高温合金的固溶强化

高温合金的固溶强化

镍基、铁基和钴基高温合金中加入适量的合金元素，其原子统计均匀分布在奥氏体基体中，形成内应力场，同时，当奥氏体基体中出项溶质原子非均匀分布或存在短程有序，都构成位错运动的障碍，因此，位错运动的阻力比纯金属大，这就是固溶强化。

1.1固溶强化机理

固溶强化机理可以通过位错克服长、短程内应力场、原子偏聚区和短程有序区等障碍而滑移所需的流变应力来说明。

1.1.1克服晶格畸变引起的长程内应力场所需的流变应力

高温合金基体γ奥氏体，能够溶解大量合金元素。例如，Ni基奥氏体，由于其3d电子层几乎被填满，因而能够溶解大量的Fe、Co、Mo、W、V、Ti、和Al等合金元素，这些元素的原子在基体中任意分布，其原子直径比Ni大，相差1%~13%。因而，使Ni的晶格膨胀，使γ固溶体晶格常数增大。晶格畸变形成长程内应力场，从而阻碍位错运动。

按照Mott和Nabarro理论，对于稀薄固溶体，位错克服长程内应力场而滑移所需的应力为：

τ=Gε C （1-1）

式中G为剪切模量，C为固溶原子溶度，ε为晶格失配度，由基体与溶质原子晶格常数之差来表示，即：

ε=Δa/(C * a0 ) （1-2）

式中a0为基体的晶格常数，从式（1-1）和（1-2）可见，固溶体的屈服强度应与晶格失配度即晶格常数的变化和溶度成正比。然而，溶度受溶质元素在基体中溶解度限制，超过溶解度

要析出第二相，使性能变坏。从实验测得的Ni基

二元合金晶格常数变化对屈服强度的影响见下图。

可见，屈服强度的增加的确与晶格常数的增加呈线

性关系。但不是晶格常数的单一函数，屈服强度的

增加还与合金元素在周期表中的位置，即与合金元

素的电子空穴数Nv有关。电子空穴数Nv大者，

屈服强度的增加要大。例如在同一晶格常数变化

下，Ti对屈服强度增加最大（Nv为6.66），CrMoW

（4.66）次之，Fe（2.66）再次之，Co（0.66）最

小。这是由于加入合金元素能够降低γ基体的堆垛

层错能，Nv值大者降低层错能大，屈服强度增加

大，反之亦然。

1.1.2克服弹性模量差引起的短程应力场所需的流变应力

使一个位错进入基体的软硬区域必须作额外的功，Fleischer计算了位错克服溶质原子的钉扎所需的最大阻力，即位错与溶质原子的短程作用力。经推导这一短程作用力为：

（1-3）

式中F是位错摆脱溶质原子的钉扎而离开所需的临界力。从1-3可见，固溶强化与溶质浓度的平方根成正比，与切变模量的平方根成反比。

1.1.3克服溶质原子非均匀分布所需的流变应力

众所周知，晶体是由原子面按一定规则重叠堆积起来的，当这种原子面重叠堆积的规则在某处被破坏时，在该处就会出现面缺陷，这种缺陷被叫做堆垛层错。由于堆垛层错与γ基体的晶体结构不同，溶质原子在堆垛层错和γ基体中的溶度是不同的，产生了溶质原子分布不均匀的状态。位错要通过溶质原子偏聚区需要更多的能量，人们把这种强化效果称为化学相互作用或铃木（Suzuki）效应。其大小可近似用下式表示为：

（1-4）

式中γ为堆垛层错能，C为浓度，A为常数，加入合金元素通常都能够降低基体的堆垛层错能。从1-4可知，溶质单位浓度降低堆垛层错能愈大，则屈服强度的增加愈大。随着电子空穴的增加，堆垛层错的变化不断增加，屈服强度增加愈大。所以电子空穴数大的合金元素降低堆垛层错能最大，屈服强度增加最大。相反，电子空穴位数小的合金元素，降低堆垛层错能最小，则屈服强度的增加也最小。不过，这种强化作用较体心立方金属的Contrell和Snock气团小一个数量级，但其稳定性远比后者高。位错与Suzuki气团脱钉出来所需的激活能高达1ev，这种强化效应对高温强度的作用较显著。

1.1.4克服短程有序原子区所需的流变应力

当高温合金γ奥氏体基体中溶质原子数量较多，并且异类原子之间的作用能与同类原子不同时，便可能出现某种程度上的短程有序现象。位错运动通过有序区时，要全部或部分破坏原子有序关系，因而增加位错运动的阻力。位错切割短程有序晶体所需应力为：

（1-5）

式中C为溶质浓度（摩尔分数，%），υ为不同原子对之间的交互作用能=V AB-1/2（VAA+VBB）,as为短程有序度，可以通过试验测定，a为点阵常数。从1-5可见，短程有序度越大，位错切割短程有序区所需切应力就越大。由于式1-5中各个量都与温度无关，因此短程有序对流变应力产生了一个非热增量。但as随退火温度的降低而增加，所以流变应力中短程有序分量对温度经历是敏感的。

镍-铬合金中短程有序区通常在铬含量为20wt%~25wt%时存在，HastalloyX和Inconel625合金中含有22%Cr，在这一成分范围内，早期的Nimonic合金（19.5%Cr）也接近这一成分，所以这类合金可以产生短程有序强化，实际上这种短程有序区是一种微观尺寸的Cr原子集聚区。第二代和第三代单晶高温合金中分别加入3%和6%左右的铼，其中80%左右进入γ奥氏体，进入Ni基固溶体的铼原子易于形成短程有序区，对位错运动形成强烈的阻力，从而提高单晶高温合金的强度。