GH105合金元素含量对析出相的影响.docx
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GH105合金元素含量对析出相的影响
GH105合金元素含量对析出相的影响
EffectofElementsonPrecipitatedPhasesinGH105
SHENYishun,YAOZhihao,CHENXiaofei,DONGJianxin,JIANGHe
(UniversityofScienceandTechnologyBeijing,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,Beijing*****,China)
Abstract:
Inthispaper,thephasediagramofGH105alloyintherangeof600-1600℃wascalculatedbyThermo-CalcsoftwareandJMatProsoftware.TheeffectsofC,Cr,Co,Mo,Zr,Ti,AlandtraceelementsBonthemainprecipitatesMC,M23C6,M3B2,μ,σandγ′ofGH105alloywereinvestigatedaswell.TheresultsshowthattheincreaseofCincreasestheamountofprecipitationofM23C6andMCandtheprecipitationtemperatureofM23C6,reducestheamountofprecipitationandprecipitationtemperatureofσphase.Meanwhile,theprecipitationtemperatureoftheμphasedecreasessignificantly.TheincreaseofCrsignificantlyincreasestheamountofprecipitationandprecipitationtemperatureofσphase.TheincreaseofCoincreasestheamountofprecipitationandprecipitationtemperatureofμphaseandσphase,anddecreasestheamountofprecipitationandprecipitationtemperatureofM23C6.TheincreaseofMoincreasestheamountofprecipitationandprecipitationtemperatureofσphaseandμphase.TheincreaseofZrincreasestheamountofprecipitationandprecipitationtemperatureofσphase,andincreasestheamountofprecipitationofMC,butdecreasestheamountofprecipitationandprecipitationtemperatureofM23C6.TheincreaseofBsignificantlyincreasestheamountofprecipitationandprecipitationtemperatureofM3B2.TheincreaseofAl,Tiandm(Al)∶m(Ti)increasestheamountofprecipitationofγ′,andtheincreaseofAlandm(Al)∶m(Ti)alsoincreasesprecipitationtemperatureofγ′.
Keywords:
GH105alloy;thermodynamiccalculation;alloyelements;precipitationphases
GH105合金,英國牌号为Nimonic105,是美国760-USC计划和欧盟AD700计划推荐的叶片用候选材料之一[1-2],950℃内具有高抗氧化性和高抗蠕变性。
GH105合金属于时效强化型镍基变形高温合金,通过时效过程中析出的γ′相的沉淀强化以及Cr和Mo进行固溶强化。
GH105合金主要在涡轮叶片、涡轮盘、环形件、螺栓及紧固件的制作上起重要作用。
目前国内外对GH105合金的研究并未形成一个完整的体系,更多专注于其力学性能和热处理工艺的研究,对合金成分的研究较少。
*****等研究了GH105合金在高温下屈服强度降低的机理。
梅声勇等对GH105合金铸锭元素偏析和均匀化工艺进行了研究。
王鲁等对GH105合金的热处理工艺优化进行了研究。
裴玉冰等对GH105合金中Al,Ti,C,Cr,Mo5种元素对γ′相、σ相、M23C6相和μ相的影响进行了研究。
GH105合金的化学成分如表1所示。
从表1中可以看到,GH105合金中C含量较高。
较高的C含量使得合金的晶界上大量析出碳化物,碳化物可以提高合金的高温抗拉强度和高温塑性,但数量过多会降低合金的冲击韧性[1,3],晶内析出的碳化物相起到了沉淀强化的作用。
Al,Ti含量总和较高,使得合金中γ′相的固溶温度和体积分数大大提高,且Ti与Al的质量比m(Ti)∶m(Al)较低,使得合金在具有优良的综合性能的同时能够在较高的温度下使用。
Co,Mo主要以固溶的形式存在于基体中,起到固溶强化的作用。
微量B和Zr,增强了合金的组织稳定性和抗蠕变性能。
另外,Cr除发挥其固溶强化以及时效强化作用外,同时還提高了合金的抗腐蚀性能。
表1GH105合金化学成分(质量分数,%)
Tab.1GH105alloycomposition(massfraction,%)
GH105合金在600~1600℃时,主要析出相有γ相、γ′相、MC相、M23C6相、μ相以及σ相。
γ相为基体相,它能保证大量合金元素的溶入,从而起到固溶强化的作用。
时效过程中,碳化物和γ′相从基体中析出,从而保证合金具有良好的力学性能、抗氧化和抗腐蚀能力等。
γ′相是合金的主要沉淀强化相,γ′相数量越多,强化效果越好,但温度达到777℃时,会因位错的热激活而降低合金的屈服强度,从而使γ′相的强化程度大大减弱。
MC相为合金中另一重要的沉淀强化相,它一般在晶内呈大块状析出,主要为Ti,Zr等元素组成的碳化物,强化作用显著。
M23C6相形状不同,对合金的力学性能产生的影响不同。
时效后呈块状或者颗粒状的M23C6相能够起到晶界强化和沉淀强化的作用,但如果在晶界处析出的M23C6相过多,则会导致其在晶界处连成脆性薄膜,降低合金的冲击韧性,也会导致裂纹在此处增生扩展[1,3,7,9-10]。
为了保证合金具有良好的力学性能,需控制M23C6相的含量。
μ相在合金中以颗粒状、棒状、片状或针状的形态存在,是裂纹形核和扩展的通道,其中针状的μ相会降低合金的室温塑性。
由于μ相会阻碍位错运动,所以它会降低合金的持久性能。
μ相在晶界和晶内的析出,使基体中固溶元素缺乏,从而导致固溶强化和沉淀强化效果减弱,影响合金的力学性能。
合金中少量Fe的存在也会促进μ相的形成。
Cr,Mo,W会大量溶入σ相中,同样削弱固溶强化作用,降低合金的力学性能[3,13-16]。
本文研究了GH105合金中C,Cr,Co,Mo,Zr和B对MC相、M23C6相、M3B2相、μ相和σ相的析出量和析出温度的影响,以及Al,Ti含量及m(Al)∶m(Ti)的值对γ′相的析出量和析出温度的影响。
1计算方法
利用热力学软件Thermo-Calc以及JMatPro中的镍基高温合金数据库,通过设置热力学条件,对GH105合金中各元素含量对析出相的影响进行热力学模拟计算。
计算GH105合金的热力学相图时,运用Thermo-Calc软件,取表1中各元素含量的中值,如表2所示。
此处忽略了P,S,Ag,Bi,Pb5种元素。
考虑C,Cr,Co,Mo,Zr为GH105合金析出相MC相,M23C6相,M3B2相,μ相和σ相的主要形成元素,Ti和Al对γ′相的形成起着重要作用,还有增强合金组织稳定性和抗蠕变性能的微量元素B,于是利用JMatPro软件通过改变其中一种元素的含量而保持其他元素含量不变,按表2所示的状况,计算不同含量的不同合金元素对GH105合金析出相的量及析出温度的影响。
这项工作的意义在于能够结合析出相对合金性能的影响,通过微调合金成分,来制定合适的热处理制度。
表2GH105合金元素含量中值(质量分数,%)
Tab.2GH105alloyelementcontentmedian
(massfraction,%)
2计算结果及分析
2.1GH105合金相图计算
运用Thermo-Calc软件计算GH105合金在600~1600℃的相图,结果如图1所示。
由图1可以得到以下结果:
γ相、σ相、M23C6相、MC相、M3B2相、μ相和γ′相的析出温度分别为1362,669,1136,1334,1290,806和1056℃,液相开始出现的温度为1289℃,MC相在固液共存时就已析出。
图1GH105合金相图计算结果
Fig.1GH105alloyphasediagramcalculationresults
2.2不同元素含量对析出相的影响
2.2.1C含量对析出相的影响
C的质量分数为0.13%~0.17%时,对GH105合金析出相析出量和析出温度的影响如图2所示。
由图2(a)可知,M3B2相的析出量和析出温度基本未发生变化,5条曲线基本重合;由图2(b)可知,M23C6相的析出量和析出温度均随着C含量的增加而增加;由图2(c)可知,MC相的析出量随着C含量的增加而增加,但析出温度未发生明显变化;由图2(d)可知,μ相的析出量在约700℃以下随着C含量的增加而增加,但在700℃以上则呈现出随C含量的增加而减少的趋势,μ相的析出温度随着C含量的增加而降低,但变化范围局限在10℃以内;由图2(e)可知,σ相的析出量和析出温度均随着C含量的增加而降低。
据此可以得出以下结论:
C含量的变化对M23C6相,μ相和σ相的析出量和析出温度都有影响,只影响MC相的析出量,对M3B2相的析出量和析出温度都无影响。
2.2.2Cr含量对析出相的影响Cr的质量分数为14.1%~15.6%时,对GH105合金析出相的析出量和析出温度的影响如图3所示。
由图3(a)可知,M3B2相的析出量和析出温度基本未发生变化,6条曲线基本重合;由图3(b)可知,M23C6相的析出量和析出温度均随着Cr含量的增加而增加,但变化范围不大,析出量的差别在温度高于1050℃才开始显现,析出温差约为30℃;由图3(c)可知,MC相的析出量随着Cr含量的增加而降低,尤其在1050~1150℃时,但析出温度未发生明显变化;由图3(d)可知,μ相的析出量在640℃以下随着Cr含量的增加而减少,但在790℃以上则呈现出随Cr含量的增加而增加的趋势,640~790℃为过渡区,μ相的析出温度随着Cr含量的增加而升高,但变化范围局限在20℃以内;由图3(e)可知,Cr含量的增加可以提高σ相的析出量和析出温度。
据此可以得出以下结论:
Cr含量的变化对M23C6相,μ相和σ相的析出量和析出温度都有影响,只影响MC相的析出量,对M3B
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