D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1985.04.006 北京刑铁学院学报 1985年第4期 铁对镍基铸造高温合金组织性能 以及针状相析出动力学的影响 产深会全故所宝葛占英叶锐雷孙金费* 摘要 本文采月不同的热处理制度，着重研究了铁(0~25%)对Ni一C一Mo一A1 一Ti型镶基合金σ相析出动力学以及对合金性能的影响。研究结果表明：在镍基 锊造合金中，σ相的形成与铁含量有密切关系；铁可以明显改变合金元素在Y一Y' 中的分配关系，并提高合金的平均电子空位数N,从而促进σ相析出，随着铁含量 的增加，合金的持久强度降低，但对拉伸性能影响较小。 一、前 言 镍基高温合金具有较好的热强性和组织稳定性，在航空，航海以及石油化学1工业等方面 都得到了广泛的应用。由于镍为稀缺金属而且价格昂贵，.因此在民用方面推广受到一定限 制。为此，试图以铁取代部分镍。国外对铁在镍基高温合金中的作用进行了一定的研究，国 内也略有报导，但缺乏系统性1作。 为此，衣文着重研究了铁在镍高温合金的作用。运择K。铸造合金为研究对象。在 该合金中分别加入5%Fe、10%Fe、15%Fe、20%Fe、25%Fe(合金中镍含量依次减少)， 合金成分见表(1)。根据铁含量不同，观察热处理后合金中σ相的变化，测试不同铁含量 对合金性能的影响，这一系统的研究结果，不仅具有理论意义，而且具有实际价值。 表1 试验合金的化学成分（重量%） 成分 《 C Cr Mo Ti B Zr Ni Fe 炉号 1 0.082 14.96 5.25 3.84 2.71 0.10 0.11 72.340 2 0.08 14.39 5.75 3.85 2.60 0.08 0.03 65.31 1.7 3 0.10 14.69 5.45 3.90 2.53 0.0750.12 62.84 10.5 4 0.078 14.88 5.37 3.85 : 2.55 0.075 0.01158.46 15.80 5 0.10 14.57 5.37 3.90 2.63 0.076 0.11 53.28 20.6 6 0.11 14.85 5.55 3.85 2.57 0.082 0.11 47.98 25.6 “参加者还有：王惠，杨莲隐，刘惠香等。 43
北 京钢铁 学】完学报 年 第 期 铁对镍基铸造高温合金组织性能 以及针状相析出动力学的影响 离退 合全 长研 宜 葛 占英 叶锐曾 孙 金贵芳 摘 要 本文采 用 不 同的热处理 制度 ， 着重研 究 了铁 对 一 一 一 一 型镍基合 金 相析 出动力 学 以及 对合 金 性 能的影 响 。 研 究结果表 明 在 镍基 铸 造合 金 中 ， 相 的形成 与铁含量 有 密切 关 系 铁 可 以 明显 改变合金 元 素在 一 产 中的分 配 关 系 ， 并 提 高合金 的平 均 电子空 位 数可 ， 从 而 促进 相析 出 随着铁含量 的增加 ， 合 金 的持久 强度 降低 ， 但 对拉伸性能影 响较 小 。 一玺‘ 习一 一 、 西 镍 基高温合金具 有较 好 的 热 强性和 组织稳定性 ， 在航 空 ， 航 海 以 及石 油化学 仁业等方面 都 得到 了广 泛 的 应 用 。 由于 镍为 稀缺 金属 而且价格 昂贵 ， 因此 在 民用 方面推广受 到一定 限 制 。 为此 ， 试 图 以 铁取 代 部分 镍 。 国外对 铁 在镍基高 温合金 中的 作用 进 行 了一定的 研究 ， 国 内也略有报导 ， 但 缺 乏 系统 性 一 ’ 作 。 为此 ， 木文 着重 研究 了铁 在镍 钱高 温合金 「扫的 作用 。 选 择 。 铸造 合金为 研究对 象 。 在 该 合 金 中分另 加入 、 、 、 、 合金 中镍 含量 依 次减少 ， 合金成分见 表 。 根据 铁 含量 不 同 ， 观察 热 处理后 合金 中 相 的 变 化 ， 测试 不 同铁含量 对合金性 能 的 影 响 ， 这 一 系统 的 研 究结果 ， 不 仅具有理论 意义 ， 而且具 有实际价值 。 表 试 验合金的 化学 成分 重量 亨不‘ 石甲仁 炉 号 ， ， 自山，土‘ 任口沼 任八吸上︸通月 … 任匕叮几八︻月 衬自︸﹄移八氏口﹄‘ 。 匕勺一 厂 乙以叮口‘且 工 … 只户口 ︻，八‘ 匀一︼ … ，土，，，上， 性场任路任月月月 八 朴 参加 者还 有 王 惠 ， 杨莲 隐 ， 刘惠香 等 。 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1985．04．006
二、实验方法 试料用真空感应炉冶炼，浇注成五公斤钢锭，再经真空重熔铸成试棒，并按以下热处理 制度进行处理：980℃/5小时/空冷。为了进一步研究铁对合金组织的影响，又分别在750℃、 800℃、860℃、900℃、980℃温度下时效3、5、10、50、100、200和500小时。 将不同含铁量的合金，经980℃/5小时/空冷处理后，制成φ5mm,有效长度为25mm的 试棒，在ZDM型10吨拉伸材料试验机上进行800℃高温拉伸试验。在BΠ一2型持久试验机上 进行816℃、34公斤/mm2持久试验。 鉴别析出相所用浸蚀剂为：60m1HC1+8克CuSO4+2m1H2SO,+30m1H2O,浸 蚀后在Neo phot一1型光学显微镜上观察并拍照。 用物理化学相分析进行有关相的电解剥离及成分分析、用粉末法（德拜法）及X光衍射 线定量分析法(K值法)测定各晶体结构及σ相的量。 用二次碳复型和一次萃取在日立H~700型透射电镜上进行形貌观察及选区电子衍射并 拍照。·用扫描电镜研究析出相的形貌及组成。 三、试验结果 1. 铁对长期时效σ相桥出的影响 有兰APD-1D型*光我 异Ke辐C一K (SA/01'2)8W- 电镶：2脑A电压4作kV (MA79S72 (MA/EO'S)-60'c KW/LBZ1)OW (M/Es'1) C41c05.1) 199o 57 N 图1 K。合金X光衍射线条 44
二 、 实验方 法 试 料用真空感应炉冶炼 ， 浇注成五公斤钢 锭 ， 再经真空重熔铸成试 林 ， 并按 以下 热 处理 制 度进行处理 ℃ 小时 空冷 。 为 了进一 步研究铁对合金 组织 的影 响 ， 又分别 在 ℃ 、 ℃ 、 ℃ 、 ℃ 、 ℃温度下 时效 、 、 、 、 、 和 小时 。 将不 同含铁量的合金 ， 、 经 ℃ 小时 空 冷处理后 ， 制成小 ， 有效长度 为 的 试棒 ， 在 型 吨拉伸材料试 验机 上进行 ℃高温拉伸试 验 。 在刀’ 一 型持久 试 验机 上 进 行 ℃ 、 公斤 持久试 验 。 鉴另析 出相所 用 浸蚀剂为 克 ‘ 玉王 ， 浸 蚀后 在 。 一 型光学显微镜 上观察并拍照 。 用物理 化学相分析 进行 有关相 的 电解剥 离及成 分分析 、 用粉末法 德拜法 及 光衍射 线定量 分析法 值法 测定各晶体结构及 相 的量 。 用二 次碳复型和一 次萃取在 日立 一 型 透射电镜 上进 行形 貌观察 及选 区电子衍射 并 拍照 。 用扫描 电镜研究析 出相的形貌及组成 。 三 、 试验结果 铁对 长期时效。 相析 出的影响 炙兰几枕卜，。 月 充仪 杯人 盆 翻 粉 一拢‘ 电峨 。 习二流 电场 心 甘 图 。 合金 光衍射线条
K。合金在正常状态下有五个主婴州1：Y一 固溶体，Y'相(Ni,Al'Ti)、MC型碳北物、 M,B2型硼化物和M23C。型碳化物，共Y光 射结果见图1，组织形貌相见图2。长期效 究表明1合金组织稳定，不出现TCP相 (包括o相)。 含有25%Fe的合金，经过正常热处理后 的X光衍射线条见图3，其组织形貌见图4。 将图3与图1比较，发现图3比图1多出：几儿条 图2 花朵状Y'共晶组织（无针状相） 强衍射线条，根据ASTM卡片鉴定为σ相； 800× 经扫描电镜能谱分析（见图5），该相为(Fe、Ni) (Mo、Cr)型。 后型A州一-10型x意rK 时1K445Fg。 剩(-K 电流25mA 电压40kV M)o-Ii 57 N 图3 含25%Fe的合金的X光衍射线条 图4扫描电镜形貌相（有针状相） 图5含25%Fe合金中针状相扫描电镜 10000× 能谱图 45
。 合 金在 正常状态下 有五 个 士 要相 丫一 固溶 体 ， 丫’ 相 。 ’ ’ 、 人 型猫 化 吻 、 。 型硼 化物和 。 型碳 化物 ， 妇 光衍 射 结果见 图 ， 组织 形貌相 见 图 。 一 长期 时效 研究表明 山 合 全组织 稳 定 ， 不 出现 相 包括 。 相 。 含有 的 合企 ， 经 过 正常热 处州后 的 光衍 射 线 条见 图 ， 其 组织形 貌见 图 。 将图 与图 比较 ， 发现 图 比图 多出 几条 强 衍 射线 条 ， 根据 卡片鉴定 为 相， 经 扫描 电镜能谱分析 见 图 ， 该 相 为 。 、 图 花朵 状 洲 共晶组 织 无针状相 火 、 型 。 ‘ 叫卜、勺公︸气储象二 终念沙︸ 、一‘ 矛。 姿 ， 召 社器︸ 份 日六 ‘ 一 里 ‘ 充 一夕，吐 ， 飞鱿，诊 ，肠 ‘ 一 相 封仇 一 衬 ‘ 电流 么 电压 ‘ 分 知勺牙于‘鹅了 ‘ 渗八 ， 魂之 生 、 牙仑倪助， 卜 诊乙忍、目乓公 、吐葱翻口七 霉万勺一，六‘召 ·闪 逆一 户 月叼 认、盆 ， 匀 活、人七， 月‘切 考， 亨 口，奋 峨盆讨 公心帅目苗气 ﹄︸ 盆︶艳，一 气跳，。 寸片 。 二盆、二人毖的 ，︸咬卜次的八 尔之峨﹄、 右 棋以占，‘︸ 切，、忿一自伙娜的 写气一 沙、忿︶气﹄奋‘日 跳一 、 ‘ 欢祖形︸ ，。二 容八﹄峭以君盆匕，“‘ 渗决︸丫、篇性月汉侣，工 红联、 卜知月、台皿气，助口” 赶夕口盆喊扭哥气、‘苦吕‘二 卜二砚里，代劝丹拍、· 。 ﹄曰 目‘ ‘ ‘ 一 图 含 的合金 的 光 衍射线条 图 扫描 电镜形貌相 有针状相 火 图 含 合 金 中针 状相扫描 电镜 能谱 图
针状相的电镜衍时见图6和图7。取形 貌相见图8。 60沙 230 上述结果都证明针状相为σ相，正方结 构，点阵常数为：a=8.80,c=4.54。 20 为了从理论上证明σ相析出的可能性，对 66 不同铁含最的合金，进行了平均电子空位数计 算【1，绘制成图9和图10。 33 9 720 820 010 110 410 0 000 10 800 图6σ相的衍射班点图象 图70相〔001)晶带电子衍射谱的标定 0.30 0.20 0.30 0.00 出 0.04 0.20 图8σ相形貌（萃取相） 0.00 2,70 1.30 2.60 名1 1.10 2.50 0.90 2.40 0.70 2.30 0.60 2.20 0.50 2.10 0.40 2.00 0.306 10 20 30 Fe,% Fe,% 图9Nv随合金中含Fe量的变化 图10 合金元素带入基体的电子空位数分 量随含Fe量的变化 46
针状相 的 电镜衍射见 图 和 图 。 羊取 形 貌相见图 石 含已 必 。 “ 。 的 。。 肠 ， 日，口公司‘ 一八叼 月目 自月‘弓、 ， 认 上述结果都 证明 针 状相 为 相 ， 正 方结 构 ， 点阵 常数 为 。 二 息 ， 一 ‘ 、 。 为了从理论上证 明 相析 出的可能性 ， 对 不同铁含复的合金 ， 进行 了平均电子 空位数计 算 ， 绘初成图卿图 。 一 二 … 二件 日 图 相的衍射班 点图象 图 相 〔 〕 晶带电子衍射谱 的标定 弓 几 一一 一 一 一 一 牙 。 。 匕 图 。 一 。 相形貌 萃取相 丫 。 。 〔 乙 。 吸 。 酬饭氧侧理长矢州过甚汉瑚擎巾降 祀训级渡过侧卿除巾卜 乞 加 台 图 。二 。 井盆 ﹃卜一川十 一 ﹂ ︸响 户去 卜 ， 名 刃 、 随合金 中含 量 的变化 图 合 金元 素带入 基体 的电子空位 数分 量 随含 量 的变化
从图中看出，合金随着含铁量的增，平均电子空位数N,不断增。根据合金元素对 电子空位数（，)资献的大小，不难判断N,的增加主要是由铁造成的。因为σ相是一种电 子化合物，它的形成主要受电子因素控制。 2.σ相析出动力学一C曲线 将不同铁含量的合金，在不同时效制度下热处理后，制成金相样品，分别进行观察，得 出σ相综合析出动力学曲线一C曲线（见图11~14）。 1300 KG+15Fe 1150 1050 w- 1000 900 + 800 750 、 700 650 方一古6古80一000前08on一流的1市0流0 ar- 图11含有15%Fe的合金0相动力学曲线 曲线1-析出开始，曲线2-析出怒了 1200 K6+20Fe 1150 -1o 1050 1000 850 4 7o 士一才吉言78拉—20一动0前动8一2城4050前 hr- 图12含有20%Fe的合金0相动力学曲线 曲线1-析出开始，曲线2-析出怒了 47
从图 中看 出 ， 合金随着 含铁量 的 增加 ， 平 均电子 空位数 西 ， 不 断 增加 电子空 位数 万 贡献 的 大小 ， 不难判断 西 的 增加 主 要是 由铁造 成的 。 子 化合物 ， 它 的形成主 要受 电子 因素控 制 。 相析 出动 力学－ 曲线 将不 同铁含量 的 合金 ， 在 不 同时效 制度下 热 处理后 ， 制 成金相 样 品 ， 出口 相综 合析 出动力学曲线－ 曲线 见 图 。 。 根据 合金元 素对 因为 。 相 是一 种 电 分别 进行观察 ， 得 卜 户 户 沪 户 卜 产 护 ， ，，工‘‘孟 臼 巴曰 甘爪曰︸ ﹄ 护一 咋臼七‘﹄了 谁〕 件找户 一 臼 图 含有 的合金 相 动力学 曲线 曲线 一 析 出开始 ， 曲线 一 析 出桩 了 尸。 户 洲 ‘ 尹 ， 沙 砂 ℃上 嫩脚 曰 一 去 ‘ 以 卜 － ，， 肠 仓】 〔 以 刃琳刀〔触 七口﹄月了︺已︸ ︺甘 ‘护，， 图 含有 的合金 相 动力学 曲线 曲线 一 析 出开始 ， 曲线 一 析 出鹅 了