王靜霖,姚志浩,董建新,江 河

(北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,北京 １０００８３)

摘 要:采用JMatPro軟件對 Haynes２８２ 合金進行熱力學(xué)計算,得 到 溫 度 由 １４００ ℃ 降 至６００ ℃時合金內(nèi)不同析出相的含量,分析了鉻、鈷、鉬、鈦、鋁、碳、硼等元素含量對析出相析出行為的影響.結(jié)果表明:碳化物的析出量主要由碳含量決定;鉻元素可以增強 M２３C６ 的穩(wěn)定性;鉻、鈷、鉬、鈦、鋁能促進σ相的析出及穩(wěn)定;鉬含量增加可以促進μ相的析出,而硼、鈷、鉻、鈦、鋁等元素會抑制μ相的析出;硼元素對 M３B２ 的穩(wěn)定性沒有影響,但含量增加會增大其析出量;鈦元素能促進γ′相的析出并增強其穩(wěn)定性,鋁元素可增加γ′相的析出量.關(guān)鍵詞:Haynes２８２合金;JMatPro軟件;熱力學(xué)計算;元素;平衡析出相

中圖分類號:TG１４２．７１ 文獻標(biāo)志碼:A 文章編號:１０００Ｇ３７３８(２０１９)１０Ｇ００５９Ｇ０７

EffectsofDifferentElementContentonPrecipitateBehaviorofPrecipitatesinHaynes２８２Alloy

WANGJinglin,YAOZhihao,DONGJianxin,JIANGHe

(SchoolofMaterialsScienceandEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing１０００８３,China)

Abstract:Thermodynamiccalculationwasconductedon Haynes２８２alloybyusingJMatProsoftware,and

thenthecontentofdifferentprecipitatesinthealloyfrom １４００ ℃ to６００ ℃ wasobtained．Theeffectsof

chromium,cobalt,molybdenum,titanium,aluminum,carbonandboronontheprecipitatebehaviorofprecipitates

wereanalyzed．Theresultsshowthattheprecipitateamountofcarbideswasmainlydeterminedbycarboncontent．

ChromiumcouldenhancethestabilityofM２３C６．Chromium,cobalt,molybdenum,titaniumandaluminumcould

promotethe precipitation andstability ofσ phase．Theincreaseof molybdenum contentcould promotethe

precipitationofμphase,whileboron,cobalt,chromium,titaniumandaluminuminhibitedtheprecipitationofμ

phase．BoronhadnoeffectonthestabilityofM３B２,buttheincreaseofcontentimprovedtheprecipitateamount．

Titaniumcontributedtotheprecipitationandstabilityofγ′phase,andaluminumimprovedtheprecipitateamountof

γ′phase．

Keywords:Haynes２８２alloy;JMatProsoftware;thermodynamiccalculation;elementcontent;equilibriumprecipitate

０ 引 言

鎳基高溫合金因高溫強度高、抗蠕變性好、疲勞壽命長以及耐腐蝕性能良好而廣泛應(yīng)用于航天和發(fā)電行業(yè)的燃氣輪機等高溫部件上[１].Haynes公司于２００５年開發(fā)了 Haynes２８２鎳基高溫合金,其使用溫度在６４９~９２７℃之間;通過優(yōu)化成分及控制合金中γ′相的含量,Haynes２８２合金兼具較高的蠕變強度、良好的熱穩(wěn)定性以及優(yōu)越的可加工性和焊接性能[２Ｇ４].Haynes２８２合金的熱力學(xué)平衡析出相包括γ、γ′、MC、M６C、M２３C６、M３B２、σ和 μ等[５].MC 相尺寸較大,呈不規(guī)則形狀,對合金的沖擊韌性有一定影響.晶界上離散分布的 M２３C６ 碳化物會阻礙晶界滑移,從而提高合金的高溫持久強度,但是晶界上大塊或連續(xù)的 M２３C６ 碳化物也會導(dǎo)致合金的脆化,造成沿晶斷裂[６].γ′相的尺寸、數(shù)量、形態(tài)和分布對合金的力學(xué)性能有重要影響[７].M３B２ 可阻止晶界滑動,抑制有害相在晶界析出,從而提高持久強度;然而晶界上呈連續(xù)狀或半連續(xù)狀分布的薄片狀硼化物會導(dǎo)致晶界脆化而成為裂紋形核與擴展之地,從而明顯縮短合金的持久壽命、降低塑性.μ相通常呈顆粒狀、棒狀、片狀或針狀分布,且尺寸較大,對合金的室溫塑性、高溫持久性能和抗氧化能力均不利,因此要盡量避免μ相的析出.σ相硬而脆,容易發(fā)生破碎;片狀或針狀σ相的析出會大幅度降低合金的溫/中溫塑性和沖擊性能,縮短其持久壽命[７].目前,國內(nèi)外對 Haynes２８２合金的研究主要集中在其熱處理工藝和力學(xué)性能上,有關(guān)其成分的研究較 少. 已 有 研 究 表 明,通 過 熱 力 學(xué) 計 算 軟 件JMatPro軟件可以比較準(zhǔn)確地計算出不同成分鎳基高溫合金的平衡相含量和物理性能[７].余勇等[６]采用JMatPro軟件對 Haynes２８２合金進行了相圖計算,討論不同元素對析出相的影響,但是沒有具體分析元素含量對析出相的影響規(guī)律.為此,作者利用JMatPro軟件計算并分析了元素含量對合金中析出相含量和析出溫度的影響,擬為該合金成分設(shè)計及熱處理工藝的制定提供參考.

１ 試驗材料與計算方法

試驗材料為圓柱狀的鍛態(tài) Haynes２８２合金,在其端面１/２半徑處取樣,采用電拋電解方法侵蝕試樣.電拋液組成(體積分數(shù))為２０％濃硫酸＋８０％甲醇,電拋電壓為８~１５V,電拋時間為２~１０s;電解液組成為１５０mL磷酸＋１０mL濃硫酸＋１５g三氧化鉻,電解電壓為２~１０V,電解時間為１~１０s.采用ZEISSSUPRA５５ 型場發(fā)射掃描電鏡(SEM)觀察 試 樣 中 析 出 相 的 形 貌. 由 圖 １ 可 知,鍛 態(tài)Haynes２８２合金中主要析出了 γ′相,γ′相呈細小球形,均勻分布于基體上.

采 用 JMatPro 軟 件 計 算 Haynes２８２ 合 金 在６００~１４００ ℃溫度范圍內(nèi)的相圖,計算時所用元素含量取合金成分[８Ｇ９]的中值,見 表 １.在 保 持 其他元素含量不變的條件下,利用JMatPro軟件計算得到其中一種元素含量對析出相含量和析出溫度的影響.作為單獨變量時不同元素的含量見表２

２ 結(jié)果與討論

２．１ 合金相圖

Haynes２８２合金中的析出相 有 γ′、MC、M６C、M２３C６、M３B２、σ 和 μ 等. 由 圖 ２ 可 知:γ、MC、M３B２、M６C、γ′、σ、M２３C６ 和 μ等析出相的析出溫度分別為 １３４６．８１,１２６９．８２,１２６１．６６,１１６９．０５,１０００．０２,８４５．６０,８３９．４４,６００．８６ ℃,液相開始出現(xiàn)的溫度為１２６０．３８ ℃;當(dāng) MC相析出時,液相幾乎完全消失.該相圖與余勇等[６]計算的相圖比較一致,但由于計算采用的合金元素含量有所不同,不 同析出相的析出溫度存在差異.符銳等[１０]研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)熱處理(１１２１~１１４９℃保溫２h空冷＋１０１０℃保溫２h空冷＋７８８℃保溫８h空冷)后可觀察到細小的γ′相彌散分布于基體上,晶界存在 Cr２３C６ 碳化物,晶內(nèi)存在富鈦的 MC一次碳化物,與由JMatPro軟件計算得到的相圖相符;但是在７６０ ℃和８００ ℃長期時效３０００h后出現(xiàn)了針狀或者棒狀的μ相,與計算得到的相圖不符.對此,徐仰濤等[７]給出了相關(guān)解釋,計算結(jié)果是完全建立在熱力學(xué)基礎(chǔ)上的,而合金的實際凝固過程是熱力學(xué)與動力學(xué)綜合作用的結(jié)果.一些化合物雖然在理論上是存在的,但實際過程中可能動力學(xué)等因素占據(jù)了主導(dǎo)地位,導(dǎo)致這些化合物并未形成;同理,一些理論上不存在的化合物在實際過程中也可能因為動力學(xué)等因素而析出.

２．２ 不同元素含量對析出相析出行為的影響

２．２．１ 碳含量的影響

由圖３可以看出:隨著碳含量的增加,MC、M６C、M２３C６ 等碳化物的析出溫度升高、最大析出量增加,但 MC和 M６C碳化物的回溶溫度降低.碳含量增加促進了碳化物的析出.在實際的顯微組織中可以觀察到大量的 MC、晶界 M２３C６ 和少量 M６C碳化物,與圖３中 MC和 M６C碳化物最終消失的結(jié)果有所差異,這是因為熱處理時并不能達到理論上的熱力學(xué)條件.MC在長期時效或服役過程中,會發(fā)生退化反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)?M２３C６、M６C或其他相.隨著碳含量的增加,μ相的析出溫度降低、最大析出量減少,但σ相則相反,其析出溫度升高、最大析出量增加.σ相析出量的減少和μ相析出量的略有增加應(yīng)與 M２３C６ 碳化物的形成能消耗相對多的鉻元素,導(dǎo)致合金基體中出現(xiàn)局部鉬和鎢等元素的富集有關(guān)[９].碳含量的變化對 M３B２和γ′相的析出行為沒有影響.

２．２．２ 鉻含量的影響

由圖４可以看出:隨著鉻含量的增加,γ′相的最大析出量不變,均在２２％(質(zhì)量分數(shù),下同)左右,析出溫度也幾乎不變,表明鉻元素對γ′相的析出沒有影響;MC的析出溫度基本不變,在１２８６~１２９０℃范圍內(nèi),回溶溫度降低,最大析出量增加;M６C的析出溫度 降 低,最 大 析 出 量 減 少,回 溶 溫 度 升 高;M２３C６的析出溫度由７９４℃升高到１０２４℃,說明鉻元素能促進 M２３C６ 的穩(wěn)定性,但最大析出量差別不大,均在１．１７％左右,這應(yīng)是由于合金中的碳含量相對鉻而言是不足的,M２３C６ 的最大析出量由碳含量決定.鉻是組成σ相的元素,因此隨著鉻含量的增加,σ相的析出溫度升高,最大析出量增加;鉻元素含量的增加對提高σ相的析出量和穩(wěn)定性作用很大.當(dāng)鉻含量(質(zhì)量分數(shù),下同)為１８．５％,１９．０％時,

μ相的析出溫度分別為６２５,６０６ ℃,最大析出量分別為２．２１％,０．５４％,繼續(xù)增大鉻含量后,合金中未能析

出μ相,這說明鉻含量的增加會降低μ相的析出量和穩(wěn)定性.由于鉻含量的增加會促使 M２３C６ 的析出,造成晶界處鉬、鎢等元素含量的減少,因此μ相的析出量減少.鉻含量對 M３B２ 的析出行為沒有影響.

２．２．３ 硼含量的影響

由圖５可知:隨著硼含量的增加,MC的析出溫度略微降低,在１２９０~１２８５ ℃范圍內(nèi),最大析出量略微減少,回溶溫度在１０６７~１０６２ ℃;M３B２ 的析出溫度基本不變,在１２５３~１２６０ ℃范圍內(nèi),最大析出 量 由 ０．０３７％ 增 至 ０．１２３％,說 明 硼 含 量 對M３B２ 的穩(wěn)定性影響很小,主要影響的是其析出量.隨著硼含量的增加,μ相的析出溫度略有降低、最大析出量略有減少,但變化范圍較小,這應(yīng)是由于硼含量的增加造成硼化物析出量增加,固定了鈷、鎢等 μ

相中含有的元素,導(dǎo)致 μ相析出量降低.硼含量對σ相、M６C、M２３C６、γ′相的析出行為沒有影響.

２．２．４ 鈷含量的影響

由圖６可以看出:隨著鈷含量的增加,MC的析出溫度基本不變,保持在１２８９~１２９０ ℃范圍內(nèi),最大析出量增加,回溶溫度降低;M６C 的析出溫度降低,回溶 溫 度 升 高,最 大 析 出 量 基 本 不 變,均 在２．２２％左右;M２３C６ 的析出溫度稍有升高,析出量幾乎沒有變化;σ相的析出溫度略有升高,最大析出量增加,可見鈷含量增加有利于σ相的析出.當(dāng)鈷含量９．０％,９．５％,１０．０％時,合金中有 μ相析出,析出溫度分別為６４１,６２３,６０６ ℃,最大析出量依次降低;而當(dāng)鈷含量繼續(xù)增加到１０．５％,１１．０％時,合金中沒有μ相析出.由此可見,鈷含量增加會減少 μ相的析出,并且降低其穩(wěn)定性.鈷含量對 M３B２、γ′相的析出行為沒有影響.

２．２．５ 鉬含量的影響

由圖７可以看出:隨著鉬含量的增加,MC的析出溫度基本不變,在１２８６~１２９１ ℃范圍內(nèi),最大析出量減少,回溶溫度升高;M６C的析出溫度升高,最大析出量變化不大,在２．２２％~２．２３％范圍內(nèi),回溶 溫度降低;M２３C６的析出溫度降低,最大析出量幾乎保持不變,為１．１７％,這應(yīng)是受到了碳含量的控制;μ相和σ相的析出溫度均升高,最大析出量增

加,這說明鉬含量的增加可以促進 μ相和σ相的析出.鉬含量對 M３B２、γ′相的析出行為沒有影響.

２．２．６ 鈦含量的影響

由圖８可以看出:隨著鈦含量的增加,γ′相和σ相的析出溫度升高,最大析出量增加,鈦元素的存在有利于γ′相和σ相的析出和穩(wěn)定;MC的析出溫度不變,均在１２８９℃左右,回溶溫度降低,最大析出量增加;M６C的析出溫度降低,最大析出量變化不大,回溶溫度升高;M２３C６ 的析出溫度升高,最大析出量不變,均在１．１７％左右.當(dāng)鈦含量由１．０％增至２．２％時,μ相的析出溫度降低,最大析出量減少;而當(dāng)鈦含量增加至２．３％時,合金中沒有μ相的析出.由此可見,鈦元素的存在可以抑制 μ相的析出并降低其穩(wěn)定性.鈦含量對 M３B２ 的析出行為沒有影響.

２．２．７ 鋁含量的影響

由 圖９可以看出:隨著鋁含量的增加,γ′相的析出溫度幾乎不變,σ相的析出溫度升高,兩相的最大析出量均增加,說明鋁元素的存在可以促進γ′相和σ相的析出,增強σ相的穩(wěn)定性.γ′相的析出通常伴隨著鋁元素在晶界前的擴散[１１].隨著鋁含量的增加,M２３C６ 的析出溫度升高,最大析出量變化很小,均在１．１７％左右;M６C的析出溫度和最大析出量的變化均較小,回溶溫度升高;MC 的析出溫度不變,最大析出量略微增加,回溶溫度略微降低.隨著鋁含量的增加,μ 相的析出溫度降低,最大析出量減少;當(dāng)鋁含量增至１．６５％時,合金中沒有 μ相析出.可見鋁元素的存在會抑制 μ相的析出,降低其穩(wěn)定性.鋁含量對 M３B２ 的析出行為沒有影響.

３ 結(jié) 論

(１)碳元素主要決定了碳化物的析出行為,隨著碳含量的增加,MC、M６C、M２３C６ 的析出溫度升高,最大析出量增加,MC、M６C的回溶溫度降低;鉻含量的增加增強了 M２３C６ 的穩(wěn)定性,隨著鉻含量的增加,M２３C６ 的析出溫度顯著升高;隨著鈦含量的增加,MC的析出溫度不變,回溶溫度降低,最大析出量顯著增 加;其 他 元 素 對 碳 化 物 的 析 出 行 為 影響較小.

(２)鉻、鈷、鉬、鈦或鋁含量的增加會提高σ相的析出溫度和最大析出量,即有利于σ相的析出及穩(wěn)定;鉬含量的增加會提高 μ相的析出溫度和最大析出量,即有利于 μ相的析出及穩(wěn)定,鉻、鈷、硼、鈦或鋁則相反,其含量的增加會降低其析出溫度,減少其析出量.

(３)硼 含 量 的 增 加 對 M３B２ 的 穩(wěn) 定 性 影 響 較小,其析出溫度基本不變,但是會增加其析出量.

(４)鈦和鋁元素含量的增加有利于 γ′相的析出,其中鈦元 素 可 促 進 γ′相 的 析 出 并 增 強 其 穩(wěn) 定性,鋁元素則可提高γ′相的析出量.