。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