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镍基高温合金的热处理 一：镍基高温合金热处理 高温合金的性能主要取决于它的化学成分和组织结构。其中，热处理工艺对合金组织的影响较为敏感。不同的热处理即不同的加热温度、保温时间和冷却速度以及各种特殊的热处理，可以使合金的晶粒度、强化相的沉淀和溶解、析出相的数量和颗粒尺寸、甚至晶界状态等不同。 固溶处理的目的主要是:一、将铸态粗大的γ/和碳化物相甚至γ/ γ/全部或部分融入基体中，给以后的时效沉淀析出均匀细小的强化相做准备。二、获得均匀的晶粒尺寸。 高温时效的目的是使高温合金晶界析出一定量的各种碳化物和硼化物相。同时使晶内和晶界析出较大颗粒的γ/相。低温时效是使合金基体中析出一定数量和大小的强化相，以达到合金最大强化效果。 二：各种元素在镍基高温合金中的作用 镍基高温合金通常含有十余种合金元素，它们是铬、钻、钨、铝、铝、钦、妮、担、铅、碳、硼和错等，它们对合金起着不同的作用，如固溶强化，第二相强化，晶界强化等。分类如下: 形成基体的元素:Ni，Co，Cr，Mo，W，Nb，Ta，Ti，AI，C，B，Zr 形成γ/相的元素:Nb，Ta，Ti，Al 强化晶界的元素:C，B，Zr 形成碳化物的元素:Cr，Mo，W，Nb，Ta，Ti 形成稳定氧化膜的元素:Cr，Al 三：镍基高温合金中的相组成 镍基高温合金是高度合金化的合金，它通常含有6～10种合金元素，在显微组织正常的镍基高温合金中，主要是γ和γ/两相，另外还有几种相是合金服役过程中析出的。 （1） γ基体通常含有较多数量固溶元素(CoCrMoW)的连续分布的面心立方结构的镍基奥氏体相。尽管镍不具有高的弹性模量和低的扩散率，但γ相非常适用于设计最苛刻的温度条件下工作的燃气轮机。有些合金能在0.9Tm温度下使用，且在较低的温度下使用时间达10万小时，这种特性的基本原因在于：镍的第三电子层基本饱和，在合金化时容量大，相的稳定性很高，当加入铬后，形成富Cr2O3的具有低的阳离子空位的保护层，因而降低了金属元素向外扩散的速率以及氧、氮、硫和其它腐蚀气氛向内的扩散速率;在高温下形成富A12O3保护层，具有良好的抗氧化性。 (2) γ/相是一种以Ni3Al为基的金属间化合物，与基体一样都是面心立方结构，且两相的点阵常数相差很小， γ/相总是在γ基体上共格析出。 γ/相是镍基高温合金中最重要的强化相。 (3)碳化物相高温合金中可能出现的碳化物类型有MC、M6C和M23C6。根据形成条件，又可分为初生碳化物和次生碳化物，即凝固时形成的和固态析出的两种。 TCP相在某些特定成分的高温合金中，当热处理或服役时就会产生TCP脆性相。TCP相是指Laves相（B2A）、σ相(BA)、μ相(B7A6)、χ相等。它们只有四面体间隙，沿着fcc基体的八面体的面构成原子密排面。铸造高温合金中σ相最为常见。σ相属于四方点阵，单位晶胞中有30个原子，最大配位数为15。镍基合金中，σ相的成分一般可认是 :(CrMo)x(NiCo)y。这里x和y的变化范围很大，一般在1～7之间。σ相物理性能非常硬，常常认为是有害相，所以要尽量避免。TCP相的形成主要受电子因素控制，与合金的电子空位数有关，因而可以通过相计算 (PHACOMP)来预测TCP的形成。 四：热处理对高温合金K445的影响 K445合金经真空感应熔炼铸造而成，其化学成分为(质量分数%):0.09C，13.8Cr，10.0Co，l.5Mo，4.3W，4.7Ta，2.7Ti，4.0Al，0.03B，0.025Zr，Ni余量。 K445合金铸态条件下枝晶干γ/相呈立方体形貌，枝晶间γ/相粗大且形状不规则(图a、b所示)。在枝晶间和晶界含有少量的γ/γ/ 共晶和块状碳化物(图c所示)这是因为在凝固过程中首先形成枝晶干的单相固溶体 。同时Al和Ti等元素向枝晶间液相富集，使剩余液相中的溶质浓度达到共晶点，生成γ+ γ/共晶。二次γ/相都是由过饱和γ固溶体析出的，由于枝晶间富含Al、Ti等γ/相形成元素，造成枝晶间处γ相的过饱和浓度较大，增加了γ/相长大的驱动力，造成枝晶间的γ/相尺寸较大。 4.2固溶温度的影响 合金经1100～1200℃固溶处理后的γ/相形态如图所示。由图可以看出随着固溶温度的提高，二次γ/尺寸由1100℃时的420nm增大到1140℃时的490nm，当固溶温度达到1160℃时，γ/相发生回溶(图d)，当固溶温度达到1180℃时枝晶干γ/完全溶解(图e)，而枝晶间仍存在粗大γ/相(图e)。当固溶温度达到1200℃时枝晶间γ/相也完全溶解，在随后冷却过程中析出的γ/相平均尺寸约为90nm。另外，还可以看出1100℃和1120℃时γ/相均呈立方形，1140℃时γ/相边角钝化变成球形或椭球形。 4.2固溶时间的影响 在1120℃固溶处理过程中，随保温时间的延