高温合金中的相
镍基单晶高温合金γ-Ni-γ'-Ni3Al相界中合金元素偏析行为及其对相界热力学稳定性和断裂强度的影
镍基单晶高温合金γ-Ni-γ'-Ni3Al相界中合金元素偏析行为及其对相界热力学稳定性和断裂强度的影响镍基单晶高温合金是一类在高温环境下应用广泛的材料，拥有优异的高温强度和抗氧化性能。
该类合金通常由γ-Ni基体和γ'-Ni3Al间质相构成。
然而，合金元素在γ/γ'相界中的偏析行为对合金的性能和稳定性具有重要影响。
γ/γ'相界是合金中重要的界面区域，其热力学稳定性和断裂强度直接影响着合金的整体性能。
过量的合金元素偏析会导致相界区域的化学成分不均匀，进而影响相界区域的力学性能。
因此，了解合金元素在相界中的偏析行为对于设计和开发镍基单晶高温合金至关重要。
在γ-Ni/γ'-Ni3Al相界中，几种主要的合金元素，如钨（W）、铌（Nb）和铝（Al），都存在偏析倾向。
这些元素在常温下主要弥散在γ-Ni基体中，但在高温下会向γ'-Ni3Al 间质相或两相界面偏聚。
根据研究发现，这种偏析行为与相界区域的能量状态密切相关。
以钨为例，其属于γ'-Ni3Al相中的强晶界偏析元素，添加适量的钨可以提高合金的断裂韧性；而过量的钨偏析则会导致相界区域的脆化，降低合金的强度和耐久性。
除了偏析行为的影响外，合金元素还可以通过改变相界区域的化学成分进而影响相界的热力学稳定性。
实验和模拟研究表明，钨的添加可以提高相界的热稳定性，减少相界二次相的析出，从而提高合金的高温强度和抗氧化性能。
然而，相界区域的化学成分也受到其他因素的影响，如固溶度限制和固相反应等，这些因素进一步增加了相界区域的复杂性。
总而言之，镍基单晶高温合金γ-Ni/γ'-Ni3Al相界中的合金元素偏析行为对其热力学稳定性和断裂强度具有重要影响。
了解合金元素在相界中的偏析行为可以为合金的设计和开发提供重要的指导。
因此，在开发新的镍基单晶高温合金时，需要综合考虑合金元素的偏析行为，并通过合适的合金设计和热处理方法来控制相界区域的化学成分，从而实现材料的优良性能。
高温合金中的相
高温合金材料的金属间化合物(Inter-metallic compound phase of super-alloy) 过渡族金属元素之间形成的化合物。
按晶体结构可分两类，一类称几何密排相（GCP相），另一类称拓扑密排相（TCP相）。
1. 几何密排相为有序结构，高温合金中常见的有如下几种相:丫相化学式是Ni3A1，是Cu3Au型面心立方有序结构。
铁基高温合金中丫与丫基体的点阵错配度一般较小，镍基高温合金中错配度在0.05%〜1 %之间，随着使用温度升高，错配度减小。
由于丫与丫基体的结构相似，所以丫相在时效析出时具有弥散均匀形核、共格、质点细而间距小、相界面能低而稳定性高等特点。
丫相本身具有较高的强度并且在一定温度范围内随温度上升而提高，同时具有一定的塑性。
这些基本特点使丫相成为高温合金最主要的强化相。
时效析出的丫相常为方形和球形，个别情况呈片状和胞状，主要取决于析出温度和点阵错配度。
错配度较小或析出温度较低时易成球形，错配度大或析出温度高时易成方形，错配度很大而析出温度又较低时可成为片状和胞状。
高温时效时，丫相不仅在晶内弥散析出，还可以在晶界析出链状的方形丫相。
在长期时效和使用过程中，丫' 相会聚集长大。
铸态的一次（丫+洪晶呈花朵状。
丫相中可以溶入合金元素，钻可以置换镍，钛、钒；铌可以置换铝；而铁、铬、钼可置换镍也可置换铝。
丫相中含铌、钽、钨等难熔元素增加，丫相的强度也增加。
当合金中丫相含量较少时，丫相尺寸大小对强度的影响十分敏感，通常0.1〜0.5/xm比较合适。
当了’相数量达40%以上时，丫相尺寸大小对合金强度的影响就不大敏感了，允许有大尺寸的丫相存在。
n相化学式Ni3Ti为密排六方有序相，其组成较固定，不易固溶其他元素.相可以直接从丫基体中析出，也可以由高钛低铝（Ti/Al M2 5）合金中亚稳定的Ni3（Al，Ti）相转变而成。
n相的金相形态有两种，一种是晶界胞状，另一种为晶内片状或魏氏体形态。
e110锆合金中第二相的显微结构与演变规律
e110锆合金中第二相的显微结构与演变规律E110锆合金是一种高温合金，最初由埃克尔公司开发，并成功制备出具有良好物理和力学性能的微晶组织。
锆合金加工工艺中最常见的相组成为γ相、α相和α+γ相，其中第二相的微观结构和演变规律分别是：
①γ相，γ相的晶粒主要以小颗粒状，颗粒大小约1-10μm，具有较好的可塑性，孔隙较多，这种类型微观结构可以维持锆合金熔点低，片状特性良好，同时具有良好的冲击韧性和抗突变性能。
②α相，对α相，其基体由γ锆形成，形貌表现为晶界网状结构，穿过基体的α锆晶粒大小约为4-100μm，其特性与γ相相似，但比γ相更硬和更韧，表现出良好的高温力学性能，并具有较高的耐磨性能和优良的耐腐蚀性能。
③α+γ相，α+γ相对于γ相和α相，它的晶粒大小介于二者之间，相较于γ相和α相的组合，其具有良好的热力学性能，具有更好的抗蠕变性、高温强度、高温软化性和良好的耐氧化性能。
在熔点升高过程中，γ相最初衰变变相生成α相。
之后，随着熔点的进一步升高，随着γ晶粒逐渐减小，α相继续增长，最终混合γ+α相。
经过熔点提高后，α+γ相会增大，γ+α相会逐渐衰变，当熔点接近其最高值时，α+γ相会相对均匀地分布在基体中。
镍基高温合金中,析出相切过和绕过的临界尺寸
镍基高温合金中,析出相切过和绕过的临界尺寸镍基高温合金是一类在高温、腐蚀和应力应变条件下具有优异性能的合金材料，因此在航空航天、能源等领域得到广泛应用。
在镍基高温合金中，析出相是影响其性能的关键因素之一。
在析出相形成过程中，有一个重要的概念就是临界尺寸，这是一个关乎合金性能和稳定性的重要参数。
让我们来理解一下析出相在镍基高温合金中的作用。
镍基高温合金通常在高温下工作，而在高温下，合金中的固溶元素往往会析出形成弥散相。
这些析出相可以有效地阻碍位错的滑移和增材扩散，从而提高合金的强度和抗变形能力。
析出相还可以提高合金的高温抗氧化性能和耐腐蚀性能，使合金在高温高压的环境中表现出色。
我们来探讨一下析出相切过和绕过的临界尺寸。
在镍基高温合金中，析出相的形成过程是一个复杂的动力学过程。
当合金处于高温状态时，固溶元素会聚集并形成原子团簇，随着时间的推移，这些原子团簇会逐渐成长并最终形成稳定的析出相。
在此过程中，存在着一个临界尺寸的概念。
临界尺寸是指在形成过程中，原子团簇必须达到一定的尺寸才能继续成长，并最终形成稳定的析出相。
如果原子团簇的尺寸小于临界尺寸，它们很可能会因为热运动的影响而重新溶解，无法形成稳定的析出相。
在镍基高温合金中，析出相切过和绕过的临界尺寸对合金性能具有重要影响。
如果析出相的临界尺寸过大，那么在合金中形成稳定的析出相所需的时间就会变长，这可能会影响合金的生产效率。
另外，如果析出相的临界尺寸过小，那么原子团簇很容易就会超过临界尺寸形成稳定的析出相，这可能会导致析出相过度，从而影响合金的机械性能和耐腐蚀性能。
在实际生产中，为了控制析出相的临界尺寸，人们通常会通过合金化元素的添加、热处理工艺的优化等方式来调节合金的组织结构和析出相的形成过程。
通过合理地控制析出相的切过和绕过的临界尺寸，可以同时满足合金的强度、韧性、高温抗氧化性和耐腐蚀性等性能要求。
析出相在镍基高温合金中的切过和绕过的临界尺寸是影响合金性能与稳定性的重要因素。
金属间化合物基高温合金
金属间化合物基高温合金金属间化合物基高温合金是一种特殊的合金材料，具有良好的高温强度和耐腐蚀性能。
它由金属间化合物相和金属基体相组成，常用于航空航天、能源和化工等领域的高温工作环境中。
金属间化合物基高温合金的研发和应用，是为了满足高温工作环境对材料性能的高要求。
相较于传统的高温合金，金属间化合物基高温合金具有更高的熔点、更好的高温强度和更优异的抗氧化和耐腐蚀性能。
这使得它们能够承受更高的工作温度和更严酷的工作条件，同时延长了材料的使用寿命。
金属间化合物基高温合金的主要成分包括金属间化合物相和金属基体相。
金属间化合物相是指由金属元素和非金属元素组成的化合物，具有良好的热稳定性和高温强度。
金属基体相是指金属间化合物相中的基体金属，起到支撑和增强材料的作用。
金属间化合物基高温合金的研发过程中，需要考虑合金成分的选择、合金化工艺的优化和合金的组织结构控制等问题。
合金成分的选择是关键，需要根据具体的工作环境和要求，选择合适的金属元素和非金属元素，以实现合金的高温强度和耐腐蚀性能。
合金化工艺的优化可以通过调整熔炼工艺、热处理工艺和加工工艺等方式来改善合金的性能。
合金的组织结构控制是保证合金性能稳定和一致性的重要手段，可以通过合金的凝固方式、固溶处理和时效处理等来控制合金的晶粒大小、相分布和相间界面。
金属间化合物基高温合金的应用领域广泛，其中最为突出的是航空航天领域。
航空发动机和航天推进系统中的涡轮叶片、燃烧室和喷管等部件，通常需要承受极高的温度和压力。
金属间化合物基高温合金的高温强度和耐腐蚀性能，使其成为这些部件的理想材料。
此外，金属间化合物基高温合金还广泛应用于能源和化工等领域，如石油化工装备、核电设备和燃气轮机等。
然而，金属间化合物基高温合金也存在一些挑战和问题。
首先，合金的成本较高，由于合金中含有贵金属元素和稀有金属元素，导致其价格昂贵。
其次，合金的加工性能较差，由于合金的高熔点和高硬度，使得其加工难度增加，加工成本也较高。
FGH96高温合金中γ′相完全溶解温度的研究
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第３ １ 卷 第 ２期
２ ０ １ ３年 ４月
粉 末 冶 金 技 术
Ｐｏ ｗｄｅ ｒ Ｍ ｅ ｔ ａｌ ｌ ｕ ｒ ｇｙ Ｔｅ ｃ ｈｎ ｏｌ ｏｇ ｙ
Ｖｏ １ ． ３１，Ｎｏ ． ２ Ａｐｒ ． ２ ０１ ３
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镍基高温合金长期时效过程中第二相的析出
3
结
论
（l）合金在长期时效时会析出碳化物相与针 状 TCP 相 ・碳化物与 TCP 相的析出特性有着类 似之 处： 其颗粒尺寸大于 800C 时 效 容 易 析 出， 900C 时效时的尺寸 ・ （2）实 验 观 察 到 析 出 碳 化 物 种 类 有 M 23 C6 型、 M 7 C3 型； TCP 相有 " 相、 # 相两种 ・ （3） 趋向 !' 相的形貌随着时效时间的延长， 于方形， 而分布则越来越不平衡， 聚集并长大・基 体中析出的 !' 相的粒子平均半径的负三次方与 时效时间成正比， 符合里夫希茨 ・ 瓦格纳的第二相 粒子成熟理论 ・ 参考文献：
能的 显 著 下 降， 是合金组织中所不希望出现
［ 7， 8］ 的 本实验主要通过对固溶处理后的试样进 ・
行不同的温度与时间的时效处理后研究合金在不 同长期时效制度下的 #' 相、 碳化物和 TCP 相的 析出规律 ・
1
实验方法
实验用料为高温合金板材， 取自抚顺钢厂提
再在 M TP-1 磁力驱动双喷电 mm 小圆片各 5 个， 解减 薄 器 上 最 终 减 薄， 电 解 液 为 10% HCIO4 + 抛光电压 50 ~ 75 V ， 电流 50 mA， 90% C2 H5 OH， 双喷时利用干冰将电解温度控制在 - 25 ~ - 30 利用透射电镜进行观察并照相、 确定晶体 C 之内 ・ 结构 ・ !"# 扫描电镜观察 利用线切割方法切下大小适中的所需试样・ 在由粗到细的砂纸上仔细磨光并抛光・利用腐蚀 液： （20 mI）+ C2 H5 OH （ 80 mI）+ CuSO（ HCI 4 4 g） 进行腐蚀， 直至在光学显微镜下看到没有明显的 划痕， 并且可以清晰地看到晶界与部分晶内析出 相 （长期时效试样） 为止， 利用扫描电镜进行观察、 电子探针分析并照相 ・
高温合金初熔组织
高温合金初熔组织
高温合金是一种具有高温、高强度和耐腐蚀性能的金属材料，广泛应用于航空、航天、发电、化工等领域。
其初熔组织是指高温合金在加热过程中所呈现的微观组织特征。
高温合金的初熔组织通常包括两种类型：固溶体和残余相。
固溶体是高温合金中的主要相，通常由镍、铬等元素组成。
在高温加热过程中，这些元素会与其他元素形成固溶体，并随着温度的升高逐渐溶解。
残余相则是指高温合金中未被溶解的相，通常由铝、钛等元素组成。
这些元素的熔点较高，因此在高温加热过程中不易融化。
高温合金的初熔组织对其性能具有重要影响。
固溶体的含量和组成会影响高温合金的强度、塑性、耐腐蚀性等性能。
残余相的存在可以提高高温合金的耐热性能和抗氧化性能。
为了获得理想的初熔组织，高温合金的制备过程需要控制加热、冷却速度等参数，并注意合金中各元素的比例和含量。
此外，高温合金的热处理也会对初熔组织产生影响，通常采用固溶退火、时效等方法进行优化。
总之，高温合金的初熔组织是其性能优异的重要因素，只有在制备和加工过程中进行合理控制，才能获得理想的组织结构和性能。
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高温合金材料的金属间化合物
(Inter-metallic compound phase of super-alloy) 过渡族金属元素之间形成的化合物。
按晶体结构可分两类，一类称几何密排相(GCP相)，另一类称拓扑密排相(TCP相)。
1.几何密排相为有序结构，高温合金中常见的有如下几种相:
γ’相
化学式是Ni3A1，是Cu3Au型面心立方有序结构。
铁基高温合金中γ’与γ
基体的点阵错配度一般较小，镍基高温合金中错配度在0.05％～1％之间，随着使用温度升高，错配度减小。
由于γ’与γ基体的结构相似，所以γ’相在时效析出时具有弥散均匀形核、共格、质点细而间距小、相界面能低而稳定性高等特点。
γ’相本身具有较高的强度并且在一定温度范围内随温度上升而提高，同时具有一定的塑性。
这些基本特点使γ’相成为高温合金最主要的强化相。
时效析出的γ’相常为方形和球形，个别情况呈片状和胞状，主要取决于析出温度和点阵错配度。
错配度较小或析出温度较低时易成球形，错配度大或析出温度高时易成方形，错配度很大而析出温度又较低时可成为片状和胞状。
高温时效时，γ’相不仅在晶内弥散析出，还可以在晶界析出链状的方形γ’相。
在长期时效和使用过程中，γ’相会聚集长大。
铸态的一次(γ+γ’)共晶呈花朵状。
γ’相中可以溶入合金元素，钴可以置换镍，钛、钒；铌可以置换铝；而铁、铬、钼可置换镍也可置换铝。
γ相中含铌、钽、钨等难熔元素增加，γ’相的强度也增加。
当合金中γ’相含量较少时，γ相尺寸大小对强度的影响十分敏感，通常0.1～0.5／xm比较合适。
当了’相数量达40％以上时，γ’相尺寸大小对合金强度的影响就不大敏感了，允许有大尺寸的γ’相存在。
η相
化学式Ni3Ti为密排六方有序相，其组成较固定，不易固溶其他元素. η相可以直接从γ基体中析出，也可以由高钛低铝(Ti/Al≥2．5)合金中亚稳定的Ni3(Al，Ti)相转变而成。
η相的金相形态有两种，一种是晶界胞状，另一种为晶内片状或
魏氏体形态。
高温合金中出现．因为η相总是伴随着强度下降，因为η相本身既无硬化作用而又要消耗一部分γ’相。
合金中减少钛含量，增加铝含量，加入适量硼可以抑止胞状η相。
某些铁基高温合金中加硅使生成G相，造成晶界贫γ’区，可明显地抑止η相。
η相的析出温度范围为700～950℃左右。
冷加工能明显促进η相形成。
γ´´相
化学式为Ni x Nb，体心四方有序结构，金相形貌是圆盘形。
γ´´相具有高屈服强度(≈1300MPa)的特点，这是因为γ与γ´´之间的点阵错配度较大，共格应力强化作用显著。
γ´´相是亚稳定的过渡相，在高温长期保温下，很容易聚集长大并发生γ´´→δ-Ni3Nb转变，因此使用温度不能超过650～700℃。
γ´´相析出温度约为550～900℃，析出速度较慢，这有助于减少焊缝热影响区时效裂纹倾向，因此用γ´´相强化的合金有良好的焊接性。
Ni—Nb二元系中不出现γ´´亚稳定相，而直接形成稳定的δ-Ni3Nb相，只有加入适量的铁和铬才能形成γ´´相。
因此，用γ´´相强化的合金都是铁镍基合金。
δ-Ni3Nb相
Cu3Ti型正交有序结构，金相形貌多数为薄片状，在GH4169合金(中国)中也见到晶界颗粒状的δ-Ni3Nb相，在某些合金中还有胞状δ-Ni3Nb相。
该相析出温度约为780～980℃。
硅、铌促进δ-Ni3Nb相形成，用钽代替铌可以阻止δ-Ni3Nb 相析出。
GH4169合金中加入铝、钛可以抑止γ’’→δ-Ni3Nb转变。
2.拓扑密排相
晶体结构复杂，原子排列非常紧密，配位数高达14～16，原子间距极短，只存在四面体间隙。
高温合金中常见的有如下几种。
σ相
属四方点阵，最大配位数为15。
σ相的成分范围比较宽，镍基高温合金中为(Cr，Mo)x(Ni，Co)y，式中z、y值在1～7之间，铁基高温合金中常为FeCr(含Mo)型。
主要金相形态为颗粒状和片(针)状，数量多时可呈魏氏体组织。
σ相常在晶界形核，但也在M23C6颗粒上形核。
最快析出的温度范围为750～870C。
镍
阻止σ相形成，铁、钴、铬、钨、钼、铝、钛、硅都促进。
相形成。
片(针)状a 相是裂纹产生和传布的通道，使合金脆化，有时还降低持久强度。
晶界σ相颗粒常引起沿晶断裂，降低冲击韧性。
Laves相
有MgCu2型、MgZn2型和MgNi2型3种晶体结构，高温合金中多属MgZn2型。
Laves相的化学式为B2A，A为大原子半径元素，B为小原子半径元素。
低温时效呈细小颗粒状析出，高温时效时析出常呈短棒状或竹叶状，还有晶界颗粒状。
析出温度范围较宽，约为650～1100℃，其上限温度随成分而异。
由于Laves 相倾向于高温析出，所以可以利用它进行细化晶粒工艺，获得细晶材料。
铁基高温合金容易产生Laves相。
钨、钼、铌、铝、钛、硅等元素都促进Layes相形成，而镍、碳、硼、锆有抑止Laves相的作用。
呈细小弥散质点析出的Laves相对合金有一定的硬化作用。
大量针状Layes相会降低室温塑性。
少量短棒状Laves相没有严重的有害作用。
μ相
化学式为B7A6，属三角晶系，B为周期表Ⅶ族元素，A为V族、Ⅵ族元素。
μ相的金相形态呈颗粒状、棒状、片状或针状。
μ相由于颗粒较大，没有强化作用，针状析出会降低室温塑性。
合金中钼、钨的总量超过10％时易形成μ相。
β相和Ni2AITi相
β相为体心立方有序结构，Ni2AlTi为面心立方结构。
这两相的金相形态很相似，常呈块状、棒状或粗片状。
用碱性苦味酸溶液煮后，β相变褐色，Ni2AITi 相为杏黄色。
这两种相都会降低合金力学性能。
铁基高温合金中，当钛与铝之比小于0.5，而铝、钛总量又超过4％时，就会析出β相。
如果提高钛与铝之比，β相就减少；当钛与铝之比接近1时，就出现Ni2AITi相；当钛与铝之比超过1时，Ni2AlTi相逐步减少，Ni3(Al，Ti)就逐步变为惟一的析出相。
G相
分子式A6B16C7，c为硅原子，A为钛族和V族原子，B为钴、镍原子。
晶体结构为面心立方。
G相的金相形貌为晶界块状，量多时可为网状。
少量晶界G 相对性能没有影响，含量较多时将降低持久强度。
3.相分计算预测和控制TCP相的出现
相分计算是一种预测和控制高温合金出现拓扑密排相(主要是β相)的重要方法，尚处于半理论半实验阶段。
其理论基础是根据拓扑密排相是一种电子化合物，它的形成与合金的电子空位数有关。
相分计算的要点是计算合金残余固溶体的电子空位数N V值。
式中N VI。
是j元素的电子空位浓度，xi为合金元素的原子百分数。
Nv值大于临界值，合金会析出σ相；小于临界值，合金组织稳定。
根据实践经验，镍基高温合金的临界值约为2.50，钴基高温合金的临界值约为2.70。
铁基高温合金的临界值不是一个恒定值，随成分而异，随着镍含量增加而下降。
中国对GH2132合金提出了一个简便易行的相分计算公式：
式中1、3、3.5、1.7和0.9分别为Ni、Ti、Al、Si和Cr的质量百分数。
当ΔN'V>0，无σ相析出;ΔN'V>0，有σ相析出。
这样根据合金成分可以判断合金的组织稳定性。
用相分计算来控制其他拓扑密排相(如Layes、μ相)的工作尚不成熟，需进一步研究。