高温合金的韧化方法优化

通过加入合金元素和工艺强化，使合金的强度逐步提高，但是随着强度的提高，往往伴随着塑性和韧性下降。不少高温合金零件的失效，往往不是因为强度原因，而是因为塑性和韧性不足所致。因此，在对高温合金进行强化的同时，还必须考虑保持合金具有足够的塑性与韧性。只有这样才能保证高温合金部件长期安全可靠的使用。以下介绍提高合金塑性和韧性的途径和机理。

1.控制合金中脆性相的析出

（1）固溶强化型高温合金中脆性相的析出 在固溶强化型合金中，尽管强化元素含量均在其溶解度以内，但是当合金元素含量过高时，会形成脆性相（TPC相），如σ相（FeCr）、μ相（Fe₇W₆，Fe₇Mo₆）、χ相（Fe_xCr_yMo₂）等。这些脆性相硬度高而脆，在外力作用下是产生裂纹的源头，对合金的塑性和韧性带来极大的危害。合金中脆性相的数量越多，合金的脆性倾向越大。

目前控制脆性相的方法有以下两种：一是通过长期时效处理，检测合金力学性能的变化，调整合金含量，以达到减少或避免脆性相形成；二是利用电子空位理论设计合金的化学成分，避免多余合金元素形成脆性相。

（2）沉淀硬化型高温合金中脆性相的析出 使合金产生沉淀硬化的元素主要是Al、Ti、Nb、Ta等，应用最多的是Al、Ti。铝、钛在沉淀硬化合金中主要是γ′相，即以γ′-Ni₃Al和Ni₃（AlTi）的形式存在。当Al、Ti、Nb元素共存时，还会形成Ni₃（Al，Ti，Nb）强化相，即γ″相。总之，合金中加入的沉淀强化元素数量越多，形成的强化相数量越大，合金的强化效果越好。但是，当沉淀强化元素加入量超过一定限度之后，合金中会产生新的金属间化合物（GCP相）、如Ni₂AlTi、NiAl、Ni₃Ti、Ni₃Nb等。这些化合物的析出，会降低合金的塑性和韧性。因此，沉淀强化元素的加入量必须加以控制，不同牌号合金应当确定一个合理的加入量。

图18-1示出铝、钛含量对GH2135合金γ′相数量和室温冲击韧度的影响。从图中可知：随着合金中铝、钛含量的增加，γ′相数量增多，合金强度升高，冲击韧度明显下降。因此，要考虑合金的综合性能，确定强化元素加入量，减少或避免金属间化合物的析出对合金韧性造成不利影响。

总之，高温合金在进行强化时，控制合金元素含量，避免脆性析出相和金属间化合物析出，是改善合金塑性的重要措施之一。

2.利用微量元素改善合金的塑性和韧性(www.xing528.com)

高温合金中加入微量有益元素，如镁、镧、硼、碳、锆、钇、铈等，可以改善合金的塑性和韧性。

（1）微量碳改善GH2135合金的持久塑性 合金含碳量（质量分数）在0.020%～0.050%时，具有最长持久断裂时间和良好的持久塑性。因为碳同钛形成TiC，沿晶界呈链状分布，阻止了晶界的滑动和裂纹的产生，改善了持久时间和断裂塑性。

（2）微量镁改善GH4037合金的高温冲击韧度 合金中含有质量分数为0.0017%～0.0021%的镁，使900℃时的合金塑性和冲击韧度得到明显的提高。因为微量镁偏聚在晶界区，使晶界区粗大的碳化物细化，使合金的断裂机制由脆性断裂变为塑性断裂，从而显著地提高了高温冲击韧度和塑性。

图18-1 铝、钛含量对GH2135合金γ′相数量和室温冲击韧度的影响

（3）微量硼改善GH1035合金的持久断裂塑性 合金中含硼量（质量分数）为0.005%，能使合金的持久时间成倍的提高，同时也相应提高了持久伸长率。因为硼偏聚于晶界，使晶界强化，减缓了晶界裂纹的产生，阻止裂纹的扩展，使合金的断裂由脆性沿晶断裂，变为塑性混合型断裂，从而提高了持久强度和持久伸长率。

（4）微量镁和锆改善GH4698合金的蠕变断裂塑性 合金中含有质量分数为0.0046%的镁和0.032%的锆，与不加镁、锆的合金相比较，在750℃、382MPa条件下，蠕变断裂塑性提高4倍，断裂时间延长30%。因为镁、锆偏聚在晶界，改变了晶界区的化学成分，改善了晶界塑性，使沿晶界脆性断裂变为穿晶塑性断裂，因此显著地提高了蠕变断裂塑性。