 6 众 翟 0 . 0 4 0 . 0 2 0 粼余咧馒 - 」卜 - R e吐9 5 一 长) - R e n 68 8 D T 一石尸 , n 7 4 l l习 1 9 5 0 1 0 5 0 1 15 0 温度 /℃ 1 2 5 0 1 3 5 0 4 0 0 6 0 0 温度 /℃ 图 7 M C ( a ) 和林相 (b )析 出行 为的对 比分 析 F ig . 7 C a l c u l a t e d c u vr e s o f M C P h . s e ( a) a . d 料 P b a , e 伪) P代 c lP i at iot n b e h a 讨 o r 编 号 M : 3 C 。 1 . 17 0 . 5 8 q60 ù 自 : ,` ,了 n 勺ù曰1 只O 6 ù矛戈 … n4 . . 1 4 ù工、J 导致 了 eR n 乙95 合 金 中 的碳 化物 含 量 要高 于 其他 两 种合 金 . 另 外合 金碳 化物 的析 出温 度 区 间也 不 同 . 图 6 可 以看 出 , 3n 7l4 l 合 金 中 M 6 C 的析 出温 度 区 间最 大 , M 23 C 。 开 始析 出的温 度 最低 , 这 同合 金 中 C r 元 素 含量 低 有直 接 的 关系 . 3 n 7 4 1 H n 合金 中 M 6 C 在 析 出温 度 区 间 内的析 出量 基本 上 维持 在 一定 的水 平 (质 量 分数 为 1 . 3 % ) . 而 eR n 6 95 合金 中 M 6 C 则存 在 一个 峰 值 (2 .4 % ) , 在 实 际热 处 理 中 应 加 以注 意 , 尽 量 避 免在 其 峰 值 处 热 处 理 . 在 eR n 68 8 D T 合金 中从 C 的析 出情 况 同。 n 7 4 l H n 合金 相 似 , 只 是 析 出温度 区 间缩小 , 析 出量 稍 有变 化 .(0 9 % ) . 当温 度 降低 后 三 种合 金 都析 出 M 23 C 6 , 析 出量基本 上 维持 在一 定 的水平 . 就碳 化物 的析 出 行 为而 言 , 3 n 74 l H n 合 金 同 R e n 68 8 D T 合 金 除析 出 温 度 区 间不 同外 , 析 出量 和 析 出趋 势 无 明显 区 别 , 但 eR n 乙95 合 金存 在 明显差 异 . 高温 合金 中 由于 加 入 了许 多 固溶 强化 元素 , 因此 合 金 中 的析 出相 除 了 Y ` 相 和碳 化 物 外 , 还 有林和 。 相 . 但在 镍 基 高温 合金 中 因为 W , M o 的含 量较 高 , 更 容 易形成 林相 . 林相 属拓 扑 密堆 相 , 易 在 合金 的 晶界 处 析 出 , 对 合金 的性 能十 分 有害 . 从 热力学 平 衡相 的计算 结 果可 以看 出 , 三 种 高温 合 金 都存 在析 出林相 的可 能 , 而 eR n 695 合 金 中 的 林相 的析 出量 最 少 . 为 了 比 较 三 者 平 衡 相 数 量 上 的 差 别 , 对 R e n 6 9 5 , R e n 6 8 8 D T 和 3 n 7 4 l H n 合金 来 说 , 其 工作 环 境 的温度 基本 上在 6 50 ℃ 左 右 , 故研 究 其在 6 50 ℃ 时 的平 衡 相 有 助 于更 深 的 了解 其组 织 性 能 . 在 6 5 0 oC 时 R e n 6 9 5 , eR n 6 8 8 D T 和 。 n 7 4 l H n 合 金 中 的主 要平 衡 相 为丫` , M 23 C 6 和 林相 , 其 具 体含 量 见 表 3 . 二74 1nH 合金 的下` 相含 量 最 高 , 且丫` 相 固溶 温 度 也高 于其 他 两个 , 故其 丫` 相 相对 来 说 更加 稳 定 , 强化 效 果更 好 . 表 3 6 50 ℃ 各合 金 中的平衡 相含 且 aT b l e 3 C a l c ul a et d e o n t e . t o f e q u il b r i u m P花 e i Pi at it o n P卜a , e s % R e n ` 9 5 R e n 68 8 D T 3 1 7 4 1 】刁】1 3 结 论 ( l) 三 种粉 末 高温 合 金 的平衡 相 种类 基 本相 同 , 主 要平 衡相 为 Y , 下` , M 刀 C 。 , 呱C 和 M C 碳 化物 . (2 ) 合金 元 素 的偏 聚度 和 合金 的初熔 点 与终 熔 点之 差 的大 小 有 关 , 其 熔 解 区 间越 大 即初 熔 点和 终熔 点之 差越 大 , 合金 元 素 的偏聚 度 越大 . eR n 四5 和 eR n 68 D T 母 合 金 中 的 液 态 偏 聚 较 3 n 74 1 lH 母 合 金要 严 重 . (3 ) 3 n7 4 l nH 有 着较 高 的析 出温 度和 较 大 的Y ` 相 析 出量 . 随温 度 降低 , 三 种 合金 中 C 。 和 Nb 从 丫相 中析 出 , 在 其 周 围富 集 , 其 中。 n 7 4 1 H n 合金 中 尤为 明显 . (4 ) eR n 的 5 合 金 中 的碳 化物 含 量 要高 于其 他 两种 合金 . 就碳 化物 的析 出行 为而 言 , 3 n 74 l H n 合 金 与 R en ` 8 D T 合金 除析 出温 度 区 间不 同 外 , 析 出量 和析 出趋势 无 明显 区 别 . 参 考 文 献 【l] 董建 新 , 李 昂 , 张 麦仓 . G H 586 高温合 金析 出相 的热 力学 模拟 计算 . 材 料工程 , 2 0 03 , :9 7 [ 2 ] B e hrt o d P, M i e h on S , Mart in o J D , e t a l . T he mr o d y n am i e e a l e u l - iat o n s fo r s t u d y i n g hi hg t e m P e r a t切 er o x ida ti o n o f s uP e ar ll o y s · C A L P H A D , 20 0 3 , 2 7 : 2 7 9 [ 3 ] B or z P, B usr 止 J , S v o b o da M , e t a l . hT e ore t i e a l a n d e x P e run e ant l s tu d y o f ht e 丫an d 下 ’ e q u ili b num i n N i- b a s e d s uP e atl l o y s . M a t e r S e i E n g A , 2 0 0 2 , 32 4 : 2 8 4[ ] 贾成 厂 , 石 田清 仁 , 西泽 泰二 . N i 一 lA 系 中y , Y ` , p相 平衡 的 试 验 与热力 学分 析 . 金属学 报 , 19 9 , 3 5 ( 2) : 19 3