P与高温合金主要基体元素间的交互作用

发布时间：2020-09-24 15:35

　　近些年研究结果表明,在某些高温合金中加入适当含量的P元素,能显著提高合金的持久及蠕变性能。因此,关于P的作用研究成为热点问题。但由于高温合金中的合金元素种类多至十余种,使得P的作用及机理研究变得复杂。因此,本文并未选用现有牌号的高温合金,而是设计了更便于研究的新合金体系。首先,在综合分析确定Ni-Cr系合金及Ni-Cr-Fe系合金基体均为稳定γ相的前提下,调整Ni、Fe含量的比例。其次,合金中除了加入P以及少量用于强化晶界的C外,不加入Al、Ti、Nb等强化元素,排除γ'及γ"相的干扰。最后,通过调整合金中的P含量,对比分析P与主要基体强化元素间的交互作用,为深入了解P在合金基体中的强化机理,提高合金使用性能以及发展新合金提供可参考的方法及途径。本文首先研究了 P对Ni-Cr系合金的铸态组织,轧态组织以及不同热处理条件下力学性能的影响。结果表明,P含量的提高,细化Ni-Cr合金的铸态组织,减小Cr元素在铸态组织中的偏析。P抑制轧态合金中α-Cr相的析出。分析认为P除了在晶界存在“优先占位”现象外,P还降低了Cr在α-Cr相的活度系数,从而降低其析出驱动力。P含量的增加使得轧态合金的拉伸强度下降,但冲击性能上升。通过固溶处理将α-Cr相完全溶解之后,P对合金的拉伸性能无明显影响,但仍会提高合金的冲击性能。同时,固溶P原子对冲击试样中的位错组态影响显著,证明固溶态的P原子对合金基体有重要作用。本文也研究了 P含量变化对Ni-Cr-15Fe系合金的晶粒形核及长大的影响。P含量的提高显著影响合金的铸态枝晶组织,明显促进了晶粒生长,抑制晶粒形核。同时,在枝晶间的区域以及晶界上形成大量的P化物,说明过饱和P原主要存在于未凝固的剩余液体中,在最后凝固析出。除了晶界和枝晶间析出相以外,当P含量高于0.27wt.%时,晶内有含P的M23C6相析出,说明晶内的P原子已达饱和状态。能谱结果显示,距离晶界越近,P含量越高,证明了 P确实有向晶界偏聚的趋势。Fe含量的变化也显著影响了含P的Ni-Cr-Fe系合金凝固组织,元素偏析及力学性能。结果表明,Fe含量的增加,细化铸态枝晶组织。随着Fe含量的增加,P在枝晶中的富集位置逐渐由枝晶间向枝晶干转移,说明Fe含量的增加提高了P在基体的固溶度。枝晶间及枝晶干的硬度变化也证实了 P原子在基体中的固溶强化作用。Fe含量的增加,降低固溶态合金的拉伸性能及持久性能,断裂方式也由穿晶断裂向沿晶断裂转变。基于之前对Ni-Cr系及Ni-Cr-Fe系合金的结果,着重研究了 Ni-Cr-15Fe系合金及Ni-Cr-30Fe系合金在不同P含量下的组织性能变化。结果发现,P含量的增加促进晶界M3P相的析出,在蠕变初期起到强化晶界的作用。晶内显微硬度的变化,证明P在基体中的固溶强化作用是提高晶内强度的关键,也是蠕变性能提高的主要原因。证实了 P的有益作用确实具有合金选择性,在较低Fe含量的合金中,适当提高P含量既可以通过析出相强化晶界,也可发挥P在晶内的固溶强化作用,使其性能达到最优。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG132.3
【部分图文】：

历程,高温合金,镍基高温合金,使用温度

图１－ｌＮｉ基高温合金的发展历程逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ邋ｔｒｅｎｄ邋ｏｆ邋Ｎｉ－ｂａｓｅｄ邋ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙ逡逑，Ｎｉ基高温合金在整个高温合金领域起着不可替代的重要成分及改善合金的生产技术，使得镍基高温合金在４０年代到展。高温合金，尤其是Ｎｉ基合金的使用温度范＿也从７０＿９］。－。逡逑

合金,室温,塑性

逦－２０逡逑＿邋：邋？邋：逡逑图１－２邋Ｐ原子在ＡＴＩ７１８Ｐｌｕｓ合金中的分布逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ａｔｏｍ邋ｍａｐｐｉｎｇ邋ｏｆ邋Ａ１邋ａｎｄ邋Ｐ邋ｉｎ邋ｙ邋ｍａｔｒｉｘ邋ａｎｄ邋ｙｆ邋ｐｈａｓｅ逡逑（ａ）邋Ａ１邋ｉｎ邋ｍａｔｒｉｘ邋ａｎｄ邋ｙｆ邋ａｎｄ邋（ｂ）邋Ｐｉｎ邋ｍａｔｒｉｘ邋ａｎｄ邋ｙｆ逡逑１．４邋３邋Ｐ对力学性能的作用逡逑（１）拉伸性能逡逑文献［３７］中的结果发现了邋Ｐ对ＧＨ７６１合金的室温拉伸性能及高温拉伸性能的逡逑影响。如图１－３所示，当合金中的Ｐ低于０．０１６邋ｗｔ．％时，该合金的室温及６５０°Ｃ逡逑的拉伸强度和塑性均无显著变化。一旦Ｐ含量高于０．０１６邋ｗｔ．％时，室温拉伸的屈逡逑服强度，抗拉强度以及延伸率，断面收缩率均有所下降。说明，此时合金的室温逡逑强度和塑性都受Ｐ含量的影响而导致降低。但６５０°Ｃ下合金的拉伸强度基本无变逡逑化，但合金的塑性略有下降。逡逑６逡逑

冲击性能,合金,持久性能,持久寿命

原来的３倍以上。目前针对Ｐ对高温合金中持久性能的影响己经有诸多研宄，Ｐ逡逑对持久性能的影响总结如下：逡逑首先，Ｐ对持久性能的有益作用具有合金选择性。如图１－８所示，经过标准逡逑热处理后的ＧＨ７６１合金及ＩＮ７１８合金，Ｐ的加入能够显著提高合金的持久寿命，逡逑但合金的持久塑性无明显变化［４＜）＇４１］。同时Ｐ对细晶态的合金也表现出明显的有逡逑益作用＠４Ｚ４３］。近些年对其他合金的研究［３８１也发现，Ｐ在ＩＮ７０６合金中也可以延逡逑长合金的持久寿命，如图１－９所示。而在１Ｎ７８３合金中添加Ｐ则会导致合金寿命逡逑下降但在ＧＨ４１３３和Ｗａｓｐａｌｏｙ两种合金中，有益的作用却极其微弱［４６，４７］。逡逑因此，Ｐ在高温合金中究竟是有益还是有害，与合金体系的变化似乎有千丝万缕逡逑的关系。逡逑１１逡逑

【参考文献】