合金元素对新型镍基粉末高温合金的热力学平衡相析出行为的影响

D01:10.13374.isml00103x.2009.06.007 第31卷第6期 北京科技大学学报 Vol.31 No.6 2009年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jum.2009 合金元素对新型镍基粉末高温合金的热力学平衡相析 出行为的影响 吴凯”刘国权2) 胡本芙》吴昊”张义文)陶宇)刘建涛) 1)北京科技大学材料科学与工程学院。北京1000832)北京科技大学新金属材料国家重点实验室，北京100083 3)北京科技大学治金与生态工程学院北京1000834)钢铁研究总院高温材料研究所，北京100081 摘要通过热力学平衡相计算方法系统研究了某新型镍基粉末高温合金时效温度下合金元素对热力学平衡相析出行为 的影响.计算结果表明：R104合金析出的主要平衡相为Y、MC、M2aC6M,B2和TCP相.Cr和Co含量主要影响TCP相的 析出行为及Y相的析出温度.Cr含量对M23C6和M3B2的析出行为有一定的影响，Cr的建议质量分数为13%：Mo和W含量 影响TCP相和M3B2的析出行为.质量比AVTi和Nb/Ta影响Y相的析出行为，建议控制AVTi和Nb/Ta比平衡，以使Y相 起到理想的强化效果.C和B含量显著影响碳化物和硼化物的析出量，还可间接抑制TCP相析出：Zr含量对MC和M3C6碳 化物的析出有影响：增C。降C:和调节合金元素含量以获得小的点阵错配度是第3代涡轮盘用粉末治金高温合金成分优化设 计的趋势。 关键词粉末治金高温合金：热力学计算：平衡相：涡轮盘；优化设计 分类号TG146.1+5:TG1115 Effect of alloy elements on the precipitation behavior of thermodynamic equilibri- um phases in new type nickel-based P/M superalloys WU Kai.LIU Guo-quan2.HU Be-fu.WU Hao,ZHANG Yi-wen3.TAO Yu LIU Jiantao 1)School of Materials Science and Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083 China 2)State Key Laboratory for Advanced M ctals and Materiak University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China 3)School of Metallurgical and Ecological Engineering.University of Science and Technology Beijing.Bijng 100083.China 4)High Temperature Materials Research Institution.CISRI.Beijing 100081.China ABSTRACT The effects of alloy elements on the precipitation behaviors of equilibrium phases in new ty pe nickel-based powder met- allurgy(P/M)superalloys at aging temperature were studied systematically by a thermody namic calculation method.The calculation results show that the equilibrium precipitation phases of Rere 104 are Y,MC M23C M3B2 and TCP phases.Cr and Co contents mainly influence the precipitation behaviors of TCP phases and the precipitation temperature of y phase.Cr content also plays a role in the precipitation behaviors of M23C6 and M3B2.The suggested content of Cr is 13%.Mo and W contents influence the precipita- tion behaviors of TCP phases and M3B2.The mass ratios of AV Ti and Nb/Ta affect the precipitation behaviors of y phase.It sug- gests controlling the values of Al Ti and Nb/Ta to be unity in order to makey phase having desire strengthen effect.C and B com tents significantly influence the precipitation volumes of carbides and borides;they can restrain the precipitation of TCP phases indi- rectly.Zr content influences the precipitation behaviors of MC and M23C6.Besides it is revealed that the composition optimization and design trend of the 3rd generation P/M turbine disc superalloys is with more Co less Cr and to obtain a smaller lattice mismatch by adjusting the contents of alloy elements. KEY WORDS P/M superalloy:thermody namic calculation equilibrium phase turbine disc;optimization design 在20世纪90年代，由美国国家航空航天局(NASA)格伦研究中心与美国通用(GE)飞机引擎公 收稿日期：200807-08 基金项目：国家武器装备预研基金资助项目(No.9140A12070507QT0202):国家高技术研究发展计划资助项目(No.2007AA03A223) 作者简介：吴凯(1984-，男。博士研究生：刘国权(1952一)，男，教授博士生导师E-maila:g.im@usth.ed血.cn

合金元素对新型镍基粉末高温合金的热力学平衡相析 出行为的影响 吴 凯 1) 刘国权 1, 2) 胡本芙 1) 吴 昊 1) 张义文 1 , 4) 陶 宇 4) 刘建涛 4) 1)北京科技大学材料科学与工程学院, 北京 100083 2)北京科技大学新金属材料国家重点实验室, 北京 100083 3)北京科技大学冶金与生态工程学院, 北京 100083 4)钢铁研究总院高温材料研究所, 北京 100081 摘 要 通过热力学平衡相计算方法, 系统研究了某新型镍基粉末高温合金时效温度下合金元素对热力学平衡相析出行为 的影响.计算结果表明:René 104 合金析出的主要平衡相为γ′、MC 、M23C6 、M3B2 和 TCP 相.Cr 和 Co 含量主要影响 TCP 相的 析出行为及γ′相的析出温度, Cr 含量对 M23C6 和 M3B2 的析出行为有一定的影响, Cr 的建议质量分数为 13%;Mo 和 W 含量 影响 TCP 相和 M3B2 的析出行为.质量比 Al/ Ti 和 Nb/ Ta 影响γ′相的析出行为, 建议控制 Al/ Ti 和 Nb/ Ta 比平衡, 以使γ′相 起到理想的强化效果.C 和 B 含量显著影响碳化物和硼化物的析出量, 还可间接抑制 TCP 相析出;Zr 含量对 MC 和 M23C6 碳 化物的析出有影响;增 Co 降 Cr 和调节合金元素含量以获得小的点阵错配度是第3 代涡轮盘用粉末冶金高温合金成分优化设 计的趋势. 关键词 粉末冶金高温合金;热力学计算;平衡相;涡轮盘;优化设计 分类号 TG146.1 +5 ;TG 111.5 Effect of alloy elements on the precipitation behavior of thermodynamic equilibri￾um phases in new type nickel-based P/M superalloys WU Kai 1), LIU Guo-quan 1 , 2), HU Ben-fu 1), WU Hao 1), ZHANG Yi-wen 1 , 3), TAO Yu 3), LIU J ian-tao 3) 1)School of Mat erials Science and Engineering , University of S cience and Technology Beijing , Beijing 100083 , China 2)St at e Key Laborat ory for Advanced M etals and Materials, University of S cience and Technology Beijing , Beijing 100083 , China 3)School of Met allurgical and Ecologi cal Engineering , University of Science and T echnology Beijing , Beijing 100083 , China 4)High Temperature Mat erials Research Institution , CISRI , Beijing 100081 , China ABSTRACT The effects of alloy elements o n the precipitatio n behaviors of equilibrium phasesin new ty pe nickel-based powder met￾allurgy (P/ M)superalloys at aging tempera ture were studied systematically by a thermody namic calculatio n method .The calculation results show that the equilibrium precipitation phases of René 104 are γ′, MC, M23C6 , M3B2 and TCP phases.Cr and Co co ntents mainly influence the precipitation behavio rs of TCP phases and the precipitatio n temperature of γ′phase.Cr content also play s a role in the precipitation behaviors of M23C6 and M3B2.The suggested content of Cr is 13%.Mo and W contents influence the precipita￾tio n behaviors of TCP phases and M3B2 .The mass ratios of Al/ Ti and Nb/ Ta affect the precipitation behavio rs of γ′phase.It sug￾gests controlling the values of Al/ Ti and Nb/ Ta to be unity in o rder to make γ′phase having desire streng then effect .C and B co n￾tents significantly influence the precipitation volumes of carbides and borides ;they can restrain the precipitation of TCP phases indi￾rectly.Zr content influences the precipitation behaviors of MC and M23C6 .Besides, it is revealed that the composition optimization and design trend of the 3rd generation P/M turbine disc superalloy s is with more Co , less Cr and to obtain a smaller lattice mismatch by adjusting the contents of alloy elements. KEY WORDS P/ M superalloy;thermody namic calculation;equilibrium phase;turbine disc;optimization desig n 收稿日期:2008-07-08 基金项目:国家武器装备预研基金资助项目(No .9140A12070507QT0202);国家高技术研究发展计划资助项目(No .2007AA03A223) 作者简介:吴 凯(1984—), 男, 博士研究生;刘国权(1952—), 男, 教授, 博士生导师, E-mail:g .liu@ustb.edu.cn 在 20 世纪 90 年代, 由美国国家航空航天局 (NASA)格伦研究中心与美国通用(GE)飞机引擎公 第 31 卷 第 6 期 2009 年 6 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol .31 No.6 Jun.2009 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2009.06.007

。720 北京科技大学学报 第31卷 司和普慧(Pratt&Whit ney)公司开始联合研制先 件与相应Nⅱ基数据库进行模拟计算，通过利用系统 进大盘件用粉末治金高温合金Rene1O4(ME3),并 中各相热力学特征函数严格的热力学关系，建立起 在航空发动机中得到应用.ReI04合金在一 相应的热力学模型，将相图和各种热力学数据联系 定成分范围和处理条件下具有较强的适应性，其性 起来.由于在恒温恒压的条件时，体系处于平衡的 能不随成分波动和热处理条件的小幅变化而急剧变 条件是在满足物料平衡方程的前提下，使体系的吉 化.在600~700℃具有优异的持久性能，采用 布斯自由能为最小值：从而计算出系统中所有的热 RenéIO4合金制作的发动机涡轮盘的热时寿命是当 力学信息，得到可能析出的平衡相，并预测RenéIO4 前正在使用的第2代粉末高温合金盘件的30倍). 合金中合金元素对热力学析出相的影响，揭示各平 我国刚开始进行温度为750~800℃的第3代 衡相的析出规律.由于Remé104合金的时效温度为 涡轮盘用粉末治金高温合金的研制.第3代粉高合 760℃，合金经时效后其组织达到近平衡状态，且其 金的优异性能主要取决于合金成分，析出相和制备 与第3代涡轮盘用粉末治金高温合金实际要求的使 工艺，且与前两代合金的不同之处是尤其注重合金 用温度范围相符合，故设定计算温度为760℃. 在高温服役工况下的长时组织稳定性，这主要与合 2结果与讨论 金析出有害的TCP(topologically close packed)相、对 晶界起强化作用的碳化物和硼化物以及起析出强化 2.1Ref104合金热力学平衡相 作用的Y相等相关.本文通过采用当今最具代 Re104合金的典型化学成分（质量分数）为： 表性的材料热力学相图计算软件Thermo-Calc,分析 Cr,13%;Co,20.6%;Mo,3.8%:W,2.1%: 计算了Rene1O4合金在时效温度下析出的平衡相， Al,3.4%:Ti,3.7%;Nh,09%:Ta2.4%:C 重点研究了合金元素对该合金中TCP相、碳化物、 0.05%:B,0.025%:Zr,0.05%:Ni,余量.经热 硼化物和Y相等析出行为的影响，验证该合金成分 力学平衡相计算，得到当其各化学成分为典型含量 设计的合理性与不足之处，以期为我国第3代涡轮 时各相析出量与析出温度的关系见图1.由图1可 盘用粉末治金高温合金的成分优化设计提供参考. 知，合金中的主要平衡析出相为Y、MC、M23C6、 1研究方法 M3B2和TCP相（如，o).表1为Bee104在 760℃时各平衡相的计算成分. 采用Thermo-Cale相平衡计算和热力学评估软 100 15 (a) (b) 80- 10 是60 40 5 20 MaC. MC 十 MB: 96060080010001200140016001800 40060080010001200140016001800 温度K 温度K 图1Rae104合金各相析出量与析出温度的计算曲线.(a)整体图：(b)局部放大图 Fig I Calculated dependences of precipitation phases on temperature (a)and its local magnificat ion (b)of Rere104 图2为Ree104合金在过固溶热处理（固溶 图1)，在760℃时Y相的体积分数约为53%：与实 1171℃/2h,空冷：时效760℃/8h,空冷)后SEM组 测Y'相的固溶温度为1157℃，平衡态时Y相体积分 织形貌，碳化物(M3C6和MC)和硼化物(M3B2)在 数为51%左右刂相差不大.同时可得M3C6初始 晶界（内）析出，晶内有大量的Y相析出，实验所观 溶解温度为922℃，MB2低于1122℃就开始析出， 测到的析出相与图1中平衡相计算所给出的结果相 其最大析出量分别为1.1%和0.33%（摩尔分数）. 吻合.主要平衡相Y相的固溶温度为1161℃（见

司和普慧(Pratt &Whitney)公司开始联合研制先 进大盘件用粉末冶金高温合金 René104(ME3), 并 在航空发动机中得到应用[ 1-2] .René104 合金在一 定成分范围和处理条件下具有较强的适应性, 其性 能不随成分波动和热处理条件的小幅变化而急剧变 化,在 600 ～ 700 ℃具有优异的持久性能[ 3-4] , 采用 René104 合金制作的发动机涡轮盘的热时寿命是当 前正在使用的第 2 代粉末高温合金盘件的30 倍 [ 5] . 我国刚开始进行温度为 750 ～ 800 ℃的第 3 代 涡轮盘用粉末冶金高温合金的研制.第 3 代粉高合 金的优异性能主要取决于合金成分 、析出相和制备 工艺, 且与前两代合金的不同之处是尤其注重合金 在高温服役工况下的长时组织稳定性, 这主要与合 金析出有害的 TCP(topologically close packed)相、对 晶界起强化作用的碳化物和硼化物以及起析出强化 作用的 γ′相等相关[ 6-8] .本文通过采用当今最具代 表性的材料热力学相图计算软件 Thermo-Calc ,分析 计算了 René104 合金在时效温度下析出的平衡相 , 重点研究了合金元素对该合金中 TCP 相 、碳化物 、 硼化物和 γ′相等析出行为的影响, 验证该合金成分 设计的合理性与不足之处 , 以期为我国第 3 代涡轮 盘用粉末冶金高温合金的成分优化设计提供参考 . 1 研究方法 采用 Thermo-Calc 相平衡计算和热力学评估软 件与相应 Ni 基数据库进行模拟计算 ,通过利用系统 中各相热力学特征函数严格的热力学关系 ,建立起 相应的热力学模型, 将相图和各种热力学数据联系 起来 .由于在恒温恒压的条件时 ,体系处于平衡的 条件是在满足物料平衡方程的前提下, 使体系的吉 布斯自由能为最小值 ;从而计算出系统中所有的热 力学信息 ,得到可能析出的平衡相, 并预测 René104 合金中合金元素对热力学析出相的影响 , 揭示各平 衡相的析出规律.由于 René104 合金的时效温度为 760 ℃,合金经时效后其组织达到近平衡状态 ,且其 与第 3 代涡轮盘用粉末冶金高温合金实际要求的使 用温度范围相符合 ,故设定计算温度为 760 ℃. 2 结果与讨论 2.1 René 104 合金热力学平衡相 René104 合金的典型化学成分(质量分数)为: Cr , 13 %;Co , 20.6 %;Mo , 3.8 %;W , 2.1 %; Al , 3.4 %;Ti , 3.7 %;Nb , 0.9 %;Ta , 2.4 %;C , 0.05 %;B , 0.025 %;Zr , 0.05 %;Ni , 余量 .经热 力学平衡相计算, 得到当其各化学成分为典型含量 时各相析出量与析出温度的关系见图 1 .由图 1 可 知 , 合金中的主要平衡析出相为 γ′、MC 、M23C6 、 M3B2 和 TCP 相(如 μ, σ).表 1 为 René 104 在 760 ℃时各平衡相的计算成分 . 图 1 René104 合金各相析出量与析出温度的计算曲线.(a)整体图;(b)局部放大图 Fig.1 Calculated dependences of precipitation phases on t emperature (a)and its local magnification (b)of René104 图 2 为 René104 合金在过固溶热处理(固溶 1 171 ℃/2 h , 空冷 ;时效 760 ℃/8 h , 空冷)后SEM 组 织形貌 ,碳化物(M 23C6 和 MC)和硼化物(M3B2)在 晶界(内)析出, 晶内有大量的 γ′相析出, 实验所观 测到的析出相与图 1 中平衡相计算所给出的结果相 吻合.主要平衡相 γ′相的固溶温度为 1 161 ℃(见 图 1),在 760 ℃时 γ′相的体积分数约为 53 %;与实 测γ′相的固溶温度为 1157 ℃,平衡态时 γ′相体积分 数为 51 %左右[ 1] 相差不大.同时可得 M23C6 初始 溶解温度为 922 ℃,M 3B2 低于 1 122 ℃就开始析出, 其最大析出量分别为 1.1 %和 0.33 %(摩尔分数). · 720 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷

第6期 吴凯等：合金元素对新型镍基粉未高温合金的热力学平衡相析出行为的影响 ·721。 表1R104合金在时效温度760℃下各平衡相的计算成分（质量分数） TableI Calculated chemical compositions of equilibrium precipitation phases at the aging temperature of 760C % 平衡相 Ni Cr Co Mo W Nb Ta C B 37.85 23.91 3083 3.95 250 073 016 微量 Y 6538 1.48 12.29 0.30 1.28 596 698 1.71 4.56 MC 微量 微量 012 一 016 447 1631 68.28 1055 M23C6 5.26 63.32 666 19.19 048 一 5.09 M3B2 20.16 022 7066 072 817 113513.62 24.5137.321316 微量 微量 11.20 423429.19 15.74 1.54 1 um 1 um 图2过固溶热处理（固溶：1171℃2h空冷：时效：760℃8h.空冷）后Re104的SEM组织形貌山.(a)M2C6碳化物和M,B2硼化物： (b)MC碳化物 Fig 2 SEM images of Rere 104 after supersolvus heat treatment (solution:1171 C/2h.air cooling:aging:760 C/8h.air cooling):(a)MaC carbide and M3B2 boride;(b)MC carbide 2.2合金成分对TCP相的影响 含量提高而迅速增加，随C0含量提高其增加要相 22.1Co、Cr、Mo和W元素的影响 对缓慢一些，如图3()所示：故从控制合金在高温 由图1可知，Rene104合金在时效温度760℃ 工作状态下TCP相的析出量以提高合金高温组织 下存在的TCP相为u相和ō相，结合表1可知4相 稳定性来考虑可，增Co降Cr是新型高温合金成分 为富Mo、Co、W和Cr的金属间化合物，是I族 优化设计的趋势.综合考虑，第3代涡轮盘用粉末 (Mo、W等A元素)和族元素(Co、Ni等B元素) 治金高温合金的成分设计建议控制：w>17%, 组成的BA6型化合物：o相为富Cr、Co、Mo和W的 wc=13%. 金属间化合物，是(Cr,Mo,W)x(Co,Ni),型化合 TCP相析出行为随Mo和W含量而变化的曲 物，其中x与y的值可取1~7：故Cr、Co、Mo和W 线如图4所示.从图4(a)可知：当Mo的质量分数 含量对TCP相的析出行为会有一定影响. 从21%增加到2.8%时，4相和σ相均大幅地增 图3为TCP相析出行为随Co和Cr含量变化 加：随Mo含量进一步增大，4相和σ相均基本呈线 的曲线.从图3(a)中可知，随着Co含量增加，μ相 性增加且μ相的增多更为明显.μ相和σ相析出温 缓慢增加，σ相呈线性增加.由图3(b)可得，随着C0 度随Mo含量增加而升高，如图4(b)所示.4相和σ 含量增加，μ相和。相的析出温度逐渐升高：当C0 相析出温度随W含量的变化曲线如图4(c)所示：当 的质量分数wc>17%时，μ相和σ相析出温度均 ww≤44%时，μ相析出温度随W含量增大而升 高于850℃.由图3(c)可知，随Cr含量增加，σ相析 高，进一步增大W含量时“相析出温度反而降低：0 出温度逐渐增高，“相析出温度呈现先增大后减小 相析出温度随W含量增大逐渐增高.单独调整W 的变化趋势；且在wC,=13%时，μ相析出温度达到 或Mo的添加量，TCP相析出总量随Mo的增加而 最大值，4相和6相分别在906℃和880℃析出，保 迅速增加，随W含量的提高增加要相对缓慢一些， 证了合金在750~800℃下工作时无TCP相析出. 如图4(d)所示.此外，W能显著提高在高温下镍基 单独改变Cr或Co的添加量时，TCP相总量随Cr 合金中Y相的强度。减缓Y相长大和溶解1，对合

表 1 René104 合金在时效温度 760 ℃下各平衡相的计算成分(质量分数) Table 1 Calculated chemi cal compositions of equilibrium precipit ation phases at the aging t emperature of 760 ℃ % 平衡相 Ni Cr Co Mo W Al Ti Nb Ta Zr C B γ 37.85 23.91 30.83 3.95 2.50 0.73 0.16 — 微量 — — — γ′ 65.38 1.48 12.29 0.30 1.28 5.96 6.98 1.71 4.56 — — — MC — 微量 — 微量 0.12 — 0.16 4.47 16.31 68.28 10.55 — M23C6 5.26 63.32 6.66 19.19 0.48 — — — — — 5.09 — M3B2 — 20.16 0.22 70.66 0.72 — — — — — — 8.17 μ 11.35 13.62 24.51 37.32 13.16 — — 微量 微量 — — — σ 11.20 42.34 29.19 15.74 1.54 — — — — — — — 图 2 过固溶热处理(固溶:1 171 ℃/ 2 h , 空冷;时效:760 ℃/ 8 h , 空冷)后 René104 的 SEM 组织形貌[1] .(a)M 23C6 碳化物和 M3B2 硼化物; (b)MC 碳化物 Fig.2 SEM images of René 104 aft er supersolvus heat treatment (solution:1 171 ℃/ 2 h , air cooling ;aging :760 ℃/ 8 h , air cooling):(a)M23C6 carbide and M3B2 boride ;(b)MC carbide 2.2 合金成分对 TCP 相的影响 2.2.1 Co 、Cr 、M o 和 W 元素的影响 由图 1 可知 , René104 合金在时效温度 760 ℃ 下存在的 TCP 相为 μ相和σ相 ,结合表 1 可知 μ相 为富 Mo 、Co 、W 和 C r 的金属间化合物 , 是 Ⅵ 族 (M o 、W 等 A 元素)和 Ⅷ族元素(Co 、Ni 等 B 元素) 组成的B7A6 型化合物;σ相为富Cr 、Co 、Mo 和W 的 金属间化合物, 是(Cr, Mo , W)x (Co , Ni)y 型化合 物,其中 x 与y 的值可取 1 ～ 7 ;故 Cr 、Co 、Mo 和 W 含量对 TCP 相的析出行为会有一定影响. 图 3 为 TCP 相析出行为随 Co 和 Cr 含量变化 的曲线.从图 3(a)中可知, 随着 Co 含量增加, μ相 缓慢增加 ,σ相呈线性增加 .由图3(b)可得, 随着 Co 含量增加 , μ相和 σ相的析出温度逐渐升高 ;当 Co 的质量分数 wCo >17 %时 ,μ相和 σ相析出温度均 高于 850 ℃.由图 3(c)可知 ,随 Cr 含量增加 ,σ相析 出温度逐渐增高, μ相析出温度呈现先增大后减小 的变化趋势 ;且在 wCr =13 %时 ,μ相析出温度达到 最大值,μ相和σ相分别在 906 ℃和 880 ℃析出, 保 证了合金在 750 ～ 800 ℃下工作时无 TCP 相析出 . 单独改变 Cr 或 Co 的添加量时 , TCP 相总量随 C r 含量提高而迅速增加, 随 Co 含量提高其增加要相 对缓慢一些, 如图 3(d)所示 ;故从控制合金在高温 工作状态下 TCP 相的析出量以提高合金高温组织 稳定性来考虑[ 6] , 增 Co 降C r 是新型高温合金成分 优化设计的趋势 .综合考虑, 第 3 代涡轮盘用粉末 冶金高温合金的成分设计建议控制:w Co >17 %, w Cr=13 %. TCP 相析出行为随 M o 和 W 含量而变化的曲 线如图 4 所示 .从图 4(a)可知:当 Mo 的质量分数 从 2.1 %增加到 2.8 %时, μ相和 σ相均大幅地增 加 ;随 Mo 含量进一步增大 ,μ相和 σ相均基本呈线 性增加且 μ相的增多更为明显.μ相和σ相析出温 度随 Mo 含量增加而升高 ,如图 4(b)所示 .μ相和σ 相析出温度随W 含量的变化曲线如图 4(c)所示 :当 w W ≤4.4 %时, μ相析出温度随 W 含量增大而升 高 ,进一步增大 W 含量时 μ相析出温度反而降低 ;σ 相析出温度随 W 含量增大逐渐增高 .单独调整 W 或 Mo 的添加量 , TCP 相析出总量随 Mo 的增加而 迅速增加 , 随 W 含量的提高增加要相对缓慢一些, 如图 4(d)所示 .此外,W 能显著提高在高温下镍基 合金中 γ′相的强度, 减缓 γ′相长大和溶解[ 7] , 对合 第 6 期 吴 凯等:合金元素对新型镍基粉末高温合金的热力学平衡相析出行为的影响 · 721 ·

。722 北京科技大学学报 第31卷 55 945 5.0 (a) (b) 鲁一g相 930 ■一g相 45 金μ相 女μ相 AA 900 3.0 20叶 855 15 840 14161820222426 12 14161820222426 0e% Wc/%o 1100 16 量一G相 (d) 1000叶 ★一山相 14 -Cr 900 Co 800 10 700 8 600 6 400上 101112131415 101214161820222426 Wc/% 图3Rae104合金在760C时Co和Cr含量对TCP相析出行为的影响.(a)Co对TCP相析出量的影响：(b)Co对TCP相析出温度的影 响：(c)Cr对TCP相析出温度的影响：(d)Co和Cr对TCP相析出量的影响 Fig 3 Effects of Co and Cr contents on the precipitation behavior of TCPphases at 760 C:(a)effect of Co content on the precipitation amount of TCP phases:(b)effect of Co content on the precipitation temperature of TCP phases;(c)effect ofCr content on the precipitation temperature of TCP phases:(d)effect of Co and Cr contents on the precipitation amount of TCP phases 6 (a) 1000(b) S ■一0相 950 ■一0相 ▲μ相 一相 900 3 850 800 2 750 700 650 0 2.02.53.03.54.04.55.0 2.0253.0354.0455.0 Wwo % 1000(c) -Mo 980 ■一0相 W 林相 960 940 920 4 900 2 880 1.5 2.5 3.5 4.5 5.5 6.5 2.02.53.03.54.04.55.05.5 1% 1/%o 图4Ra1O4合金在T60℃时Mo和W含量对TCP相的影响.(a)Mo对TCP相析出量的影响：(b)Mo对TCP相析出温度的影响(c) W对TCP相析出温度的影响：(d)Mo和W对TCP相析出量的影响 Fig 4 Effects of Mo and W contents on the precipitation behavior of TCP phases at 760 C (a)effect of Mo content on the precipitation amount of TCP phasess (b)effect of W content on the pcipitation temperature of TCP phases;(c)effec of Mo content on the precipitation temperature of TCP phases;(d)effect of Mo and W contents on the precipitation amount of TCP phases

图 3 René 104 合金在760 ℃时Co 和 Cr 含量对 TC P 相析出行为的影响.(a)Co 对 TCP 相析出量的影响;(b)Co 对 TCP 相析出温度的影 响;(c)Cr 对 TCP 相析出温度的影响;(d)Co 和 Cr 对 TCP 相析出量的影响 Fig.3 Effects of Co and Cr cont ents on the precipitation behavior of TC P phases at 760 ℃:(a)effect of Co cont ent on the precipit ati on amount of TCP phases;(b)effect of Co content on the precipitation temperature of TCP phases;(c)effect of C r content on the precipit ation temperatu re of TCP phases;(d)effect of Co and C r contents on the precipitation amount of TC P phases 图 4 René 104 合金在 760 ℃时 Mo 和 W 含量对 TCP 相的影响.(a)Mo 对 TCP 相析出量的影响;(b)M o 对 TCP 相析出温度的影响;(c) W 对 TCP 相析出温度的影响;(d)Mo 和 W 对 TCP 相析出量的影响 Fig.4 Effects of Mo and W conten ts on the precipitation behavior of TCP phases at 760 ℃:(a)eff ect of Mo content on the precipit ation amount of TCP phases;(b)eff ect of W cont ent on the precipitation t emperature of TCP phases;(c)effect of Mo cont ent on the precipitation t emperature of TCP phases;(d)eff ect of Mo and W cont ents on the precipit ation amount of TCP phases · 722 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷

第6期 吴凯等：合金元素对新型镍基粉末高温合金的热力学平衡相析出行为的影响 ·723。 金的强度和蠕变性能有明显的改善作用8.综合考 的析出量减少，以相的析出量略有增加，这可能与 虑，第3代涡轮盘用粉末治金高温合金的成分设计 M23C6碳化物的形成能消耗相对多的Cr,从而使 建议控制：ww≤44%：在保证W和Mo的总量不 Ree1O4合金的基体中出现局部Mo和W等的富集 少于5%以保证固溶强化效果的前提下，使W含量 有关.总体而言，提高C含量可减少TCP相的析出 大于Mo. 量.从图56)可知，随B含量的增加，ō相和μ相的 2.2.2C和B元素的影响 析出量均减少，可能是因硼化物形成的同时还固结 因Rene104合金为多元素合金，各元素之间的 一定量的Mo和Cr,降低了合金基体中Mo和Cr的 相互作用也比较复杂，非固溶强化元素通过影响 过饱和度，从而减少了TCP相的析出量.热力学计 Cr,Co、Mo和W等在合金中的分布来影响TCP相 算所揭示的C和B可间接抑制TCP相析出与文 的析出行为.从图5(a)可知，随C含量的增加，σ相 献7中的实验结果有较好的一致性. 4.51 (a) (b) ■-G相 ★μ相 3.9 一 3.3 量-G相 一 ▲一μ相 爱 21 21 1.5 0 0.02.0.030.040.050.06 0802 0.0180.0240.0300.036 t0c9% t0% 图5Re104合金在760C时C(a)和B)含量对TCP相析出量的影响 Fig 5 Effects of C (a)and B(b)contents on the precipitat ion amount of TCP phases at 760C 23合金成分对碳化物的影响 尔分数).M23C6碳化物析出行为随C含量的变化 23.1C元素的影响 如图6(b)所示：其析出温度随C含量的增加而略有 图6是C含量对MC和M23C6碳化物析出行 升高，析出量却显著增加：当C的质量分数为 为影响的计算结果.从图6(a)中可看出：随着C含 0.02%~0.06%时，M23C6析出量为0.421%~ 量增加，MC碳化物析出温度略有增加，其析出量随 1.34%(摩尔分数).另外，从图6中可知，MC碳化 C含量的增加而增多；当C的质量分数为0.02%~ 物析出量在927℃附近会出现明显减少，这与其分 006%时，MC析出量为0.0164%~0.0178%（摩 解转化为M3C6碳化物有关. 16 (e (b) 0.060%C 0.060%C 0.055%C 0.0559%C (0l/ 0.050%C 0.050%C 0.045%C 0.045%C 0.0409%C 8 0.040%C 3 0.035%C 0.035%C 0.030%C 兰2 0.030%C 0.025%C 墨 0.025%C 0.020%C 4 0.020%C 600 1000 1400 1800 600 1000 1400 1800 温度K 温度K 图6Re104合金在760C时C含量对MC(a)和MsC6(b)析出行为的影响 Fig 6 Effects of C content on the precipitation behavior of MC (a)and M23C (b)at 760C 2.3.2Zx元素的影响 含量对MC和M23C6碳化物的影响见图7所示.从 从表1平衡相的计算结果可知，MC碳化物中 图7中可知，随Zr含量的增加，MC和M23C6碳化 合金元素主要为Zr,还含有一定量的Ta和Nb.Zr 物的析出量呈无规则变化：当w2r=0.04%和

金的强度和蠕变性能有明显的改善作用 [ 8] .综合考 虑,第 3 代涡轮盘用粉末冶金高温合金的成分设计 建议控制 :w W ≤4.4 %;在保证 W 和 Mo 的总量不 少于 5 %以保证固溶强化效果的前提下 , 使 W 含量 大于 Mo . 2.2.2 C 和 B 元素的影响 因 René104 合金为多元素合金, 各元素之间的 相互作用也比较复杂 , 非固溶强化元素通过影响 Cr 、Co 、Mo 和 W 等在合金中的分布来影响 TCP 相 的析出行为 .从图 5(a)可知, 随 C 含量的增加 ,σ相 的析出量减少, μ相的析出量略有增加, 这可能与 M23C6 碳化物的形成能消耗相对多的 Cr , 从而使 René104 合金的基体中出现局部 Mo 和W 等的富集 有关.总体而言 ,提高 C 含量可减少 TCP 相的析出 量 .从图 5(b)可知 ,随 B 含量的增加, σ相和 μ相的 析出量均减少 ,可能是因硼化物形成的同时还固结 一定量的 M o 和 Cr ,降低了合金基体中 Mo 和 Cr 的 过饱和度 ,从而减少了 TCP 相的析出量 .热力学计 算所揭示的 C 和 B 可间接抑制 TCP 相析出与文 献[ 7] 中的实验结果有较好的一致性 . 图 5 René104 合金在 760 ℃时C (a)和 B (b)含量对 TC P 相析出量的影响 Fig.5 Effects of C (a)and B (b)con tents on the precipit ation amount of TCP phases at 760 ℃ 2.3 合金成分对碳化物的影响 2.3.1 C 元素的影响 图6 是 C 含量对 MC 和 M23C6 碳化物析出行 为影响的计算结果.从图 6(a)中可看出:随着 C 含 量增加 ,MC 碳化物析出温度略有增加, 其析出量随 C 含量的增加而增多 ;当 C 的质量分数为 0.02 %～ 0.06 %时, MC 析出量为 0.016 4 %～ 0.017 8 %(摩 尔分数).M23C6 碳化物析出行为随 C 含量的变化 如图 6(b)所示 :其析出温度随 C 含量的增加而略有 升高 , 析 出量却显著 增加;当 C 的质量 分数为 0.02 %～ 0.06 %时 , M23 C6 析出量为 0.421 %～ 1.34 %(摩尔分数).另外, 从图 6 中可知 ,M C 碳化 物析出量在 927 ℃附近会出现明显减少, 这与其分 解转化为 M23C6 碳化物有关 . 图 6 René104 合金在 760 ℃时 C 含量对MC(a)和 M23C6(b)析出行为的影响 Fig.6 Effects of C cont ent on the precipit ation behavior of MC (a)and M23C6(b)at 760 ℃ 2.3.2 Zr 元素的影响 从表 1 平衡相的计算结果可知, MC 碳化物中 合金元素主要为 Zr, 还含有一定量的 Ta 和 Nb .Zr 含量对 MC 和 M23C6 碳化物的影响见图 7 所示.从 图 7 中可知, 随 Zr 含量的增加, MC 和 M23C6 碳化 物的 析出量呈无 规则变化 :当 wZ r =0.04 %和 第 6 期 吴 凯等:合金元素对新型镍基粉末高温合金的热力学平衡相析出行为的影响 · 723 ·

。724 北京科技大学学报 第31卷 0.05%时，出现MC碳化物：在wz,=005%时，MC M23C6碳化物：一定量的一次MC碳化物的析出，在 碳化物析出量达到最大值，进一步增大Zr含量，合 合金固溶冷却过程中可起到阻止晶粒长大和晶界沿 金中仅存在M3C6碳化物.结合MC和M23C6碳化 直线平移的作用，符合第3代涡轮盘用粉末治金 物的析出温度随Z含量的变化曲线可知，当wz= 高温合金的组织要求. 0.04%和0.05%时，合金中存在有常规的MC和 1.17 1250 1400 0.018 (b) 1.16 0.016 1200 1200 是1.15 0014是 1150 10002 1.14 0.012 1100 800 0.010 1.13 ■-MC。 量-MnC。 MC 0.008 1050 ★-MC 600 1.2 0.006 1000 400 1.11 0.004 950 200 1.10 0.002 900 1096 10 0.020.040.060.080.10 0 0.02 0.040.060.080.10 02/% ez/9% 图7Pe104合金在760℃时Zx含量对MC和M3C6碳化物析出量(a)和析出温度(b)的影响 Fig 7 Effects ofZr content on the precipitation volume (a)and temperature (b)of MC and M2Csat 760C 23.3Cr元素的影响 时，M3B2析出量为0.2%~0.44%（摩尔分数）. M3C6碳化物中合金元素主要为Cr还含有一 % 定量Mo、Co和W.M23C6碳化物在René104合金 40 0.033%B 的晶品界处若主要以断续、链状析出时，对高温下强化 +01/ 0.0309%B 0.0279%B 晶界，提高合金的高温蠕变性能等有明显的效 30 0024%B 0.02I%B 果.Cr含量对M23C6碳化物析出行为的影响见 30 0.018%B 0.0139%B 图8.从图8中可知，随Cr含量增加，M23C6碳化物 的析出行为有如下规律：M23C6碳化物析出量先增 加后减少，其析出温度逐渐增大，且当wc,=13% 60080010001200140016001800 时，M3C6碳化物的析出量达到最大值 温度K 1.12 图9Ree104合金在760C时B含量对M:B2析出行为的影响 1.11 930 Fig.9 Effects of B content on the precipitation behavior of M3B2at 1.10 920 760℃ 1.08 2.42Mo、Cr和W元素的影响 10 一摩尔分数 1.06 。温度 是 René104合金中M3B2硼化物的合金元素主要 880 1.05 为Mo,同时含有一定量的Cr和W.图10为Mo含 10 111213 1415 0c/% 0.3350 1160 图8Ra104合金在760℃时Cr含量对MsC6碳化物析出行为 0.3345 。摩尔分数 0.3340 一一温度 的影响 1120 Fig.8 Effects of Cr content on the pwecipitation behavior of M2C 专 0.3325 1100 a760℃ :0.3320 1080 三0.3315 0.3310 2.4合金成分对硼化物的影响 0.3305 1040 2.02.53.03.54.04.55.0 2.4.1B元素的影响 0u% 图9是B含量对M3B2硼化物析出量和析出温 图10Ree104合金在760℃时Mo含量对M,B2硼化物析出行 度影响的计算结果.可以看出：随B的质量分数增 为的影响 加，M3B2硼化物析出温度基本保持不变，其析出量 Fig.10 Effects of Mo content on the precipit at ion behav ior of M3B 逐渐增加：当B的质量分数为0.015%~0.033% at760℃

0.05 %时, 出现 MC 碳化物;在 w Zr =0.05 %时 ,MC 碳化物析出量达到最大值 , 进一步增大 Zr 含量 , 合 金中仅存在M 23C6 碳化物 .结合 MC 和 M 23C6 碳化 物的析出温度随 Zr 含量的变化曲线可知, 当w Zr = 0.04 %和 0.05 %时, 合金中存在有常规的 MC 和 M23C6 碳化物;一定量的一次 MC 碳化物的析出 ,在 合金固溶冷却过程中可起到阻止晶粒长大和晶界沿 直线平移的作用[ 9] , 符合第 3 代涡轮盘用粉末冶金 高温合金的组织要求. 图 7 René104 合金在 760 ℃时 Zr 含量对 MC 和 M23C6 碳化物析出量(a)和析出温度(b)的影响 Fig.7 Effects of Zr cont ent on the precipit ation volume (a)and temperature (b)of MC and M23C 6 at 760 ℃ 2.3.3 Cr 元素的影响 M 23C6 碳化物中合金元素主要为 Cr, 还含有一 定量 M o 、Co 和 W .M23C6 碳化物在 René104 合金 的晶界处若主要以断续、链状析出时,对高温下强化 晶界 , 提高合金的高温蠕变性能等有明显的效 果[ 2] .Cr 含量对 M23C6 碳化物析出行为的影响见 图 8 .从图 8 中可知, 随 Cr 含量增加 ,M23C6 碳化物 的析出行为有如下规律:M23C6 碳化物析出量先增 加后减少 , 其析出温度逐渐增大, 且当 wCr =13 % 时,M 23C6 碳化物的析出量达到最大值 . 图8 René104 合金在760 ℃时C r 含量对 M23C6 碳化物析出行为 的影响 Fig.8 Effects of C r content on the precipitation behavior of M23C6 at 760 ℃ 2.4 合金成分对硼化物的影响 2.4.1 B 元素的影响 图 9 是 B 含量对 M3B2 硼化物析出量和析出温 度影响的计算结果.可以看出 :随 B 的质量分数增 加,M 3B2 硼化物析出温度基本保持不变 ,其析出量 逐渐增加;当 B 的质量分数为 0.015 %～ 0.033 % 时 ,M3B2 析出量为 0.2 %～ 0.44 %(摩尔分数). 图 9 René104 合金在 760 ℃时 B 含量对 M3B2 析出行为的影响 Fig.9 Effects of B content on the precipitation behavior of M3B2 at 760 ℃ 2.4.2 Mo 、Cr 和 W 元素的影响 图 10 René104 合金在 760 ℃时 Mo 含量对 M3B2 硼化物析出行 为的影响 Fig.10 Eff ects of Mo cont ent on the precipit ation behavior of M3B2 at 760 ℃ René104 合金中 M3B2 硼化物的合金元素主要 为 Mo , 同时含有一定量的 Cr 和 W .图 10 为 Mo 含 · 724 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷

第6期 吴凯等：合金元素对新型镍基粉末高温合金的热力学平衡相析出行为的影响 725。 量对M3B2硼化物析出行为的影响.由图10可知， 的影响.由图I1(a)可知：M3B2的析出量随着Cr含 M3B2析出量随Mo含量增加而基本呈线性增加，可 量增加而基本呈线性减少，可能与Cr更倾向于形成 能是由于此时B相对于Mo总是富余的.M3B2析 M23C6碳化物从而在合金局部范围内会造成Mo的 出温度随Mo含量增加逐渐升高，结合随M0含量 贫化有关；M3B2析出温度随Cr含量增加而逐渐降 增加M3B2硼化物中Mo组分也增加的热力学计算 低.由图11(b)可知，MB2析出行为随W含量增加 结果，说明当B含量为定值时，可通过调节Mo含量 有如下规律：当ww≤44%时，M3B析出温度基本 来有效控制M3B2的析出行为.M3B2硼化物作为晶 保持不变，MB2析出量缓慢增加；进一步增大W含 界的强化相，需有一定的析出量，但还应控制合金在 量，M3B2的析出温度降低其析出量迅速增大，结合 高温下硼化物的析出量，以免过量的硼化物会对合 控制M3B2在高温下的析出温度和析出量以达到最 金的蠕变寿命与高温持久性能产生不利影响9， 佳的晶界强化效果，第3代涡轮盘用粉末治金高温 图11为Cr和W含量对M,B2硼化物析出行为 合金建议控制在ww≤4.4%. 0.3350m 0.346 1123 (a) 1128 (b) ■一摩尔分数 0.3345 鲁摩尔分数 0344 温度 ★一温度 1126 0.342 112 1124 0.340 0.3335 1122 1121 0.338 0.3330 1120 036 1120 0.3325 1118 0.334 0.3320 1116 0.33 10 11 1213 14 15 1.5 2.5 3.54.5 5.5 6119 Wc/% 0w6 图11Ree104合金在760℃时Cr(a和W)含量对M,B2硼化物析出行为的影响 Fig 11 Effects of Cr (a)and W(b)contents on the precipitation behavior of M3B at 760C 2.5合金成分对Y相的影响 下保持强化效果，改善了合金的高温性能.从调节 2.5.1Co和Cr元素的影响 新型高温合金中Y相固溶温度以提高合金的高温 Rene1O4合金中Y相结构式为Ni3(AlTi),其 稳定性考虑，且综合对比分析国内外第2代和第3 中Co、Cr可置换Ni,Nb和Ta可部分地置换Al和 代粉末治金高温合金的公开化学成分1.311，增 Ti.Co和Cr是固溶强化的主要元素，在Ree1O4合 Co降Cr是第3代涡轮盘用粉末治金高温合金的成 金中，两者添加量均超过10%（质量分数）：Ree104 分优化设计的趋势. 中Co和Cr含量对Y相析出行为的影响如图12所 2.5.2AVTi和Nb/Ta比的影响 示.分别调节合金中Co和Cr含量可发现Cr使Y Al、Ti、Nb和Ta等析出强化元素均会增加Y相 相固溶温度降低，Co使Y相固溶温度升高，增Co降 析出量.Al/Ti和Nb/Ta质量比对Y相的析出行为 Cr将使Y相固溶温度得到提高，以利其在更高温度 也有较显著影响.在保持A十Ti总量不变(7.1%) 1170 的前提下，分别计算了A1/Ti比为1/2~2/1时Y'相 1167 -Wc 1164 的析出情况，如图13所示.由图13可得，随着AV 1161 T比增大，Y相的固溶温度升高，Y相的析出量增 1158 1155 多.当AVTi比值较小时，形成起强化作用的Y相 1152 稳定性低，长期时效有强烈转化为”相一Ni3Ti的 1149 趋势：逐渐提高A/Ti比，取得较好的热强度和热稳 101214161820222426 定性配合：但当A1量超过上限时，可能出现有害的 图12ee104合金在760C时Co和Cr含量对Y相析出温度的 B一NiAl相.此外，过度的AI会促使Y基体内Cr 影响 的富集，增加TCP相的形成倾向1？.综合考虑，第 Fig.12 Effects of Co and Cr contents on the precipitation temper 3代涡轮盘用粉末治金高温合金建议控制A/Ti比 ture ofy'phase at760℃ 平衡，且Ti含量稍大于A1,使Y相起到理想的强化

量对 M3B2 硼化物析出行为的影响.由图 10 可知 , M 3B2 析出量随 Mo 含量增加而基本呈线性增加, 可 能是由于此时 B 相对于 Mo 总是富余的.M3B2 析 出温度随 Mo 含量增加逐渐升高, 结合随 Mo 含量 增加 M3B2 硼化物中 Mo 组分也增加的热力学计算 结果, 说明当 B 含量为定值时 ,可通过调节 Mo 含量 来有效控制M 3B2 的析出行为 .M3B2 硼化物作为晶 界的强化相,需有一定的析出量,但还应控制合金在 高温下硼化物的析出量, 以免过量的硼化物会对合 金的蠕变寿命与高温持久性能产生不利影响 [ 9] . 图11 为 Cr 和 W 含量对 M3B2 硼化物析出行为 的影响 .由图 11(a)可知:M 3B2 的析出量随着 Cr 含 量增加而基本呈线性减少, 可能与C r 更倾向于形成 M23C6 碳化物从而在合金局部范围内会造成 Mo 的 贫化有关 ;M3B2 析出温度随 Cr 含量增加而逐渐降 低 .由图 11(b)可知,M 3B2 析出行为随 W 含量增加 有如下规律:当 w W ≤4.4 %时, M3B2 析出温度基本 保持不变,M 3B2 析出量缓慢增加 ;进一步增大 W 含 量 ,M3B2 的析出温度降低,其析出量迅速增大, 结合 控制 M 3B2 在高温下的析出温度和析出量以达到最 佳的晶界强化效果 , 第 3 代涡轮盘用粉末冶金高温 合金建议控制在 w W ≤4.4 %. 图 11 René104 合金在 760 ℃时 Cr(a)和 W(b)含量对 M3B2 硼化物析出行为的影响 Fig.11 Effects of Cr (a)and W (b)cont ents on the precipit ation behavior of M3B2 at 760 ℃ 2.5 合金成分对 γ′相的影响 2.5.1 Co 和 Cr 元素的影响 图12 René104 合金在760 ℃时Co 和Cr 含量对γ′相析出温度的 影响 Fig.12 Eff ects of Co and Cr cont ents on the precipitation t empera￾ture of γ′phase at 760 ℃ René104 合金中 γ′相结构式为 Ni3(Al, Ti), 其 中Co 、Cr 可置换 Ni , Nb 和 Ta 可部分地置换 Al 和 Ti.Co 和Cr 是固溶强化的主要元素,在 René104 合 金中, 两者添加量均超过 10 %(质量分数);René104 中Co 和 Cr 含量对 γ′相析出行为的影响如图 12 所 示.分别调节合金中 Co 和 Cr 含量可发现,Cr 使 γ′ 相固溶温度降低 ,Co 使 γ′相固溶温度升高, 增 Co 降 Cr 将使 γ′相固溶温度得到提高, 以利其在更高温度 下保持强化效果 , 改善了合金的高温性能 .从调节 新型高温合金中 γ′相固溶温度以提高合金的高温 稳定性考虑 ,且综合对比分析国内外第 2 代和第 3 代粉末冶金高温合金的公开化学成分[ 1 , 3 , 10-11] , 增 Co 降 Cr 是第 3 代涡轮盘用粉末冶金高温合金的成 分优化设计的趋势 . 2.5.2 Al/Ti 和 Nb/Ta 比的影响 Al 、Ti 、Nb 和 Ta 等析出强化元素均会增加γ′相 析出量.Al/Ti 和 Nb/Ta 质量比对 γ′相的析出行为 也有较显著影响.在保持 Al +Ti 总量不变(7.1 %) 的前提下 ,分别计算了 Al/Ti 比为 1/2 ～ 2/1 时 γ′相 的析出情况, 如图 13 所示 .由图 13 可得, 随着 Al/ Ti 比增大, γ′相的固溶温度升高 ,γ′相的析出量增 多 .当 Al/Ti 比值较小时 , 形成起强化作用的 γ′相 稳定性低,长期时效有强烈转化为η相———Ni3Ti 的 趋势 ;逐渐提高Al/Ti 比,取得较好的热强度和热稳 定性配合 ;但当 Al 量超过上限时 ,可能出现有害的 β ———NiAl 相.此外, 过度的 Al 会促使 γ基体内 Cr 的富集 ,增加 TCP 相的形成倾向 [ 12] .综合考虑, 第 3 代涡轮盘用粉末冶金高温合金建议控制 Al/Ti 比 平衡 ,且 Ti 含量稍大于Al ,使 γ′相起到理想的强化 第 6 期 吴 凯等:合金元素对新型镍基粉末高温合金的热力学平衡相析出行为的影响 · 725 ·

。726 北京科技大学学报 第31卷 效果. 能国.综合考虑，第3代涡轮盘用粉末治金高温合 1175 金建议控制Nb/Ta比的取值为/1.1~1.1/1. 1170 2.6合金成分对点阵常数的影响 1165 在镍基高温合金中，Y相的点阵常数和Y相 E1160 1155 的点阵常数随成分而异，用△妇来表示两者之间 1150 54 的点阵错配度，其可用如下的经验公式来进行计 1145 52 算刀： 1140 135 50 △a=ay'-ay=0043-0.130Cc-0024Cc- 1130 48 0183CA+(0.156Cm-0.360Cm)+ [0.248(C+C)-0.421(CM。+Cw]+ AlTi 0372(C+CTa) (1) 图13Re104合金在760℃C时AVTi质量比对Y相析出行为的 其中，C和C分别是各元素在Y相和Y相中的原子 影响 分数.显然，Nb、Ta增大两相的点阵错配度，Cr、Co、 Fig.13 Effects of AVTi mass ratio on the precipitat ion behavior of Y'phase at760℃ Mo、W和高A/Ti比均减少错配度.一般认为，共 格应力强化作用在650~700℃以下有效（约 图14为在保持Nb十Ta总量不变（质量分数为 0.6Tm),在高温下点阵错配度大的Y'相不稳定性倾 3.3%)的前提下，分别模拟计算Nb/Ta比为1/2~ 向通过聚集长大和改变为位错型界面结构而松弛弹 2/1时Y相的析出情况.由图14可知，随着Nb/Ta 性应力.对更高温度下C750℃)使用的高温合金 比增大，Y相固溶温度先升高后降低，Y相析出量却 Y相与Y相的点阵常数差别越小，Y相越不易长大， 不断增多，可能与Nb降低A、Ti在Y相中的溶解 Y相才更稳定，合金才有更好的高温强度：否则要产 度，从而增加Y相的析出量有关.当Nb/Ta质量比 生过时效，使高温强度有所下降.利用Thermo- 为/1.1~1.1/1时，Y相固溶温度和析出量基本保 Clc热力学软件的计算值并结合式(1)可得国内外 持不变；当Nb/Ta质量比为1.25/1时，Y相固溶温 典型三代粉末治金高温合金51G11B1的点阵常 度达到最大值；进一步增大Nb/Ta比，Y相固溶温 数及错配度.图15为国内外典型三代粉末治金高 度降低，这可能与在高Nb的合金中易形成体心四 温合金的点阵错配度与使用温度的关系图.从图15 方结构的Y”一Ni3Nb和正交结构的C一Ni3Nb 可知，第3代涡轮盘用粉末治金高温合金建议通过 等相有关.对于Ree104合金，元素Nb的含量不到 调节合金元素含量以获得较小的点阵错配度. Ta的1/2，该合金具有较高的静态裂纹扩展抗力， 但其Y'相固溶温度和析出量不高会影响合金在更 820 NR6 NR3.LSHR 高使用温度下C750℃)的性能.LSHR合金强调 800- 780 Nb/Ta比的平衡，从而保证了其获得更加优异的性 760 Alloy10 NF3 FGH96CH98 .SR3 1171 55.0 E 740 KM4 ME3 169 54.5 -1167 680 660 FGH95 1165 54.0 640 0 0.050.100.150.200250.300.350.40 1163 △a% 53.5 1161 图15典型三代粉末高温合金的点阵错配度与使用温度图 1159- 530 Fig.15 Lattice parameter mismatch and serve temperature of three 三三三 generations wpresentative P/M superalbys Nb/Ta 图14ReF104合金在760C时Nh/Ta质量比对Y'相析出行为 3结论 的影响 Fig.14 Effects of Nb/Ta mass ratio on the precipitation behavior of (1)Reneé104合金在760℃时热力学平衡析出 Y'phase at760℃ 相为Y'、MC、M23C6、M3B2和TCP相

效果 . 图 13 René 104合金在 760 ℃时Al/ Ti 质量比对γ′相析出行为的 影响 Fig.13 Eff ects of Al/ Ti mass ratio on the precipit ation behavior of γ′phase at 760 ℃ 图 14 René104 合金在 760 ℃时 Nb/ Ta 质量比对γ′相析出行为 的影响 Fig.14 Effects of Nb/ Ta mass ratio on the p recipitation behavior of γ′phase at 760 ℃ 图 14 为在保持 Nb +Ta 总量不变(质量分数为 3.3 %)的前提下 ,分别模拟计算 Nb/ Ta 比为 1/2 ～ 2/1 时 γ′相的析出情况 .由图 14 可知, 随着 Nb/Ta 比增大 ,γ′相固溶温度先升高后降低 ,γ′相析出量却 不断增多 ,可能与 Nb 降低 Al 、Ti 在 γ′相中的溶解 度,从而增加γ′相的析出量有关 .当 Nb/Ta 质量比 为 1/1.1 ～ 1.1/1 时 ,γ′相固溶温度和析出量基本保 持不变;当 Nb/Ta 质量比为 1.25/1 时 ,γ′相固溶温 度达到最大值 ;进一步增大 Nb/Ta 比, γ′相固溶温 度降低 ,这可能与在高 Nb 的合金中易形成体心四 方结构的 γ″———Ni3Nb 和正交结构的 δ———Ni3Nb 等相有关 .对于 René104 合金 ,元素 Nb 的含量不到 Ta 的 1/2 ,该合金具有较高的静态裂纹扩展抗力 , 但其γ′相固溶温度和析出量不高会影响合金在更 高使用温度下(>750 ℃)的性能.LSHR 合金强调 Nb/Ta 比的平衡,从而保证了其获得更加优异的性 能 [ 13] .综合考虑 ,第 3 代涡轮盘用粉末冶金高温合 金建议控制 Nb/Ta 比的取值为 1/1.1 ～ 1.1/1 . 2.6 合金成分对点阵常数的影响 在镍基高温合金中,γ′相的点阵常数 aγ′和 γ相 的点阵常数 aγ随成分而异 ,用 Δa 来表示两者之间 的点阵错配度, 其可用如下的经验公式来进行计 算[ 7] : Δa =aγ′-aγ=0.043 -0.130CCr -0.024CCo - 0.183CAl +(0.156C′Ti -0.360CTi)+ [ 0.248(C′Mo +C′W)-0.421(CMo +CW)] + 0.372(C′Nb +C′Ta) (1) 其中, C′和 C 分别是各元素在 γ′相和 γ相中的原子 分数.显然 ,Nb 、Ta 增大两相的点阵错配度,C r 、Co 、 Mo 、W 和高 Al/ Ti 比均减少错配度.一般认为, 共 格应 力强化 作用在 650 ～ 700 ℃以下有 效(约 0.6 T m),在高温下点阵错配度大的γ′相不稳定性倾 向通过聚集长大和改变为位错型界面结构而松弛弹 性应力 .对更高温度下(>750 ℃)使用的高温合金, γ′相与 γ相的点阵常数差别越小, γ′相越不易长大, γ′相才更稳定, 合金才有更好的高温强度 ;否则要产 生过时效 , 使高温强度有所下降[ 7] .利用 Thermo￾Calc热力学软件的计算值并结合式(1)可得国内外 典型三代粉末冶金高温合金[ 5 , 10-11, 13-14] 的点阵常 数及错配度 .图 15 为国内外典型三代粉末冶金高 温合金的点阵错配度与使用温度的关系图 .从图15 可知 ,第 3 代涡轮盘用粉末冶金高温合金建议通过 调节合金元素含量以获得较小的点阵错配度. 图 15 典型三代粉末高温合金的点阵错配度与使用温度图 Fig.15 Lattice parameter mismat ch and serve t emperature of three generations representative P/ M superalloys 3 结论 (1)René104 合金在 760 ℃时热力学平衡析出 相为γ′、MC 、M23C6 、M 3B2 和 TCP 相 . · 726 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷

第6期 吴凯等：合金元素对新型镍基粉末高温合金的热力学平衡相析出行为的影响 ·727。 (2)Cr和Co含量主要影响TCP相的析出行为 [5 Gmoh J R.Mourer D P.Alternate material for devated tempera 及Y相的析出温度，Cr含量对M23C6和M3B2的析 ture turbine cooling plate applications //Pcedings of the Tenth In ternational Symposium on Supera lloy.Pennsy lvania.2004: 出行为有一定影响，建议wc,=13%,wC>17%: 101 增C0降Cr是第3代涡轮盘用粉末治金高温合金成 [6 Shuang Z Jianxin D.Xishan X,et al.Thermal stability study on 分优化设计的趋势.Mo和W含量影响TCP相和 a new Ni-Cr-CorMo-Nb-Ti-Al superalloy /Procedings of the M3B2的析出行为，建议ww≤44%：在保证W和 Tenth International Sym posium on Superalloy.Pennsylv ania. Mo的总质量分数不少于5%以保证固溶强化效果 2004:63 [7 Huang Q Y.Li H K.Superalbys.Beijing:Metalurgical Indus 的前提下，使W大于Mo. try Pres 2000 (3)AVTi和Nb/Ta质量比影响Y相析出行 (黄乾尧李汉康.高温合金.北京：治金工业出版社.2000) 为，建议控制AVTi比和Nb/Ta比平衡，以使Y相 [8 Gayda Galb T P.NASA/TM-2003-212474 The Effect of 起到理想的强化效果.C和B含量显著影响碳化物 Tungsten Additions on Disk Alby CH98.Washington.DC:Na 和硼化物的析出量，还可间接抑制TCP相的析出： tional Aemonaut ics and Space Administ ration 2003 [9 Humn ES Bain K R.Mourer D P.et al The influence of grain Zr对MC和M23C6碳化物的析出行为有影响. boundary elments on pmoperties and micmostructures of P/M nick- (4)第3代涡轮盘用粉末治金高温合金建议通 d base superalloy //Procedings of the Tenth International Sym- 过调节合金元素含量获得较小的点阵错配度. posium on Superalloy.Pennsy lv ania 2004:73 10 Jian M,Keh-Minn C.Wanhong Y,et al.Cooling precipitation 参考文献 and strengthening study in pow der metallurgy superalloy [1]Gabb T P.Ellis D L Kenneth M,et al NASA/TM-2004- Rene88DT.Mater Sci Eng A.2002.332:318 213066 Detailed Microstructural Characterization of the Disk [11]Hu B F.Liu G Q.Jia CC.et al.Devdlopment in new type Alloy ME3.Washington.D C:National Aeronautics and Space higl performance P/M superalloys.J Mater Eng 2007(2):49 Admini stration.2004 (胡本芙，刘国权，贾成厂，等.新型高性能粉末高温合金的研 [2]Gao Y,Kumar M.Nalla R K.High cycle fat igue of nickel-based 究与发展.材料工程，2007(2)：49) superalby ME3 at ambient and elevated temperatures:role of [12 Jores.Mackay D JC.Neural networ modeling of the me grain boundary engimeering.Metall Mater Trans A.2005,36: chanical properties of nickel base superalloy //Proceedings of the 3325 Tenth Inter national Symposium on Superalloy.Pennsylv ania. [3]Lemsky J.NAS A/CR-2005-213574 Assessment of NASA Dual 1996417 Micros ructure Heat Treatment Method Utilizing Ladish Super- 13]Galb T P.Gayda J.T elesman J.et al.NASA/TM-2005 coolerTM Cooling Technobgy.Washington.D C:National Aem- 213645 Thermal and Mecanical Property Characterization of naut ics and Space Administ ration 2005 the Advanced Disk Alloy LSHR.Washington.D C:National [4]Gabb T P.Gayda J.Kantzos P T,et al NASA/TM-2001- Aemnautics and Space Administration.2005 211218 The Tensile Properties of Advanced Nickelbase Disk Su- [14 Agnieszka M,Wusato WS Martin J B.et al.Techniques for peralloy during Quenching Heat Trea tmen ts.Washington.D C: microstructual characteriza ion of pow der-processed nicke-based National Aeronautics and Space Administration.2001 superalloy.Mater Sci Eng A.2003.360:390

(2)Cr 和Co 含量主要影响 TCP 相的析出行为 及γ′相的析出温度,C r 含量对 M23C6 和 M3B2 的析 出行为有一定影响, 建议 wCr =13 %, w Co >17 %; 增Co 降 Cr 是第 3 代涡轮盘用粉末冶金高温合金成 分优化设计的趋势 .Mo 和 W 含量影响 TCP 相和 M 3B2 的析出行为 , 建议 wW ≤4.4 %;在保证 W 和 M o 的总质量分数不少于 5 %以保证固溶强化效果 的前提下 ,使 W 大于 Mo . (3)Al/Ti 和 Nb/Ta 质量比影响 γ′相析出行 为,建议控制 Al/Ti 比和 Nb/Ta 比平衡, 以使 γ′相 起到理想的强化效果.C 和 B 含量显著影响碳化物 和硼化物的析出量, 还可间接抑制 TCP 相的析出 ; Zr 对 MC 和 M23C6 碳化物的析出行为有影响. (4)第 3 代涡轮盘用粉末冶金高温合金建议通 过调节合金元素含量获得较小的点阵错配度 . 参 考 文 献 [ 1] Gabb T P , Ellis D L , Kenneth M , et al.NASA/ TM-2004- 213066 Detailed Mi crostr uctural Characteriz ation of the Disk A lloy ME3 .Washington , D C :National Aeronautics and Space Administration , 2004 [ 2] Gao Y, Kumar M , Nalla R K .High-cycle f atigue of nickel-based superalloy ME3 at ambient and elevated temperatures:role of grain boundary engineering .Metall Mater Trans A , 2005 , 36: 3325 [ 3] Lemsky J.NASA/ CR-2005-213574 Assessment of NASA Dual Microstructure Heat Treatment Method Utilizing Lad ish S uper￾cooler TM Cooling Technology .Washington , D C :National Aero￾nautics and S pace Administration , 2005 [ 4] Gabb T P , Gayda J, Kantzos P T , et al.NASA/ TM-2001- 211218 The Tensile Properties of Advanced Nickel-base Disk S u￾peralloy d uring Quenching Heat Trea tmen ts.Washington , D C : National Aeronautics and Space Administration , 2001 [ 5] Groh J R, Mourer D P.Alt ernat e mat erial f or elevated t empera￾ture turbine cooling plate applications ∥Proceedings o f the Tenth In ternational Symposium on S upera lloy .Pennsylvania , 2004: 101 [ 6] Shuang Z, Jianxin D, Xishan X , et al.Thermal stability study on a new Ni-Cr-Co-Mo-Nb-Ti-Al superalloy ∥Proceed ings of the Tenth Int ernationa l Sym posium on S uperalloy .Pennsylvania , 2004:63 [ 7] Huang Q Y, Li H K .S uperalloys.Beijing :Metallurgical Indus￾try Press, 2000 (黄乾尧, 李汉康.高温合金.北京:冶金工业出版社, 2000) [ 8] Gayda J, Gabb T P .NASA/ TM-2003-212474 The E ff ect of Tungsten Ad ditions on Disk Alloy CH98 .Washington , D C :Na￾tional Aeronautics and Space Administration , 2003 [ 9] Huron E S , Bain K R, Mourer D P , et al.The influence of grain boundary elements on properties and microstructures of P/ M nick￾el base superalloy ∥Proceed ings of the Tenth Inter national S ym￾posium on Su peralloy .Pennsylvania, 2004:73 [ 10] Jian M , Keh-Minn C , Wanhong Y , et al.Cooling p recipitation and strengthening study in pow der met allurgy superalloy Rene88DT .Mater Sci E ng A , 2002 , 332:318 [ 11] Hu B F, Liu G Q , Jia C C , et al.Development in new type high-performance P/ M superalloys.J Mater E ng , 2007(2):49 (胡本芙, 刘国权, 贾成厂, 等.新型高性能粉末高温合金的研 究与发展.材料工程, 2007(2):49) [ 12] Jones J, Mackay D J C .Neural netw ork modeling of the me￾chanical properties of nickel base superalloy ∥Proceedings of the Tenth Inter national Symposium on S uperalloy .Pennsylvania , 1996:417 [ 13] Gabb T P, Gayda J, T elesman J, et al.NASA/ TM-2005- 213645 Thermal and Mecha nical Property Char acteriz ation of the Advanced Disk Alloy LSHR .Washington , D C :National Aeronautics and S pace Administration , 2005 [ 14] Agnieszka M , Wusat o W S , Martin J B , et al.Techniques for microstructural charact erization of pow der-processed nickel-based superalloy .Mater Sci Eng A , 2003 , 360:390 第 6 期 吴 凯等:合金元素对新型镍基粉末高温合金的热力学平衡相析出行为的影响 · 727 ·