钴对Fe-Cr-Ni-Co基Refractoloy26合金力学性能的影响及节钴可能性研究

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1985.03.016 北京钢铁学院学报 1985年第3期 钴对Fe-Cr-Ni-Co基Refractoloy26 合金力学性能的影响及节钴可能性研究 (北京钢铁学院高温合全教研室)陈国良庄林忠 (上海钢铁研完所) 许嘉龙 摘 要 本文研究了钻对Fe-Cr-Ni-Co基Refractoloy.26合全力学性能的影响。以镍 取代原合金中的钴配制了分别含有0、7、14和20C0%wt四种不同成份的合金。 实验测定了合金的室温和高温拉伸性能，测定了不同含钻量合金的杨氏摸堂和 切变摸量随温度变化的关系，研究了合金在565℃和不同外加应力条件下的糯变 行为。实验结果证明：降低合金含钻堂对合金的瞬时拉伸性能没有显著影响， 但显著影响合金的蠕变速率和蠕变断裂寿命。研究证明，合金的蠕变性能和合金 基体的堆垛层错能密切相关，es心ys2。文中对在Refractoloy26合金中的节钻 可能性问题也作了讨论。 一、引 言 为了正确评价钴在高温合金中的作用，合理使用紧缺的战略元素钴，近年米在钴对高 温合金的组织，性能影响方面作了不少研究1.2)。对Waspaloy合金(3)，Uclimet700合 金(4及MAR一M247合金(5的研究结果均表明，合金含钻量对高温合金的组织和性能都 有影响，而对合金揣变性能的影响尤为显著。增加合金中的含钻量，将使：合金蠕变抗力增 大〔6)，从而使合金的蠕变速竿大幅度减小，蠕变断裂寿命成倍增加，估对合金蠕变性能的显 著影响作用主要是由于钻降低了合金基体的堆垛层错能，另外钻通过对合金中y‘相的析出 量和颗粒尺寸①、形猊，碳化物的折析出量⑦、分布状态等的作用，对合金的擂变性能也行、 影响。钴对合金的瞬时力泸性能一般没有很大的影响。但付不同的合金，由于其组织结构等 方面都存在较大的差异，因此钴对它的力学性能的影响程度也是不同的35)。本文主要 通过研究钻对Refractoloy26合金力学性能及对合金组织结构的影响关系，来讨论在该 合金中节钻的可能性。 5 33

北 京 钢 铁 学 院 学 报 年 第 期 钻对 一 一 一 基 郊 合金力学性能的影响及节钻可能性研究 北 京 钢铁 学院 高温 合 金 教研 室 陈 国 良 庄 林忠 上 海 钢 铁研 究所 许 嘉 龙 摘 要 本文 研 究 了枯 对 一 一 卜 。 基 合 金 力 学性 能 的 影响 。 以 镍 取代 原合 金 中的 钻 配 制 了分 别含 有 、 了 、 和 四 种 不 同成份 的 合 金 。 实验 加乳定 了合金 的 室温 和 高温 拉 伸 性 能 ， 浏定 了不 同含枯 量合金 的杨 氏 摸 量 和 切 变模 童 随温 度 变化 的 关 系 ， 研 究 了合 金 在 ℃ 和 不 同 外加 应 力 条件 下 的蠕 变 行 为 。 实验 结 果 证 明 降低 合 金 含 钻 量对 合 金 的 瞬 时拉 伸 性 能没 有显 著 影 响 ， 但 显 著 影响 合 金 的蠕 变 速 率和 蠕 变 断 裂寿命 。 研 究 证 明 ， 合 金 的蠕 变 性 能 和 合 金 基 体 的堆垛层 错 能 密 切 相 关 ， 是 二 丫 “ 。 文 中对 在 。 合 金 中的 节 钻 可 能 性 问题 也 作 了讨 论 。 一 、 引 言 为 一 正确 评价钻在 高温 合金 中的 作 用 ， 合 理 使用紧缺的 战略元素钻 ， 近 年来在钻对 高 温 合金的组织 、 性 能影 邢句方面 作 一不 少研究 〔 ‘ · “ 〕 。 对 合金 〔“ ’ ， 合 金〔 〕及 一 合金 〔 〕的研究结 果均表 明 ， 合金 含钻量 对 高温 合金的组 织 和 性 能 都 有影响 ， 而 对合金 蠕变性能的影响 尤为 显著 。 增加 合金 中的含钻 量 ， 将 使 合金 蠕变杭力增 大〔 “ ，，从而 使合金的 蠕 变速率 大幅度减 小 ， 蠕 变断裂 寿 命 成倍增加 。 钻 对合金蠕 变性能的显 著影响作 用主要是 由于 钻降低 一 合金基 体的 堆垛 层错 能 ， 另外 钻通过对 合金 中丫‘ 相的析 出 量和额粒尺 寸① 、 形 貌 ， 碳 化物 杆的 析出 是衡 、 分 布状 态 等的 作用 ， 对 合金的 蠕变性 能 也 仃勺 、 影响 。 钻 对 合金的瞬 时 力学 性能 一 般没 有很 人的 影响 。 但 对不 司的 合金 ， 由 于其组 抓结 沟等 方面都 存在较大的 差异 ， 因此 钻对 它 们 的力 学性 能的 影响 程度 也是不 同的 〔 ， 一 ，。 本文 主要 通 过研 究钻 对 合金 力学 性能 及对合 金组织结 构的 影响 关 系 ， 来 讨论 在 该 合金 中节钻的 可 能性 。 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1985．03．016

二、实验材料和实验内容 实验选用Refractoloy26为基本合金，以镍取代原合金中的钻，配制分别含有0、7、 14和20wt%C0的四种不同含钴量合金(7)。为了研究钴在合金固溶基体中的强化作用，根 据化学分析给出的合金基体成份，配制了与上述四个不同含钴量合金相对应的固溶体合 金，其化学成份与相应含钴量合金的固溶基体成份相同，文中以Refractoloy26B(Re26B) 代表这类固溶体合金。 实验测定了Refractoloy26合金的室温硬度，测定了二类合金(Refractoloy26和Re- racto1oy26B)在室温和高温时的拉伸性能和室温到700℃之间的杨氏模量和切变模量， 研究了二类合金在565℃，不同外加应力条件下的蠕变行为。 三、实验结果 不l同含钴量Refractoloy26合金的室温硬度，室温及高温拉伸性能测试结果列于表 1中。实验结果表明：Refractoloy26合金经正常固溶和时效处理后的室温硬度值随含钻 量的增加略有提高，随合金含钴量增加，合金在室温和高温时的屈服强度(YS),极限强度 (UTS)及形变塑性均有所提高。但总的来说，钻对这些性能影响并不显著。如图1所示， Refractoloy26合金的杨氏模量(E)和切变模量(G)随含钴量的提高而增加。 表1 Refractoloy26合金硬度和拉伸性能 Properties Rocomn Temperature 565℃ 650℃ 700℃ HB. Cowt 002 0。” 8 00.20b 8 00.2gb 6 00,2 Ob 0 576 1108 26.0 522 1000 21.0 546 890 22.6 538 755 24.8 1309 0Co 309 557 1098 26.4 526 1000 22.2 538 934 23.2 521 772 25.8 307 7Co 602 1118 26.8 532 981 22.2 564 869 24.0 546 790 30.8 306 309 588 1128 26.0 532 1000 21.1 564 937 26.1 542 803 31.8 309 585 1108 27.8 569 1020 20.4 582 930 25.0 5t7 819 28.2 315 14Co 311 588 1098 26.6 564 1010 22.4 570 981 27.3 573 823 29.6 313 1128 1049 22.8 29.8 563 801 34.2 317 20C0 ,623 28.0 566 578 990 318 628 1128 28,6 575 1069 24.4 591 :974 30.6564 831 36.4 317 Mpa 普箭：At room temperature 对不同含钴量的固溶体合金Refractoloy26B合金的拉伸性能及弹性模量值也作了实 验测定，其结果证明，二类合金(Refractoloy26和Refractoloy26B)的拉伸性能和弹 性模量随合金含估量的变化关系是一·致的8？。 Refractoloy2G合金在565℃时蠕变性能随含钴量的变化关系示于图2、图3中，从 中可以看到，随合金含估量的提高，合金的最小蠕变速率显著减小。而蠕变断裂寿命成倍 提高。 34

二 、 实验材料和实验内容 实验选 用 为基本合金 ， 以镍取 代原合金 中的钻 ， 配制分别 含有。 、 ， 、 和 。 的四 种不 同含钻量合金〔 〕 。 为 了研究钻 在合金 固溶基体中的强化作 用 ， 根 据化学分析给 出的合金基体成份 ， 配制 了与上述 四 个不 同含钻量合金 相对应的 固 溶 体 合 金 ， 其化学成份与相应含钻 量合金的 固溶基体成份相同 ， 文中以 。 代表这 类 固溶体合金 。 实验测定 了 合金 的 室温硬度 ， 测定 了二 类合金 和 在室温和高温 时的拉伸性能和室温到 ℃ 之间的杨 氏模量和切 变 模 量 ， 研究 了二 类合金在 ℃ ， 不 同外加应力条件下的蠕变行为 。 三 、 实验结果 不 同含钻量 合金的室温 硬度 ， 室 温及 高温 拉伸性能测试结果列 于 表 中 。 实验结 果表明 合金经正常固溶和 时效处理后的室温硬度值随含钻 量的增加略有提高， 随合金含钻 量增加 ， 合金在室温和 高温 时的屈 服强度 ， 极限强度 及形 变塑性均有所提高 。 但总的来说 ，钻对这些性能影响并不显著 。 如图 所示 ， 合金的杨 氏模量 和切变模量 随含钻量 的提高而 增加 。 表 合金硬度和拉伸性能 二 对不 屯 同含钻 量 一 的 固溶 让 体 迸 合金 冬 合金的 拉伸性能及弹性 哥 模量值也 作 了实 验测定 ， 其结 果证 明 ， 二类合金 和 的 拉伸性能 和弹 性模量 随合金 含钻 量的 变化关系是一致的 〔“ 〕 。 合金 在 ℃ 时蠕变性能 随含钻 量 的 变 化关 系示 于图 、 图 中 ， 从 中可 以看到 ， 随合金 含钻量 的提高 ， 合金 的 最小蠕变速率显著减小 。 而 蠕变断裂寿命成倍 提高

2.1 0Co 1.7 口14C0 y 20Co 8. 7.5 6.5 0100200300400600:600700 温度(C) 图1不同含钴是合金的弹性模量(E和G)值。 对所取实验应力下的不同含钻量合金蠕变性能数据回归分析结果表明，合金含钴量对 蠕变方程中的应力指数没有影响，不同含钻量的Refractoloy26合金稳态蠕变速本方程可 用下式表示： 1200 12 10 1000 8 300 6 600 400 D 2 200 10 20 10 20 W:°iCu Wt9s Co X 608Mpa 628Mpa 647Mpa X 608Mpa 628Mpa 647Mps O686Mpa A 706Mpa X 726Mpa O686MpaA 706Mpa X 726Maa 图2钻对Refractoloy26合金稳态蠕变速 图3钴对Refractoloy:26合金蠕变断 率的影响 裂寿命的影响。 35

︵昌。月沙石勺‘‘ 喇蟋俐孕 心 忍 乞滚山公州﹀叭 班娜霉喇 一 协 一 昌 叮 、 ，‘ ‘ 一 ‘ 温度 。 图 不 同含钻 量合金 的弹性模量 和 值 。 对所取实验 应力下 的不 同含钻 量合金蠕 变性能 数据 回 归分 析结 果表 明 ， 合 金含钻 量 对 蠕 变方程 中的应力 指数没有影响 ， 不 同含钻 最 的 合金稳态蠕变速率方程 可 用 下式表示 言伶︶ 睿婿渊索 臀州周户份︶场。工二 托 二之澳 叨百 。 遥 弋 甲 △ 图 钻对 合金稳态蠕变速 率的影响 卫 甲 △ 日 图 钻对 合金蠕 变断 裂 寿命的影响

es=Coln (1) 其中：C-f(Cw6wt) (2) 10 是合金含钴量的函数，随含钴量增加， 合金蠕变速率减小，C值减小。 同样，对合金蠕变断裂寿命与外 bD少 应力之间的关系作回归处理可得到： 配 哝 tf=Bo-10.7 (3) 其中B也是合金含钻量的函数。 10>5 合金的最小蠕变速率与蠕变断裂寿 命之间满足e:mjntf=K的关系，对Re- fractoloy26合金而言，m=0.981,接 LLLa 100 1000 近于1。图4中表示了双对数坐标下的 新裂方命（小时） e,一tf关系。在所取的实验应力范围 图4 Refractoloy26合金蠕变速率与断 内，合金的e,~tf之间具有很好的线性 裂寿命关系 关系，R=0.9964。 四、实验结果讨论 在Refractoloy26合金中，钻对合金的显微组织(7)和力学性能均有影响。对合金瞬时 力学性能的研究结果表明，Refractoloy26合金和Refractoloy26B固溶体合金的性能随 含钴量变化具有相同的趋势〔8)。由此可以认为，钴虽然对合金中的Y'相，碳化物相的析 出及Y~Y'相点阵错配度等组织参数都有影响，但这些组织参数的变化对合金瞬时力学性能 并不产生明显的影响作用，而估对这些性能的影响主要来自於钴对固溶基体的强化作用。 实际上，合金组织随含钴量的变化，对合金性能的影响有着二个不同的方面：碳化物 量的减少，品界分布状态的改善，Y'相颗粒尺寸的减小等都是有利于提高合金性能的，但Y' 相析出量的减少等将对提高合金性能带来不利的影啊〔7)。因此，这些组织因素的综合作 用结果并不明显影响合金的力学性能，而使周溶体合金和有第二相存在的合金性能随含针 最的变化具有相似的趋势。 估对Refractoloy26合金固溶基体的强化作用主要来自于以下原因：钻加入合金中可 能引起某种电子因素的变化，从而使合金基休中原子间结合力增火。这反映为随着含钻量 的增加，合金的弹性模量(E和G)值提高，基体点阵常数下降(7)，而这时参数都是和原 子间结合力有关的。另外钻进入合金基体，将改变合金中的堆垛层错结构，使层错宽度增 大，位错束集团难，合金得到强化。钻和基体中原子尺寸的差异也可引起一定的强化效 应，但一般不是很大的。 相对于合金的蠕变性能而言，钻对合金瞬时力学性能的影啊是比较小的，即使从原合 金中把钴全部替代出来，其瞬时力学性能的降低并不很大。但是对Refractoloy26合金蠕 变试验结果表明：钴对合金的蠕变性能具有显著影响。当含钴量从0%wt增加到20%Wt 时，合金在所取应力范围内的最小蠕变速率大致降低3,5~4.5倍，蠕变断裂寿命延长约 36

。 二 仃 一。 其 一 《，梦石 ‘ ‘ 是 合金 含钻 量的 函数 ， 随含钻 量 增加 ， 合金蠕变速率减小 ， 值减小 。 同样 ， 对合金 蠕变 断裂寿命与外加 应力 之 间的 关系作 回归处理可得到 一 · 其中 也是合金 含钻量的 函数 。 合金的最小蠕变速率与蠕变断裂 寿 命之间满 足 。 。 。 二 的关系 ， 对 合金而 言 ， 二 ， 接 ‘ 、 。。 户五 ︸ 瞥例叫份沪 近于 。 图 一 关 系 。 中表示 了双 对数坐标 下 的 在所取 的实验 应 力 范 围 断裂寿韶 小时 内 ， 合金 的。 。 一 之 间具有很好的线 性 关系 ， “ 。 图 合金 蠕变速率与断 裂寿命关 系 四 、 实验结果讨论 在 合金 中 ， 钻对合金的显微组织 〔 〕和力学性能均有影响 。 对合金瞬时 力学性能的研究结果表明 ， 合金和 固溶体合金的性能 随 含钻量 变化具有相同的趋势 〕 。 由此可 以认为 ， 钻 虽然对合金 中的丫 ‘ 相 ， 碳化物相 的 析 出及 竹 丫 ’ 相点阵错配度等组织参数都有影响 ， 但这 些 组 织 参数的变化对合金瞬 时力学性能 并不产生 明显的影响作用 ， 而钻对这些 性能的影响主要来 自放钻对固溶基体的强化作用 。 实际上 ， 合金组织 随含钻 量的变化 ， 对合金性能的影响有着二个不 同的方面 碳化物 量的减少 ， 晶界分布状态的改善 ， ‘ 相颗粒尺 寸的减小 等都是有利 于提高合金性能的 ， 但丫‘ 相析出量的减少等将对提高合金性能带 来不利的影响〔 〕 。 因此 ， 这些 组 织 因素的 综 合 作 用结果并不 明显影响合金的 力学性能 ， 而 使 固溶体合金 和有第二相存在的合金性能随含钻 最的 变化具有相似的趋势 。 钻 对 合金 固溶基体的强 化作用主要 来 自于 以下原 因 钻加 人合金 中可 能 引起 某种电子 因素的变化 ， 从而 使合金基体 中原 子 间结合力 增大 。 这反映为随着含钻量 的 增加 ， 合金的弹性模量 和 值提高 ， 基体点阵常数下降〔 〕 ， 而 这时参数都是和原 子 间结合 力有关的 。 另外钻进入合金基体 ， 将改变合金 中的堆垛层错结 构 ， 使层错宽度增 大 ， 位错 束集团难 ， 合金得到 强化 。 钻 和基体 中原 子尺 寸的差异也可 引起一定 的 强 化 效 应 ， 但一般 不是很大的 。 相对于合金 的蠕变性能而 言 ， 钻对合金瞬 时 力学性能的影响是 比较小的 ， 即 使从原 合 金 中把钻全部替代 出来 ， 其瞬 时力学性能的降低 并不很 大 。 但是对 吐 合金蠕 变试验结 果表 明 钻 对合金 的蠕变性能具有显著影响 。 当含钻量从。 增 加 到 时 ， 合金在所取应力范围 内的最小蠕 变速率大致降低 ， 倍 ， 蠕 变断裂寿 一 命 延 长 约

3.5倍。 山(1)式表示的不同含钻量合金录小糯变速率方程中可以看到，钻对合金蠕变速率 的影响表现为方程中的系数C随含钻量的增加而减小。由实验结果可以求出四种不同含钴 量合金的平均C值及C值与合金含钴量之间的关系式，将其代入(1)式得： e.=2.890×10-33(1-4.08×102Co%wt)g10 (4) 图5是双对数坐标下的e~（1-4.08×102C0%wt)00关系曲线。 根据钴不影响蠕变方程应力指数的事实，可以推测钴不影响Y'相的第二相强化作用， 而钴对合金蠕变性能的影响主要也来自于钴对合金基体的强化作用。为了确证这个论点， 对具有和Refractoloy26合金基体相同成份的固溶体合金的蠕变行为作了类似的研究。图 6所示的是这类合金的蠕变性能随含钻量的变化关系。实验结果证明，在固溶体合金中， 钻同样不影响蠕变应力指数，不同含钴量的固溶体合金的稳态蠕变速率方程式可以通过对 其蠕变测试数据作归一化处理而得到： 10 I00 0 60 10 】0- 40 20 0 16- 15 22 500 550 6v0 63070050 Wt'Co (1-1.08x10Ca0,元a 226Mpa O265Mp A304Mpa X343Mpa日382Mpa 图5 Refractoloy合金蠕变e:~(1-4.08× 图6钴对Refractoloy26D合金蠕变 102C0%wt)1:o0关系曲线。 速率的影响 e,=4.165×10-18(1-3.980×10-2Co%wt)g516 (5) 由式(5)可得到如图7所示的双对数坐标下固溶休合金中，~(1-3.980×102C0%wt)。 0关系曲线。 比较式(4)和(5)可以看到，合金含钻量对蠕变速率的影响项分别为Refractoloy 26合金中的（1-4.08×10-2Co%wt)和固溶休合金中的(1-3.98×10-2Co%wt), 二者近似相等，取为(1一0,04C0%wt),则(4)和(5)二个方程分别可表示为： 37

倍 。 山 式 表示 的不 同含钻 员 合金 放小蠕 变速率 方程 ， ，可 以看到 ， 钻 对合金蠕变速率 的 影响 表现为 方程 中的系数 随含钻 量 的 增加而 减小 。 由实 验结 果可 以求 出四种不 同含钻 量 合 金 的平 均 值及 值与合金 含钻量 之 间的关系式 ， 将其代入 式得 二 二 义 一 一 一 ， ， ‘ 图 是双对数坐标下的 介一 一 义 一 “ 。 青 关 系 曲线 。 根据钻 不影响蠕变方程 应 力指数的事实 ， 可 以推测钻 不影响 ‘ 相的第二相强化作用 ， 而钻 对合金 蠕 变性 能的影响 主要也来 自于钻 对合金基体的 强化作用 。 为 了确证 这个论 点 ， 对具 有和 合金基体相同成份的 固溶 体合金的蠕变行为作 了类似的研究 。 图 所示 的 是 这 类合金 的 蠕 变性能随含钻 量 的 变化关 系 。 实验结果证 明 ， 在 固溶体合金 中 ， 钻 同样不影响 蠕变应 力指数 ， 不 同含钻 量 的 固溶体合金 的稳态蠕变速率 方程式 可以通过对 其蠕变测试数据作 归一 化处理而 得到 一︸︸门 一 一 ‘ 绍 几粼 尹 ︹，的。。 咨哥州‘矿 ，。 卜 欲‘ 、 皿 。 阵愁里 二 一 － 一一 丈 二 二 吕 二 一叭 ﹄。甲铃用粼鉴 “ 。 。 。 。 一下而 飞、 ‘ 。 协 岁 △ ‘ 口 一 图 合金 蠕变。 喜一 一 义 一 ’ 。 关 系 曲线 。 图 钻 对 合金蠕变 速率的影响 。 一 一 一 。 ’ 由式 可得到 如图 所示 的双 对 数坐标 下 固溶体合金 中二 。 一 〔 一 火 。 一 。 击 关系曲线 。 比 较式 和 可 以看到 ， 合 金含钻 量对蠕 变速率 的影响项分 别 为 合 金 中的 一 火 一。 一 和 固溶休合金 中 的 一 又 一 ， 二 者近 似相等 ， 取为 一 。 ， 叫 。 ， 则 和 二个方程分 别 可表示 为