GH220合金中γ′强化相

D0I:10.13374/j.issn1001053x.1986.s1.003 北京钢铁学院学报 1986年6月 Journal of Beijing University Special issue 专拼1 of Iron and Steel Technology 61、1986.6 GH220合金中Y强化相 叶锐曾葛占英孙金贵高良许庆芳俞同丰 张润岗 (高温合金教研室) (化学中心) (420厂) 摘 要 研究了GH220化学成分及含量，Y·析出倾向性及晶体结构、错配度、合金元素对Y·量的影响以 及Y·的形态、尺寸、长大规律。 关键词高温合金、Y,强化相、时效 Gamma Prime Strengthening Phase in Superalloy GH220 Ye Ruizeng Ge Zhanying Sun Jingui Gao Liang Au Qingfang Yu Tongfeng Zhang Rungang Abstrace The chemical composition and content of superalloy GH220,precipitation tendency of Y'and crystal structure,-misfit of gamma prime are studied. The effect of alloying elements on the content of gamma prime,on the growth rule and the change of its shape and size are researched. Key words:surperalloy:strengthening phase;ageing 前 言 GH220合金的各种力学性能与主要强化相~一Y'的本质、数量、形态、尺寸、分布及 长大倾向等密切有关，因此从不同角度研究Y'强化相的变化规律显然对掌握一个合金是必 不可少的。 1实验方法 应用金相、电镜、X射线衍射、物理化学相分析等综合相分析法进行了Y'析出相的研 究。850和900℃长时时效分别在北京钢铁学院高温合金教研室和420厂治金处进行。 13

匀 年 月 专 辑 北 京 钢 铁 学 院 学 报 冲 、 、 二吮弓 合金 中 叶锐曾 葛 占英 孙金贵 高 良 丫 强化相 高温合金 教研室 许庆芳 化 学 中心 俞同丰 张润岗 厂 摘 要 碑 日映 研 究 了 。 化 学成 分及含 量 ， 丫 ‘ 析 出倾 向性及 晶体结构 、 错配度 、 合金 元 素对 丫 ， 量 的影 响以 及 丫 ， 的形 态 、 尺寸 、 长 大规律 关键词 高温合金 、 粉 强化 相 、 时 效 “ ” 人。 ” ” 幼扮 ‘ 夕 ‘ 可 夕 。 夕 夕 夕 ， 门 丫了 一 ， ℃ ， ， 乡 前 言 。 合金 的各种力 学性能与主要 强化相 一 丫‘ 的 本质 、 数量 、 形 态 、 尺 寸 、 分布及 长大倾 向等密切 有关 ， 因此从不 同角度研究 丫 ‘ 强化相 的变化规律显然对掌握一个合金是必 不 可少 的 。 ，即尸喊 实 验 方 法 应用金相 、 电镜 、 射线衍射 、 物理化 学相 分析等综 合相 分析法进行 了 丫 ‘ 析 出相 的研 究 。 和 ℃ 长时时 效分别 在北 京钢铁 学院 高温合金 教研室 和 厂 冶金处进 行 。 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1986．s1．003

2结果及讨论 2.1晶体结构及错配度 经X光衍射确定(1)，Y'为面心立方有序结构，在正常热处理状态下，点阵常数α，'- 3.587月，Y基体点阵常数a,=3.588月，但根据(2)公式计算，av≈3.590A这样，按错配 度e公式t e=￥'-a￥×100% a GH220合金中e值约为一0.03~0.08%，显然，属于低错配度范畴(3)，表明Y'一Y界面 能小，Y'不易长大，这正是高温下使用合金的要求。 2,2Y'化学组成 对轧态、一次固溶、二次固溶、标准热处理、弯晶处理、长期时效等不同热处理状态 下，不同厂家不同炉号的Y'相化学组成进行了测定，得出不同状态下Y'相化学组成在一 定范围内波动，其平均化学组成式为： (Nio.Coo.11Cro.02)3(Alo.soTio.Wo.07Moo.0Cro.0sVo.01) 图1展示Y'中各元素原子数的波动范围，X点代表该元素的平均值。进一步分析指出： ①Ni减少时Co一般都增加，Ni+Co至少维持在2.90（少数例外），一般为2.92~2.93。 Co一Ni之间没有明显的规律。②AI+Ti维持在0,75~0.82之间（少数例外）。③长期时 效中Y'的Ti含量有下降趋势，尤其在850℃，Cr的减少倾向更明显，而W略有增加。这 些变化原因还不清楚。 图1表明，Y'中各元素原子数值相当集 Ivariatiau rangl 中，尤其是Cr、W、Mo、V,Ni、Co、Al、 x2,8 2.6 T亦相对稳定，分散度比上述元素略大些， 原因可能是Ni一Co、Al一Ti彼此置换能力较 2,4 强。 08 由此得出结论：不同状态下GH220合金中 台 0.6 Y'化学组成基本不变。这与文献3)的结果是 0.4 一致的。 0.2 2.3Y'相数量 Y'相数量主要与合金成份、热处理工 0.1 艺、温度及时间等因素有关。原始轧态含 44.78%Y',标准热处理时Y'在39~45.8%范 0 Ni Al Co Ti Cr W Mo 围内波动，取决于合金成份，平均值为41.83%， Elements in v'-r' 在1070℃弯晶处理，它介于40.9~44.0%之 图1Y·中各元素的原子数波动范围及平均值 间，平均值42.49%（参见图2)，这说明两 Fig.I Variation range and average value of atomic number of elements inY-phase. 种处理工艺在Y'数量上产生的差别不大。长 期时效（充分析出)条件下，Y′量在47.6~ 51.66%内波动，平均值48.75%。 14

结 果 及 讨 论 晶体结构及错配度 经 光 衍射确定 〔 ‘ 〕 ， ‘ 为面 心立 方有序结 构 ， 在正 常热处理 状态下 ， 点 阵常数 一 入 ， 基体点 阵常数 丫 人 ， 但根据 川 公式计算 ， 丫 岛 入 这 样 ， 按错 配 度 公式 。 二 竺 兰二 竺 又 于 合 金 中 值约 为一 一 ， 显然 ， 属于 低错 配度范 畴川 ， 表 明 丫 ‘ 一 丫 界面 能小 ， 丫 ’ 不 易长大 ， 这 正是 高温下 使用 合金 的要 求 。 ‘ 化学组成 对轧 态 、 一次 固溶 、 二 次 固溶 、 标准 热处理 、 弯晶处理 、 长期时 效等不 同热 处 理 状 态 下 ， 不 同厂家 不 同炉 号 的 ‘ 相 化学 组成进行 了测定 ， 得 出不 同状态下 丫 ‘ 相 化 学组 成 在一 定范 围内波动 ， 其平 均化学组成式为 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 ， 。 。 ‘ 。 。 。 一 。 ， 图 展示 丫 ‘ 中各元素原子数 的波动范 围 ， 点 代 表该元 素 的平 均 值 。 进 一步分析指 出 ① 减 少时 一般 都 增加 ， 。 至 少维持 在 少数例 外 ， 一般 为 一 。 。 一 之 间没 有 明显 的规律 。 ② 十 维 持 在 。 之 间 少数例 外 。 ③长期时 效 中丫 ’ 的 含量 有下 降趋势 ， 尤其 在 ℃ ， 的减 少倾 向更 明显 ， 而 略有增加 。 这 些 变化原 因还不 清 楚 。 ， 、 “ 二 如。 承 吕 。 王 山，︸ 习口日 忿 口目日‘ 日 一机又 土丁 一下火 丫尹 图 丫 · 中各元 素的原子 数波动 范 围 及 平 均 值 一 ， 一 图 表 明 ， 丫 ‘ 中各元 素原子 数 值相 当集 中 ， 尤其 是 、 、 、 ， 、 、 、 亦相 对稳定 ， 分 散度 比上述 元素略大 些 ， 原 因可能是 一 。 、 一 彼此置 换能 力较 强 。 由此 得 出结论 不 同状态下 合金 中 ’ 化学组成基本不 变 。 这与文献 〔 〕 的结果 是 一致 的 。 。 ‘ 相数最 丫 ’ 相 数量 主 要与合金 成 份 、 热 处 理 工 艺 、 温 度及时 间等 因素 有 关 。 原 始 轧 态 含 ’ ， 标准热处理时 丫 ‘ 在 一 范 围 内波动 ， 取 决于合金成份 ， 平 均 值为 ， 在 ℃ 弯 晶处 理 ， 它介于 一 ‘ 之 间 ， 平 均 值 参见 图 ， 这 说 明两 种处理工艺 在 丫 ’ 数 量上 产 生 的差 别不大 。 长 期时 效 充 分析 出 条 件下 ， 丫 ’ 量 在 一 内波动 ， 平 均值 。

2.3.1Y'析出倾向性 研究过的十余炉号统计，GH220合金的合金化元素总和在42~45%内变化.（未考虑各 种微量元素及有害杂质，其总量约为0,3%)。合金化程度较高，Y'析出倾向性较大，若自 1220℃/4小时快速淬入含10%NaC1的盐水，仍可得到10~15%Y',若自1220℃/4小时空冷， 则Y'析出量可达到40%左右。图3表示标准热处理过程中Y'数量的变化，不难看出， 绝大多数Y'已在一次固溶后沉淀出来，以后两次处理仅仅在于调整Y'尺寸（当然还与M。C 有关)，补充析出作用不大。 在等温弯曲晶界处理过程中，不同温度保温时Y'含量的变化示于图4，由图看出， 1050~1130℃范围内的保温对y'量影响不大，表明等温工艺具有良好的适应性，在1070℃ ±30℃规范下Y'数量是稳定的，从而对性能稳定性提供了基础。图5系在1070℃下保持不 同时间后Y'的析出情况，看出1~240分内Y'无大变化。 48 44 44 ≥40 Iveriation 40 range X Average value 36L Stand. to70*℃ ” Fully precip Firet solution Second Stard 21g-288 treataent 且，T, H.T。 且.T。 图2不同状态下Y·含量的波动范图及平均值 图3标准热处理过程中Y·量的变化 Fig.2 Variation range and average value Fig.3 Change of Y'content during of Y'content under different conditions standard heat treat ment 8 46头 44F 240-4-a= ÷42 40h001070广0广1io30 Isothermal temperature'c 30.2000120人2茹 (A11w1th2.5h) Hold time under 1070'C,min 图4等温弯品处理过程中Y·量的变化 图5合金自1220"C/4小时空冷到1070·C保温 Fig.4 Cbange of Y'content during 不同时间时Y·量的变化 isother mal Zig-Zag G.B.treatment Fig.5 Cbange of Y'content of alloy vs process hold time under 1070'C from 1220'C/4h,AC. 15

’ 析出倾向性 研究过 的十 余炉号统计 ， 合金 的合金化元素总和 在 朽 内变化 未考虑各 种微量元 素及 有害杂质 ， 其 总量约 为。 。 合金化程 度较高 ， 丫 ‘ 析出倾 向性较大 ， 若 自 ℃ 小时 快速淬 入含 的盐水 ， 仍可得到 丫 ‘ 。 若 自 。 ℃ 小时空冷 ， 则丫 ‘ 析出量可达到 左右 。 图 表示标堆热处理过程中 丫 ‘ 数量 的变化 ， 不难看 出 ， 绝大 多数 ， 已 在一次 固溶后沉淀 出来 ， 以后两 次处理仅仅 在于调 整 ‘ 尺寸 当然还与 有关 ， 补充析 出作用不大 。 在等温 弯曲晶界处理过程 中 ， 不 同温度保温时 ‘ 含量 的变化示 于图 ， 由 图看 出 ， ℃ 范 围内的保温 对 尹 量影响 不大 ， 表明等 温工艺 具 有良好 的适应性 ， 在 ℃ 士 ℃ 规范下 ‘ 数量是稳定 的 ， 从而对性能稳定性提供 了基础 。 图 系 在 ℃下保持不 同时 间后 丫 ‘ 的析 出情况 ， 看 出 一 。 分 内丫 ‘ 无大 变化 。 工 弓，‘ ‘ 曰，月 次 仁 、 一 公一 一 一一书 产 』。 尹产 ， 丫 次砂称口。口 甲 挂 名 ﹃ 臼 、书 找 ， 今 ，碑 。 · 么 一 。 今 。 色 ‘二 吕 侣 口 吕 一 。 妞 丁 一 二 图 不 同状态下 丫 ‘ 含 量的波动范 围及 平均值 ， ’ 图 标 准 热处理过 程 中 ’ 且 的 变化 丫 ’ 卜 帕 ‘ 山，。 直 声 ‘ ，八 ， 、次扣 欲 、卜‘ 一 必办一 ’ ” ’ 币 七 己 ， 加 ， 盔 ， 图 等 温 弯晶处理 过 程 中 丫 ’ 最的变化 ‘ 丫 ’ 一 。 图 合 金 自 。 ’ 小时 空冷到 保温 不 同时 间时 丫 置的 变化 ， ’ ’ “ ‘

缓冷工艺中冷速大小不仅对Y'尺寸及形态有极大影响，而且对Y'数量同样有着相当 的作用。一般，随冷速增加Y'数量有所减少（图6）。1~3℃/分的缓冷几乎相当于充分 析出条件下的Y'量平均值(48.75%)。 对Y'的溶解、析出规律进行了研究，发现加热时Y'在1160℃附近溶解，而冷却时在 1120~1130℃开始析出，空冷时迟滞温度达30~40℃。若晶界大Y'遣成晶界弯曲，则必须 在1120℃附近毁冷(4)。 2.3.2(W+Mo+A1+Ti+V)总量对Y'量的影响 大量的研究数据表明，(W+Mo+AI+Ti+V)总量对标准处理及长时时效状态下Y' 数量有一定的影响，随这些元素总量的增加，两种状态下的Y'量均有所增加（图7）。经回 归处理，得出如下两个回归方程： 521 1:33.96+0,81X A 50 48F 4 46 44 0 1s12.63+1,596% 42 01 23456 17 1819 20 Cooling rate,c/min Sum of (W+Mo+Al+T1V),wt 图7(W+Mo+A1+Ti+V)总和对Y'量的影响 图6缓冷工艺中冷速对Y·量的影响 A一充分析出状态 B一正常处理状态 Fig.6 Effect of cooling rate on Y' Fig.7 Effect of sum of (W+Mo+Al+Ti content under controlled cooling rate +V)on Y'content:(A)fully precipitate process condition:(B)Nor mal H.T.condition Y=12.63+1.596X (16≤X≤20) (1) Y=33.96+0.811X (∥) (2) 式中Y一合金中的Y'量(wt%)多 X一合金中(W+Mo+A1+Ti+V)总量(wt%)。(1)式适用于正常处理，即标 准热处理和1070℃等温弯晶处理，(2)式适用于长期时效，即Y'充分析出。 从生产炉号统计中没有找到在A1+Ti-Y'量之间一定的规律。 从回归方程(1)和(2)得出一个重要的结论：(W+Mo+A1+Ti+V)总和对Y'量 的贡献大小，不同状态是不同的，对于正常处理（短时），它的影响较大（斜率大），对于长 期时效（长时），它的影响较小（斜率小）。过高的(W+Mo+AI+Ti+V)尽管在短时 处理时可以增加Y'量，从而提高合金的热强性，但在长期时效后Y'反而有下降趋势，这 是由于μ相析出造成基体合金元素贫化，导致Y'回溶的结果。例如，由图8看出，不同温 16

缓冷工 艺中冷 速大小不仅对 丫 ’ 尺寸及形态有极大影响 ， 而且 对 丫 ’ 数量 同样有着相 当 的作用 。 一般 ， 随冷速增加 ‘ 数量有所减 少 图 。 ℃ 分 的缓冷几乎相 当于充分 析 出条件下 的 洲 量平均值 。 对 ‘ 的溶解 、 析 出规律进行 了研究 ， 发现加 热时 丫 ‘ 在 ℃ 附近 溶解 ， 而 冷却时 在 。‘ ℃ 开始析 出 ， 空冷时迟滞温 度达 ℃ 。 若 晶界大 丫 ‘ 造成 晶界弯曲 ， 则必须 在 ℃ 附近缓 冷〔 〕 。 总且对 丫 ’ 且 的影 响 大量 的研究数据 表 明 ， 。 总量对 标堆处理及长时时 效 状态下 丫 ‘ 数量有一定 的影响 ， 随这 些元素总 量 的增加 ， 两种状态下 的丫 ‘ 量均有所增加 图 。 经 回 归处理 ， 得 出如下 两个 回 归 方程 引切能 衬次。习。口亩‘ 招 ‘ “ 、卜翻 ， ℃ ， ， 切 另 图 缓冷 工艺 中冷 速对 ’ 量的 影响 丫 ’ 图 总 和对 丫 ， 量 的影响 一充 分析 出状态 一正 常处理状态 丫 ’ 。 二 。 。 。 三 三 式 中 一 合 金 中的 丫 ‘ 量 一合金 中 十 。 十 总 量 。 式适用 于正 常处理 ， 即 标 准热处理和 ℃ 等温 弯 晶处理 ， 式适用 于 长期时 效 ， 即 丫 ‘ 充分析 出 。 从生产炉号统计 中没有找到在 十 卜 丫 ‘ 量 之间一定 的规律 。 从 回 归方程 和 得 出一个重要 的结论 。 十 十 总和 对 丫 ‘ 量 的贡献大小 ， 不 同状态是木同 的 ， 对于正 常处理 短时 ， 它 的影响较 大 斜率大 ， 对于长 期时 效 长时 ， 它 的影响较小 斜率小 。 过 高 的 。 尽 管 在 短 时 处理时 可 以增加 ‘ 量 ， 从而提 高 合金 的热强性 ， 但 在长期时 效后 ’ 反 而有下 降趋势 ， 这 是由于 林相析出造成 基体合金元素 贫化 ， 导 致 丫 ‘ 回溶 的结果 。 例 如 ， 由图 看 出 ， 不 同温

度下不同W、Mo、A1、Ti、V合金经标准热处理后，低W、MoA1、Ti、V合金含40%Y', 中W、Mo、A1、Ti、V合金含42%Y',而高W、Mo、A1、Ti、V合金含46%Y',经1500 小时后，它们相应的含量分别为43%、45%、及41%。所以，从长时使用和组织稳定性观点 考虑，(W+Mo+AI+Ti+V)总量以不超过18%为宜，而(W+Mo)总量以不超过 11.7%为好。 850℃ 50 45 300 600900120015G0 Age1ngti▣e,h (a)1-High W Mo.Al.Ti.V;2-Middle W.Mo,Al,Ti,V;3-Low W.Mo,Al.Ti,V 900℃ 50 1 L= 识 67 40 0 300600 900 1200 1500 Ageing time,h (b)1-High W Mo Al Ti V:2-Middle W Mo Al Ti V:3-Low W Mo Al Ti V 图8不同W、Mo.AI、Ti、V合金中Y'量随时效时间的变化 Fig.8 Change of Y'content as ageing time in alloys with different sum of (W+Mo+Al+Ti+V) 图9为不同热处理合金时效时Y'量变化的对比；看出直晶和弯晶合金Y'的变化趋向 是一致的，差异不显著。 2.4Y'形态及尺寸大小 在GH220合金中Y'的形态及尺寸的大小在不同条件下很不相同，在轧制态Y'具有不 规则形态，尺寸1000~2000A(图10)，在标准热处理状态Y'具有规则的立方形（图11）， 尺寸为2000~3000A左右，未见有小尺寸(500~800A)球形Y'。对二次固溶温度进行了探 素，发现在1070~1100℃范围内保温1~4h后空冷可以得到大小两种尺寸Y',图12为经 34 1070℃×2.5h等温弯晶处理后所示的Y'组织，可以清楚见到大小两种Y'。这是由于二次 固溶温度较高（与1050℃相比），一部分一次固溶后空冷析出的Y'相回溶，造成固溶体过 饱和度增加，这样在两次固溶后随后的空冷过程中促使部分Y'补充析出，得到细小的Y'。 小Y'的相界面为共格界面，能量较低，呈球状，大Y'相界面为位错型半共格界面，能量 稍高，易呈立方体状。在大小Y'适当配合下合金性能得到明显改善(5)。 17

度下 不 同 、 、 、 、 合金 经标准 热处理后 ， 低 、 叮 、 、 合金含 丫 ， 中 、 、 、 、 合金含 丫 ’ ， 而 高 、 、 、 、 合金 含 丫 ‘ ， 经 小时后 ， 它们相应 的含量分别为 、 、 及 。 所以 ， 从长时 使用和 组织稳定性观点 考虑 ， 总 量以不超过 为宜 ， 而 总 量 以 不 超 过 为好 。 ℃ 一 、 、 、 一 、 、 、 、 一 、 、 、 ℃ 次 、卜叭 弓 一 一 一 一 图 不同 、 。 、 、 、 合金 中丫 ‘ 量 随时效时 间的变化 ‘ 图 为不 同热处理合金时 效时 丫 ‘ 量 变化的对比 看 出直 晶和 弯晶合金 ‘ 的变化趋 向 是一致的 ， 差异不显著 。 尸 形态及尺 寸大小 在 合金 中丫 ‘ 的形态及尺寸的大小 在不 同条件下 很不相同 ， 在轧制态丫 ‘ 具有不 规则形态 ， 尺 寸 一 人 图 仍 ， 在标准热处理状态 ’ 具有规则的立方形 图 ， 尺寸为 。 。 。 入左 右 ， 未 见有小尺寸 伽 人 球形 丫 ‘ 。 对立 次 固溶温度进行 了探 索 ， 发现 在 。 ℃ 范围内保温 一 后 空冷可以得到 大小两种尺 寸 ， ， 图 为经 ℃ 等温弯晶处理后所示的丫 组织 ， 可以清楚 见到大小两种 ‘ 。 这是 由于二 次 固溶温 度较高 与 ℃ 相 比 ， 一部分一 次 固溶后空冷析 出的 丫‘ 相 回溶 ， 造成 固溶体过 饱和 度增加 ， 这 样在两次 固溶后随后 的空冷过程 中促使部分 丫 ’ 补充析 出 ， 得到细 小的 丫 ‘ 。 小 州 的相界面为共格界面 ， 能量较低 ， 呈球状， 大 ’ 相界面 为位错 型半共 格界面 ， 能 量 稍高 ， 易呈立方体状 。 在大小 ‘ 适 当配合下 合金性能得到 明显改善〔 〕