Ni基粉末冶金高温合金平衡析出相的热力学研究.pdf

第 3 0卷第 4期 2 0 1 2年 8月 粉 末 冶金技 术 Po wde r M e t al l ur gy Te c hno l og y Vo 1 ． 3 0．No ． 4 Au g ． 201 2 N i 基粉末冶金高温合金平衡析 出相 田高峰 的热力学研 究 l 汪 煜 杨 杰 邹金 文 汪武祥 北京航空材料研究 院先进高温结构材料重点实验室 ， 北 京 1 0 0 0 9 5 摘 要 为了对 N i 基高温合金进行优 化设 计 ， 采 用热 力学计 算软 件 J m a t p r o与相应 的 N i 基 高温合 金数据 库 ， 对 3代粉末 高温合金 R e n 6 9 5 、 R e n 6 8 8 D T和 R e n 6 1 0 4合金 的平衡相析 出行 为进 了热力学计算与 比较研 究 。结果表 明 3种合金 的平 衡相种类 基本相 同， 主要平衡相为 、 ’ ， 、 碳化 物 M C 和 MC以及 硼化物 M B ， 但 析出量 、 析出温度及范围存在差别 。R e n 6 1 0 4合金 有较高 的 y 相 析 出温 度和较 多的 y 相析 出量 ， 而 R e n 6 8 8 D T合金的 相析 出温度 最低 ， y 相析 出量最少 ； T a的添加使 N h 元素在 相 中的含量 随温度降低先增加后 减少的变化规律变 为随温度降低而一直减少 ； 另外 ， 对 于碳化 物而言 ， R e n 6 9 5和 R e n 6 8 8 D T合 金中的碳化 物 析 出规律基本一致 ， 只是析 出量和析 出温度 区间不 同 ， 而 R e n 6 1 0 4合金与它们存在一定差别。 关键词 粉 末冶金高温合金 ； 涡轮盘 ； 析 出相 ； 热力学 Th e r mo d y na mi c c a l c u l a t i o n o n e q ui l i br i u m pr e c i p i t a t e d p ha s e s i n P／ M ni c k e l ba s e s up e r a l l o y T i a n Ga o f e n g ，Wa n g Yu，Ya n g J i e，Zo u J i n we n，W a n g W u x i a n g S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o n Ad v a n c e d Hi g h T e mp e r a t u r e S t r u c t u r a l Ma t e r i als L a b o r a t o r y， B I AM， B e i j i n g 1 0 0 0 9 5 ，C h i n a Abs t r ac t I n o r d e r t o o p t i mi z e t he de s i g n o f t h e ni c k e l - b a s e s up e r a l l o y，t h e r mo dy n a mi c p r o p e r t i e s o f t h r e e g e n e r a t i o n s p o wd e r me t a l l u r g y s up e r a l l o y s Re n6 9 5，Re n 6 8 8DT a n d Re n 6 1 0 4 h a v e be e n i n v e s t i g a t e d us i n g J ma t p r o a nd t h e l a t e s t r e l e v a n t d a t a b a s e f o r Ni ba s e s u p e r a l l o y ．The c a l c u l a t e d r e s u l t s s h o w t ha t t he t hr e e a l l o y s ha v e t he s a me e qu i l i b r i u m ph a s e s，s u c h a s ， y ，M2 3C6，MC c a r b i d e s a nd M 3 B2 bo r i d e，h o we v e r ，t he r e a r e d i f f e r e n c e s i n t h e q ua n t i t y a n d pr e c i p i t a t i o n t e mp e r a t ur e r a n g e ．Re n 6 1 0 4 a l l o y ha s hi g h e r p r e c i p i t a t i o n t e mp e r a t u r e a n d mo r e’ ， a mo un t ， a n d t h a t o f Re n6 88DT a l l o y a r e l o we s t a nd l e a s t a mo n g t h e t hr e e a l l o y s ．Th e v a r i a t i on o n Nb c o mp o s i t i o n i n y pr e c i p i t a t e s a s a f u n c t i o n o f t e mp e r a t ur e i s a l s o c h a n g e d b e c a u s e o f Ta a d de d；I n a d d i t i o n，Re n 6 9 5 a l l o y ha s t he hi g h e r q ua n t i t y o f c a r b i d e s ，wh i c h p r e c i p i t a t i o n b e h a v i o r s a r e s i mi l a r wi t h Re n 6 8 8 D T a l l o y， o n l y t h e i r q u a n t i t y a n d p r e c i p i t a t i o n t e mp e r a t ur e r a n g e a r e di f f e r e nt ，whe r e v e r ，Re n 6 1 0 4 a l l o y i s e v i de nt di f f e r e n t f r o m t h e a b o v e t wo a l l o y s ． K e y wo r dspo wd e r m e t a l l u r g y s up e r a l l o y； t u r bi n e di s k； p r e c i pi t a t i o n ph a s e； t h e r mo d y n a m i c 自粉末 冶金 高温 合金 在航 空 发动机 涡 轮盘 上成 功应用以来 ， 粉末涡轮盘材料及制造技术得 到了迅 速发展 ， 至今粉末高温合金的材料研究 已有 4 O余年 的历史。由于粉末涡轮盘合金研制难度极大 ， 目前 国外只有美 国、 俄罗斯 、 英国和法国等少数国家能独 立研发粉末高温合金 ， 建立 了 自己的合金牌号或体 }国家 重点基础研究发展计划 资助项 目 2 0 1 0 C B 6 3 1 2 0 0 } 田高峰 1 9 7 9一 ， 男 ， 博士 。E m a i l g f t i a n 2 0 0 8 1 6 3 ． c o m 收稿 日期 2 0 1 2一 O 4 2 4 系 ， 掌 握 了粉末 高温 合 金 零 部 件 生 产技 术 ⋯ 。其 中 美 国主导了世界粉末高温合金研究 的发展方 向， 所 研制的粉末高温合金均为各 阶段的代表合金 ， 如第 1 代 高强 型 R e n 6 9 5合金 ] 、 第 2代 损 伤容 限 型 R e n 6 8 8 D T合金 和第 3代高强加损伤容限型 R e n 6 1 0 4合金 ， 且 都获 得 了工程应 用 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 粉末冶金技术 2 0 1 2年 8月 在 研发 新 合 金过 程 中 ， 需 要对 合 金 的成 分 进行 优化设计 ， 调整一些合金元素的添加量及平衡 比， 或 增 加新 的合 金元 素 ， 这 些 会改 变 合 金 中各 种 相 的 含 量 、 组 成结 构及 工艺性 能 ， 从 而影 响合 金 的承温能 力 和综 合性 能 。 本 文利用 J m a t p r o软件 及相 应 的 N i 基 高温 合金 数 据 库对 R e n 6 9 5 、 R e n 6 8 8 D T和 R e n 6 1 0 4这 3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 比分析研究 ， 为 国内粉末 高 温合金 的成分 优化 设计 提供参 考 。 l 材料及研究方法 R e n 6 9 5 、 R e n 6 8 8 D T和 R e n 6 1 0 4合金 的成 分见 表 1 。 表 1 3代合金的成分 Ta bl e 1 Co mp o s i t i o n o f t h r e e a l l o y s ％ 3种 合金 的主要成 分存在 明显 区别 。其 中 R e n 6 1 0 4合金 含 有 最多 的 相 形成 元 素 A l T i N b T a 和 c o 元 素 ， 同时 增 加 了 T a元 素 ； R e n 6 8 8 D T合 金的 相形成元素含量最低 ， 但含有最多的 c r 元 素 ； R e n 6 9 5合金 c o 含量最低 ， 难熔元素 w Mo N b 和 c元素含量最高。另外 ， 3种合金 中的一些 主 元素 的平 衡 比 ， 如 T i ／ A 1 、 Mo ／ W 和 N b ／ T a等也 不 尽 相 同 ， 这些 均对 合 金 的平 衡 析 出 相 和性 能 产 生 影 响 。 J ma t p r o是 由 S e n t e软件 公 司开发 的一种 比较 成 熟的金属材料相 图计算 软件 ， 利用一些相似合金 的 实 验数据 ， 通过 热力 学公式 和统 计模 型 ， 计 算合 金平 衡 态下 的 相 含 量 、 物 理 性 能 等 。研 究 结 果 表 明 ， 通 过热力 学计 算 软件 J ma t p r o可 以 比较 准 确 地 计 算 出不 同成 分 的 N i 基 高温 合 金 的平 衡 相 含量 和 物 理 性 能 。 2结果与讨论 2 ． 1热 力学平衡 相 经过 热 力 学计 算 ， 得 到 3种 合 金 各 主要 平衡 析 出相 的析 出量 与温度 的关 系 ， 如 图 1所示 。 3种合金中的主要平衡相种类相同， 均为基体 相 、 强 化 相 y 相 、 碳 化 物 MC和 M ， C 相 、 硼 化 物 M， B 相。MB 为亚稳相 ， 当温度降低到一定值时将 转变 为 M， B ， 此 外 还 有 仃相 和 相 。 由于 热 力 学 计算结果均为稳定的平衡相 ， 因此， 相和 相一般 会在合金长期使用后逐渐析出。 从 图 1还可 以看 出 ， 3种 合 金 中 相 的析 出量 随着温度的升高逐渐减少 ， 但不同合金的 相析出 量和 初 始 析出温度存在差异。表 2列出了 3种 粉末 高 温合金 的初 熔 点 、 终 熔 点 以及 主要 析 出相 的 析 出温 度 。 表 2 合金的熔点 以及主要析出相的析出温度 Ta b l e 2 Ca l c ul a t e d me l t i ng p o i n t a n d p r e c i pi t a t i o n t e mp e r a t ur e o f p r e c i pi t a t i o n p ha s e s o f t h e t h r e e a l l o ys 图 2分别给 出了 3种合 金经热处理后对应 的 S E M 组 织形 貌 。其 中 R e n 6 9 5合金 采用 的是 亚 固溶 线温 度热 处 理 ， 而 R e n 6 8 8 D T和 R e n 6 1 0 4合 金采 用 的是 过 固溶线 温度 热处 理 。 R e n 6 8 8 D T和 R e n 6 1 0 4合金基体上均包含有二 次 y 相和三次 7 相 ， 而 R e n 6 9 5合金除上述 2种 相 外 ， 还有尺寸更 大的初 次 相 ， 这 些 相 在 固溶处 理 过程 中未 能溶 解 ， 在保温 时又发生 了长大 ， 因此 ， 其 尺 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 O卷第 4期 田高峰等 N i 基粉末冶金高 温合 金平衡 析出相的热力学研究 2 4 5 寸明显较大一些 ； 但是 R e n 6 9 5合金的二次 相尺寸 较 R e n 6 8 8 D T和 R e n 6 1 0 4合金的更小， 其形态也较规 则。比较 R e n 6 8 8 D T和 R e n 6 1 0 4合金， 可以看出， R e n 6 1 0 4合金基体上的二次 相数量明显多于 R e n 6 8 8 D T 合金， 这与其合金 中含有更多的 y 相形成元素有关。 另外， 3种合金基体上均有碳化物 白色 存在 ， M∞ c 相主要存在于晶界处 如图 2 b 中箭头所指， 右上角 为 M 。 C 相的衍射斑点 ； 而 MC相既存在于晶界， 也分 布于晶内。相比而言， R e n 6 8 8 D T合金的碳化物数量较 少， 这主要归因于该合金更低的碳含量。 y MBlL／ ⅥC ＼。 ＼ c M、3B ～ l 、 | } a R e 9 5 合金 ／＼＼ ／ 一 ／ ～ ＼ ／ ＼ y 、 ． 0 ／ f C 、 ＼ D ＼ M M c R e 1 0 4 台金 图 1 合金平衡相析 出量与温度之间的关系 F i g ． 1 C a l c u l a t e d d e p e n d e n c e s o f p r e c i p i t a t i o n p h a s e s o n t e mp e r a t il r e 2 ． 2 y 相析 出行 为 量 、 尺寸与 分 布 等 直 接 影 响合 金 的力 学性 能 。图 3 相是 3种合金 中最重要 的强化相。y 相 的数 所示 为3 种合金 中y 相 的析 出量 和对应温 度 的热 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 0卷第 4期 田高峰等 N i 基粉末冶金 高温合金 平衡 析出相的热力学研究 2 4 7 图 4 相 中各组成元素含量随温度 变化 的热 力学计算 曲线 Fi g ． 4 Th e r mo d y na mi c c a l c ul a t e d c u r v e s o f c he mi c a l c o mp o s i t i o n i n y p r e c i pi t a t e s 2 ． 3 碳 化 物析 出行 为 从 图 1中可知 ， 3种合金 中的碳化 物主要有 2 种 MC和 M C 。MC中的主要元素为 T a 、 T i 、 N b和 温度f c C， 而 M ， c 中的主要元素为 C r 、 Mo和 c 。2种碳化 物 随温 度 的变化 规律 如 图 5所示 。 母 、 嘲 船 U 主 图 5 3种合金 中的碳化 物随温度析出的变化趋势 F i g ． 5 Ca l c ul a t e d c u r v e s o f M2 3 C6 a n d MC ph a s e s p r e c i pi t at i o n b e h a v i o r i n t h e t h r e e all o y s 由于合金中的碳含量决定 了碳化物的数量 ， 这 导致 R e n 6 9 5合金中碳化物的含量高于其它 2种合 金 。另 外 ， 3种 合 金 中碳 化 物 的 初 始 析 出温 度 及 析 出温度 区间也不同， R e n 6 9 5合金 中 M ， c 的初始析 出温度高于 R e n 6 1 0 4合金。为了促使 M ， c 析出 ， 合金需要进行相对高温的一级时效处理 ， R e n fi 9 5合 金 的一 级 时 效 温 度 为 8 7 0 C， 高 于 R e n 6 1 0 4合 金 的 8 4 3 C。值得注意的是 ， R e n 6 9 5和 R e n 6 8 8 D T合金的 、 咖钟垛 蟠 、 咖舡搬 氆嗣孚， c 母 、 咖如懈 孚， c 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 粉末冶金技术 2 0 1 2年 8月 MC都 是在一 定 的温 度 区 问 内析 出， 分 别 在 9 6 1 o C和 9 6 4 C达到最 大 析 出量 后 ， 迅 速 减 少 ， 并 完 全 转 变 为 M C ； 而 R e n 6 1 0 4合金中， MC在 8 7 7 ℃达 到最大析 出量后， 逐步减少 ， 大部分转变 为 M ， c ， 还有少量以 M C存在 。 总体上 ， R e n 6 9 5和 R e n 6 8 8 D T合金的碳化 物析出 规律基本一致 ， 而 R e n 6 1 0 4 合金则与之存 在差别 。 2 ． 4拓 扑密排 相 T C P 析 出行 为 粉末高温合金 中由于加入 了许 多固溶强化元 素 ， 合金 中的析 出相 除了 相 和碳化物外 ， 还可能 析 出 T C P相 盯相 和 相 等 。合 金 中 C r 和 Mo 含量较高时 ， 容易形成 or相 ； 而 Mo和 w 含量较高 时 ， 更容易促进 相析出。合金在服役过程中， 13 “ 相 和 相会 在 晶界处 析 出， 严重影 响合金 的力学性 能 。 因此 ， 在合 金成 分 设 计 中应避 免 这 些 有 害 相 的 形成 或抑 制这 些相 的析 出 。 3种合金都有析出 or相和 相 的可能 ， 但是它 们的析出量和析出温度并不同 ， 如图6所示。其 中， R e n 6 1 0 4合金中 o r 相和 相的初始 析出温度都是 最高的 ， 且 Or相和 相总量也是最多的 ， 特别是 盯 相 ， 这 与该 合 金 中 较 多 的 c o含 量 有 关 ，C o含 量 的 增加 促进 了 1 3 “ 相 的析 出 。而 R e n 6 9 5合金 中 盯相 和 相的析出量则最少。在使用温度 6 5 0～8 l 5 ℃ 范 围内长期 服役 ， 对 于 R e n 6 1 0 4合 金 ， o r 相 和 相 均可能析出； 对于 R e n 6 8 8 D T合金 ， 在 6 8 2 ℃以上 ， 盯 相不 析 出； 对 于 R e n 6 9 5合 金 ， 分 别 在 6 8 0 C和 7 4 0 ℃ 以上 ， 相 和 相不 析 出 。 图 6 3种合金 中 盯相和 相的析出行为比较 Fi g ． 6 Ca l c u l at e d C U r V e S o f盯 a n d u ph a s e s p r e c i pi t a t i o n b e h a v i o r i n t h e t h r e e a l l o y s 2 ． 5 C o和 T a元 素的 影响 R e n 6 1 0 4合金与 R e n 6 9 5和 R e n 6 8 8 D T合金在 成分 上 有 典 型 的 2点 区别 ， 一 是 更 高 的 C o元 素含 量 ， 二 是 添 加 了一 定 量 的 T a元 素 。 图 7是 不 同 的 c o含量对 R e n 6 1 0 4合 金各种相 的析 出温度及 在 7 6 0 o C下各 相 的 析 出量 的影 响 。可 以 看 出 ， 随着 C o 含量 增 加 ， 相在 7 6 0 ℃ 的析 出量 减 少 ， 相析 出温 度也略有降低 ； 而 盯相和 相在 7 6 0 C的析 出量随 着 c o含量 增加 而增 加 ， 特别 是 or相 ， 几 乎 呈线 性 递 增 ， 如 C 0含量 为 1 3 ． 0 0 ％ 时 ， 相数 量仅 为 2 ． 0 2 ％ ； 而 R e n 6 1 0 4合金 C o2 0 ． 6 0 ％ 中， 相数量提高 为 4 ． 0 0 ％ 。 同时 ， 相 和 相 的析 出 温度 也都 随着 c o含量 增加 而升 高 。 因此 ， 考 虑 c o含 量对 T C P相 的影响， c o含量需在一个合适 的范 围， 才能在相对 高 的 T C P相 析 出 温 度 和相 对 少 的 析 出数 量 之 间 取 得 平衡 。 另外 ， 当 c o 含量 超过 1 7 ． 7 6 ％时 ， 开始 有 M C碳 化物析出， 其初始析出温度基本没变化 ； 但是 M鹳c 碳化 物在 7 6 0 ℃ 的析 出量 随 C o 含 量 增加 而 减 少 ， 在 c o含量大于 1 1 ． 5 0 ％时 ， 其析出温度随 c o 含量增加 而一直降低 ， 这是 因为基 体上更多 的 c o元 素影响 了 c r 或 Mo 元 素进入 M C 中。 图 8所示 为不 同 的 T a含 量对 R e n 6 1 0 4合金 各 种 相 的析 出温 度 及 在 7 6 0 ℃ 下 各 相 的 析 出 量 的影 响 。与 c o元 素不 同， 随着 T a含 量 增 加 ， 相 在 7 6 0 ℃的析 出量增加 ， 相析 出温度也相应提高 ； 而 相在 7 6 0 c c的析 出量先增加后减少。因此 ， T a含 量 的提 高一 定程度 上 可 以抑 制 相 的析 出 ， 但 是却 加 剧 了 合金 中 盯相 的析 出。另 外 ， 研 究 发 现 J ， T a 元素有利于提高合金的裂纹扩展抗力 ， 所以， 在增加 T a 元素时 ， 必须控制合金中 C r 、 Mo 等 叮相形成元素 的含量 ， 以避免 仃相 的析 出 。 8 6 4 2 0 承 、 咖扣罂 b 8 6 4 2 0 、 删如罂T 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 0卷第 4期 田高峰等 N i 基粉末冶金高温合金平衡析 出相 的热力学研究 2 4 9 、 咖 丑 | 妪 罂 、 咖 丑 ； j 、 越 赠 弭 嚣 c o 含量／ ％ c 0 含量 ， ％ a 7 6 0 ℃时 C o含量对各相析出量的影响 b c o含量对各相析出温度的影响 图 7 c o含量对 R e n 6 1 0 4合金 中各相析 出量及析 出温度 的影响 Fi g ． 7 Ef f e c t s o f Co c o n t e n t o n t h e pr e ci p i t a t i o n be h a v i o r s o f v a r i o u s p ha s e s i n Re n 6 1 0 4 a l l o y l } 1 4 xl l 20 0 赠 丑 塔 1 0 0 0 8O O 6【 M T a 含量 ， ％ T a 含量 ， ％ a 7 6 0 o C 时T a 含量对各相析出量的影响 b T a 含量对各相析出温度的影响 图 8 T a含量对 R e n 6 1 0 4合金中各相析 出量及析 出温度 的影 响 Fi g ．8 Ef f e c t s o f Ta c o n t e nt o n t he p r e c i pi t a t i o n b e ha v i o r s o f v a r i o u s p h a s e s i n Re n 6 1 0 4 a l l o y 为了对 比3种合金平衡相含量 的差别 ， 表 3比 较 了 3种 合 金在 6 5 0 C下 主要 平衡 相 的含 量 。 表 3 6 5 0 C各合金 的平 衡相 含量 质量分数 Ta b l e 3 Ca l c u l a t e d c on t e n t o f e q u i l i b r i um p r e c i p i t a t i o n p h a s e s a t 6 5 0 C ma s s ％ 可见， R e n 6 1 0 4合金的 相含量最高 ， 足够的 强化相含量为获得优良的高温力学性能提供了保证 ， 同时较高的 相固溶温度也提高了合金的使用温度； 另外 ， R e n 6 1 04 合金的 M， B 含量高于其它合金 2～3 倍 ， 较多的 M ， B 可以更有效地阻止晶界滑动 ， 抑制有 害相在晶界处析出， 从而提高合金的持久性能 。 3 结论 1 R e n 6 9 5 、 R e n 6 8 8 D T和 R e n 6 1 0 4粉末高温合 金的主要平衡相种类基本相同， 均为基体 相、 7 强 化相 、 碳化 物 M c 和 MC 、 硼 化物 M， B 。 2 R e n 6 1 0 4合金有较高的 相析 出温度 和较 多 的 相析 出量 ， 而 R e n 6 8 8 D T合金 的 相析 出温 度最低 、 析 出量 最 少 ， 这 是 因 为前 者 具 有 更 高 的 相形成元素含量。 3 T a的添加使 N b元素在 y 相中的含量 随温 度降低先增加后减少的变化规律变为随温度降低而 一 直减 少 。 下转第 2 5 4页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m