镍基高温合金宏微观塑变行为及性能控制/导弹制造工艺应用丛书

第1章绪论 1.1镍基高温合金概述 高温合金是指在600℃以上的工作温度下有足够的高温强度和抗腐蚀能力，而且能在持久受力情况下工作的结构合金材料。其具有优异的高温力学性能、耐腐蚀性能、抗氧化性能以及出色的表面稳定性、优异的组织稳定性。高温合金的一个显著特点是合金化程度高，通常含有Fe、Ni、Co、Cr、Mo、Al、Ti、Nb等元素，因此也被称为超合金。其含有的主要元素不同会使其基体相产生差异，高温合金按照基体的不同分为铁基高温合金、钴基高温合金和镍基高温合金。其中，镍基高温合金由于出色的综合性能发展*快；铁基高温合金由于在高温环境的氧化和燃气腐蚀条件下易发生氧化和腐蚀，故发展次之；钴基高温合金虽然也具有较好的综合性能，但是由于钴资源的严重短缺，其发展严重受限，故其发展速度*慢。 镍基高温合金主要包含Ni、Co、Cr、W、Mo、Re、Ru、Al、Ta、Ti等元素，其中Ni含量在50％以上，表11列出了几种工业镍基高温合金的成分。面心立方结构的镍基体具有较高的相稳定性，并可通过各种直接和间接手段得到强化。此外，其表面稳定性很容易通过加入Cr或Al来改善。 镍基高温合金除了具备较高的强度和较好的抗氧化及抗腐蚀能力之外，另一个显著的特点是，在不超过其初始熔化温度80％的情况下，其可用于负载，这一比例高于任何其他类别的工程合金。因此，镍基高温合金在温度较高的部件中应用*广泛。 镍基高温合金主要用于商用和军用飞机的制造，目前其占先进飞机发动机重量的50％以上。除此之外，镍基高温合金还在石油和天然气工业、太空飞行器、潜艇、核反应堆、军用电机、化学处理容器和热交换管中得到了重要的应用。至今，人们已经发展了几代高温合金，每一代都趋向于具有更高的耐高温性能。 1.1.1镍基高温合金发展历史 20世纪40年代初期，为了满足喷气式飞机对合金性能方面的要求，镍基高温合金被研制成功。英国首先制备出Nimomic75（Ni22Cr1.5Ti）镍基合金，之后为了提高镍基高温合金蠕变强度，以原有合金为基础，加入了适量的Al元素，研制出了具有较高蠕变强度的镍基合金Nimomic84（Ni22Cr4.5Ti）。美国于40年代中期，苏联于40年代后期，也研制出镍基高温合金。 20世纪40年代到50年代中期，主要是对合金成分进行优化，继而提升合金的性能。而在20世纪50年代，真空熔炼技术得到发展，而这一技术的出现为镍基高温合金的进一步发展奠定了技术基础；到20世纪60年代，由于熔模精密铸造工艺的出现与发展，铸造镍基高温合金在这一时期得到了快速发展；之后，性能相对较为优异的镍基单晶高温合金被研制成功，后续人们又研制出了粉末冶金高温合金。高温合金发展趋势如图11所示。 图1－1高温合金承温能力的发展历程 纵观镍基高温合金前四十年的发展历程，可发现其主要从两个方面得以发展。**是从合金成分入手，对镍基合金元素构成及配比进行优化，从而提升其高温服役性能；第二是利用新的生产工艺，从工艺方面对其组织性能进行调控，进而对其综合性能进行提升。 1.1.2镍基高温合金分类 镍基高温合金按制造工艺，可分为镍基变形高温合金、镍基铸造高温合金、粉末冶金高温合金。 1.镍基变形高温合金 镍基变形高温合金以拼音字母“GH”加序号来表示，如GH4169、GH141等。它可采用常规的锻轧和挤压等冷、热变形手段加工成材。该种合金塑性加工后在高温下表现出较高的强硬度、较好的抗腐蚀性和抗氧化性。镍基变形高温合金可再划分为固溶强化型和析出强化型两大类。前者具有更强的合金化能力，综合性能相对更优，所以获得更为广泛的应用。 2.镍基铸造高温合金 铸造高温合金以“K”加序号表示，如K1、K2等。该类合金的成型手段为铸造工艺，被广泛应用于需长期在高温下承受各种复杂应力的高温结构件。现今我国的镍基铸造高温合金已发展到独*阶段，且具有较好的综合性能。 3.粉末冶金高温合金 粉末冶金工艺组织均匀、热加工性较好，制得的镍基高温合金具有较好的抗疲劳性能和很高的屈服强度，粉末高温合金为生产更高强度的合金提供了新的途径。 1.2镍基高温合金强化原理 对于镍基高温合金而言，其强化效果是通过合金元素的添加实现的。而镍基高温合金含多种合金元素，每种元素在合金中起着不同的作用，按照合金元素在镍基高温合金中的作用可以将其分为三类： （1）固溶强化元素，如Cr、Mo、Co、Fe、W、Ru和Re等，此类元素具有与Ni相差不多的原子半径，倾向于进入γ相中稳定γ相，主要分布在元素周期表中的第Ⅴ、Ⅵ和Ⅷ族； （2）析出强化元素，如A1、Ti、Nb和Ta等，此类元素具有相对较大的原子半径，是γ′相Ni3（Al，Ta，Ti）形成元素，主要分布在第Ⅱ、Ⅳ和Ⅴ族； （3）晶界强化元素，如B、C、Mg及稀土元素Ce、La和Y等，此类合金元素的原子半径与Ni差距较大，倾向偏析于晶界处，主要分布在元素周期表中的第Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ族。这些合金元素通过发挥固溶强化、沉淀强化和晶界强韧化作用，保证高温合金具有从室温至高温的良好强度、表面稳定性和较好的塑性。 1.2.1固溶强化 对镍基高温合金性能进行强化的重要手段之一是添加适量的固溶强化元素，利用这些元素提高原子间结合力、产生晶格畸变、降低堆垛层错能、产生短程有序或其它原子的偏聚、降低元素扩散能力等提高再结晶温度来强化合金。 固溶强化效果与基体中溶质原子的含量和尺寸有关。一般来说，溶质原子的含量越多，固溶强化效果越好；溶质原子尺寸与基体原子尺寸差别越大，固溶强化效果越好，其关系可以用下式来表示：（1－1）式中，σ8为固溶强化对强度的增量；ki和n为常数，取决于溶质原子和基体金属的性质，n的取值介于1/2和1之间。一般来说，强固溶强化元素的n值偏向于1/2，弱固溶强化元素的n值偏向于1。ki是溶质原子i的强化系数，ci是溶质原子i在基体金属中固溶的质量百分数。 不同元素的固溶度不同，所产生的固溶强化效果也各不相同，所以有针对性地加入不同合金元素会起到更好的强化效果。根据Hume－Rothery理论，如果溶剂原子尺寸大小与溶质原子尺寸大小相差超过15％，那么它们就很难成为无限固溶体，并且其固溶度还会非常小。此外，要形成无限固溶体，除了需满足上述Hume－Rothery理论外，还需要有相同的原子价和相似的晶体结构。 1.2.2析出强化 固溶原子的强化作用对高温合金力学性能的提高幅度有限，很难满足现代工程应用对金属结构材料强度的实际需要。高温合金中由于合金元素的添加，会析出一些第二相，这些析出物在其周围产生应力场，阻碍位错运动，从而提高材料的强度。析出强化的效果由第二相的属性、大小、形状、分布、数量等相关因素综合影响，但其本质还是其与位错的交互作用。析出强化的机制可分为位错切过机制和位错绕过机制两种方式。 当析出相可被位错切割时，其通过共格强化、化学强化、层错强化、模量强化以及有序化强化等方式阻碍位错运动从而强化基体。共格强化是指共格应力场与位错应力场之间的相互作用，图12位错绕过第二相化学强化是指位错切过后增加的析出相与基体的滑移台阶界面能，层错强化是指位错切过后层错宽度的变化，模量强化是指模量不同导致的能量变化，有序强化是指析出相为有序相时被切割形成反向畴界（APB）能。 当析出相难以被位错切割时，位错通过Orowan机制绕过析出物颗粒，由于位错的弯曲增加了其线张力，从而增加了位错运动的阻力，提高了合金的强度。位错绕过析出物后会在周围留下一个环形位错，如图1－2所示。位错绕过所需的临界应力除了与第二相本身的杨氏模量和晶格点阵相关外，还受粒子间距的影响。间距越小，位错通过第二相粒子时弯曲产生的线张力则较大，受到的阻力就越大，从而提高了材料的强度。 镍基高温合金主要依赖于析出强化。析出强化分为时效析出强化、铸造第二相骨架强化和弥散质点强化等。镍基高温合金的时效析出强化主要是γ′相或γ"相的时效沉淀强化。 1.2.3晶界强化 晶界强化是合金强化的重要组成，低温变形时，通过细化晶粒提高强度是一种重要的强化机制。高温变形时，晶界对位错的阻碍作用弱化，晶界附近塞积的位错与晶界缺陷产生交互作用而消失，使晶界在高温下成为*薄弱的环节。高温时晶界滑动和晶界处孔洞的形成会导致耐热合金失效。对于等强温度以上使用的奥氏体基体耐热合金，高温热处理获得较粗大的晶粒尺寸，可以降低材料的蠕变速率，增加蠕变断裂时间。 晶界处析出相是提高晶界强度的重要因素，析出相改善晶界强度和韧性的机制有：①钉扎晶界，阻碍晶界运动，或者减缓晶界运动，延长滑动孕育期，增加持久寿命；②蠕变空洞被限制在沉淀相之间，使之难以聚集长大，延长断裂时间；③改变晶界两侧固溶程度，提高晶界附近位错滑移能力，改善晶界塑性，消除缺口敏感性。偏聚到晶界的有益微量元素，通过改变晶界原子间键合状态，提高晶界结合力，从而提高合金的高温强度。偏聚于晶界的杂质元素通过降低晶界结合力，形成低熔点化合物，促进晶界有害相析出等，降低耐热合金的高温力学性能。 1.3宏/介观塑性变形行为及理论 1.3.1宏观塑性变形行为及理论 在金属材料的力学性能研究中，强度和塑性是两个*重要的问题，而强度和塑性本身对于不同层次的微观结构具有敏感性。由位错理论可知，晶体材料的塑性变形是位错运动的结果。位错是存在于晶体中的一种线缺陷，它在切应力作用下容易发生滑移。在外应力作用下，大量的位错运动会使晶体产生宏观塑性变形。晶体中的空位、位错、晶界、固溶原子、第二相粒子等微观结构及缺陷与运动位错发生相互作用，影响位错运动，进而影响材料宏观变形行为。 所谓塑性变形，是指应力超过弹性极限后，材料发生的不可逆的永久变形。