高温合金材料的间隙相_钢铁百科

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高温合金材料的间隙相

高温合金材料的间隙相创建时间：2008-08-02 高温合金材料的间隙相(interstitial phase of superalloy)

金属原子多为密排结构，原子半径小的碳、氮、硼等原子处于金属原子构成间隙位置的高温合金第二相。这类间隙相的共同特点是具有高熔点、高硬度、高脆性，同时又具有某些金属特性。

分类按晶体结构又可分成3类：(1)具有简单密排结构，间隙原子碳或氮都处于八面体间隙位置，所以亦称八面体间隙化合物。面心立方和密排六方结构的碳化物和全部氮化物属于此类。(2)也具有密排结构，但八面体间隙太小，间隙原子碳只能处于三棱形间隙位置，又称为非八面体间隙化合物，如M3C、M7C3等。(3)具有复杂结构，金属原子高度密排，碳原子处于间隙位置，如M23C6、M6C等，亦称为半碳化物，硼化物多数具有复杂结构。尺寸因素是决定间隙相晶体结构的基本因素。当间隙原子半径(r1)与过渡族金属原子半径(rM)之比小于0.59时，形成简单密排结构。当r1／rM>0.59时，形成复杂密排结构。由于氮原子与过渡族金属原子的半径比均小于0.59，氮化物基本上具有简单密排结构。碳化物的晶体结构具有周期关系，ⅣB、vB族元素如钛、锆、铪、钒、铌、钽的原子半径较大，易形成简单密排结构，而ⅥB、ⅦB、Ⅶ族元素如铬、锰、铁、镍则形成复杂密排结构。高温合金中八面体间隙化合物、半碳化物和硼化物比较常见，而非八面体间隙化-合物比较少见。

MC和MN 这类相的金属原子(M)多为密排结构，碳(c)、氮(N)原子处于八面体间隙位置。这类相的成分范围较宽，不但金属原子可以互相取代，而且非金属原子碳、氮、硼等也可以互相部分取代。高温合金中常见的MC型碳化物有TiC、NbC、TaC、Vc、HfC以及相应的氮化物，它们多半互相固溶，Mc中还能固溶钨、钼、铬等元素。MC和MN多次相，即从液态合金中生成，但也可以时效析出。在液态合金中生成的MN往往以氧化物细质点为核心，而MN本身又可以一次MC的核心。TiN通常呈金黄色多边形块状。TiC为灰色不规则颗粒。Ti(C，N)的颜色随碳、氮含量不同而变。-次Mc的铸态形态与冷却速度有关，快速凝固时Mc为分散的块状或条状；慢速凝固时为骨架状或树枝状，多分布在枝晶间。-次MC经过热加工以后往往变成沿加工方向分布的带状组织。时效析出的二次MC比较细小，通常倾向在晶内层错处析出，也可沿位错线析出。这种细小而稳定的MC有很大的硬化作用。MC若沿晶界呈薄膜状析出将带来脆性。铁基高温合金形成MC的倾向较大，稳定性也较高，只有经过高温固溶处理才能部分溶解，再经时效析出二次MC或其他碳化物，长期时效中也没有发现MC的蜕化转变。镍基高温合金中的碳化物往往不是单-的MC相，其稳定性也差-些，长期时效过程中将发生碳化物转变反应。

式(1)表示通常奥氏体基体(γ)析出二次碳化物的反应。式(2)～(5)表示镍基高温合金中的MC蜕化反应。钴基高温合金没有γ’相，Mc的蜕化反应按(6)式进行。

M7C3 为斜方结构，金相形态为颗粒状。这种碳化物只在铬／碳比较低或含碳化物形成元素低的合金中出现，例如GH4033合金(中国)、x-40合金(美国)等。金属原子M主要是铬。镍基高温合金中M7C3相倾向高温析出，在以后的时效过程中会发生转变，逐步成为稳定的M23C6相。

M23C6 具有复杂面心立方结构，单位晶胞有92个金属原子，24个碳原子。金属原子M主要是铬，也可以溶解铁、钴、镍、钨和钼等。Mzsce的析出温度范围为650～110℃，析出峰在850～950℃之间。M23C6倾向在晶体缺陷上形核，高温时效析出常呈晶界链状分布，低温时效时除在晶界和非共格双晶界形核外，还常常在共格双晶界和位错上形核，通常也在Mc或MN周围析出颗粒状。时效析出的M23C6，初期为小片状，与母体有共格或半共格关系，长大后为片状、针状或颗粒状，有时为胞状。晶界链状M23C6起阻碍晶界滑动作用，提高持久强度。晶界胞状M23C6使合金脆化。晶内普遍析出的细小M23C6。质点可以起强化作用。当合金含钨、钼量较高时，可以发生M23C6向M6C转变，反应式为：

M23C6+M→M6C+γ(贫化)

由于M23C6 与。相的组成和晶体结构相似，σ相常常在M23C6 上形核。

MeC为复杂面心立方结构，单位晶胞有96个金属原子，16个碳原子。金属原子由大小两种原子组成，大原子为钨、钼，小原子为铁、钴、镍。铌、钽也能形成M6C，分子式分别为Nb3(cr，Al)3C和Ta3(Cr，Al)3C .M6C一般比M23C6 稳定，析出温度约为750～1150℃，析出峰在900～1050℃左右。某些合金还存在-次M6C。M6C的金相形态为晶界链状，有时为片、针状，甚至魏氏组织。晶界链状分布的MM6C能提高持久强度，针状或魏氏组织形态会降低塑性。由于M6C与肛相成分和结构相似，存在M6C有利于析出扯相，但当M6C和 M23C6共存时，也会析出σ相。

硼化物高温合金中主要是M3B2型，为四方结构。金属原子M由两类元素组成，一类为大原子元素如钛、钼、铝等，用M’表示；另-类为小原子元素如铁、钴、镍、铬等，用M"表示。M3B2的分子式可以写成M’2M"B2或M’M"2B2。合金中加入的微量硼在晶界偏聚，可以提高强度和塑性。当硼加入量较多，就会形成硼化物，铸态为骨架状共晶，加工变形后分布在晶界和晶内。晶界颗粒状硼化物也有强化晶界作用，如果热处理时沿晶界析出二次硼化物薄膜，将引起脆性。

影响因素合金成分和时效温度影响碳化物类型。含钨、钼高的合金易生成M6C ，含铬高的合金易生成M23C6 。总结了28个镍基高温合金，存在下列经验：

871℃时效：Cr ％(原子分数)=3．5Mo％(原子分数)+0.4w％(原子分数))

1038℃时效：Cr％(原子分数)-4．5(Mo％(原子分数)+0.4w％(原子分数))

即合金中含铬量超过上述公式计算出来的Cr％(原子分数)时，碳化物以M23C6 。为主，反之则析出M6C为主。1972年又进-步得到下述经验式：

Cr％(原子分数)／(cr+Mo+0.7w)％(原子分数)>0.82时，生成M23C6。

Cr％(原子分数)／(Cr+Mo+0.7w)％(原子分数)<0.72时，生成M6C

0.72<cr％(原子分数)／(cr+mo+0.7w)％(原子分数)<0.82时，依热处理而变.< p="">

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