含铌高温合金研究进展

1中国含铌高温合金的研究和发展XishanXieHighTemperatureMaterialsResearchLaboratories,UniversityofScience&TechnologyBeijing,Beijing100083,China关键词：铌，高温合金，强化摘要：铌是铁基、镍铁基和镍基高温合金中的一个重要强化元素，中国对铌在改进和发展高温合金方面给以特别的关注。含0.5-0.6％铌A-286合金的变种GH4871*铁基高温合金可以在600-650℃的范围内作为叶片式盘材使用。为了使含5-5.5％Nb的镍铁基高温合金Inconel718（中国标号GH4169）的使用温度由650℃提高到700℃，在中国正进行着系统的研究和发展。中国自己发明和发展的镍基高温合金GH4133含1.5％Nb以及2.5-3.0％Ti和0.7-1.2％Al，在中国喷气发动机中已广泛地应用在700℃下的各类涡轮盘件。从经济因素出发，在B-1900镍基高温合金中仅以强化的作用来研讨用Nb代Ta的可能性。1引言Ni3M，其中M可以是Al，Ti，Nb或Ta，是铁基、镍铁基和镍基高温合金中昀重要的析出强化相，诸如γ’或γ’’。在当今航空发动机和燃气轮机工业中因发展和使用了Inconel718（约含5％Nb）合金而使Nb具有特殊的重要性，因为Inconel718在高温合金的使用量中占了很大的比例。铌不仅具有γ’和γ’’析出强化的优异效果并且还对高温合金基体具有固溶强化的作用。中国对铌在改进和发展高温合金方面给以特别的关注。一种含0.5—1.6％Nb以及2％Ti和0.4％Al的铁基高温合金GH4871（A—286合金加铌后的变种）可以在600—650℃作为叶片和盘材使用。为了使Inconel718（中国标号GH4169）合金的使用温度由650℃提高到700℃，采用γ’和γ’’的包覆组织（compactmorphology）和复合析出（associatedprecipitation）的组织设计以及化学成分的调整，使合金的700℃蠕变性能颇具有吸引力。含1.5％Nb以及2.5—3.0％Ti和0.7—1.2％Al的GH4133镍基盘材合金在中国喷气发动机中已经获得广泛应用。从经济因素出发,期望在B1900铸造高温合金中用Nb来代替Ta以获得同样的强化效果。上述四个含铌高温合金的研究和发展将在本文中进行论述。22铁基高温合金GH487115Cr—25Ni—1Mo—2Ti—Al型（A—286）铁基高温合金之所以在世界上被广泛地应用于动力、化工和航空发动机等工业,是在于它具有便宜的价格以及良好的综合力学性能和工艺性能。随着高温工业发展的要求，在中国发展了一个在A—286合金中加入Nb和W的新型变种合金（15Cr—25Ni—1.5Mo—1W—2Ti—Nb—Al），被命名为GH4871[1,2]。GH4871可以采用非真空感应＋电渣（AIM＋ESR）或者真空感应＋电渣（VIM＋ESR）冶炼生产。GH4871的成分见表1。表1GH4871合金的化学成分（wt％）元素成份C≤0.08Mn≤0.5Si≤0.5P≤0.03S≤0.02Cr12.5~15.0Ni26.0~30.0W0.5~1.2Mo1.0~2.0元素成份Al≤0.45Ti1.80~2.40V≤0.30B0.005~0.02Ce≤0.02Nb0.2~0.8Febal.注:热处理:980~1000/℃1~2h/油冷+700~720/14~18h/℃空冷*GH是中国高温合金的标号合金中加入的铌进入γ’形成Ni3（Ti，Nb，Al）析出物，在使γ’强化相数量增加的同时亦提高了γ’相的稳定性。Ni3（Ti，Nb，Al）型γ’相均匀地分布在γ基体中，其平均尺寸为10—20nm，析出相的重量百分数大约为3％。与A—286相比GH4871中γ’相的析出量增加了三分之一。γ’强化相与γ基体保持共格关系，γ’—γ’’的点阵错配度约为0.49％。GH4871合金的拉伸和持久性能与A—286（GH4132）合金的对比见图1和图2。GH4871合金的持久性能在采用真空冶炼的条件下可以得到进一步的提高。图3显示在650℃真空冶炼（VIM＋ESR）的GH4871不仅使持久寿命而且在持久塑性上与大气冶炼（AIM＋ESR）的GH4871[3]合金相比都可以提高到一个较高的水平。图4是在应变控制条件下GH4871的低周疲劳性能与经济的15Cr/25Ni型合金以及高合金化的镍铁基高温合金Inconel718（18Cr—54Ni—18Fe—5Nb—3Mo—1Ti-0.5Al）[4]比较图。GH4871合金的低周疲劳性能大大高于A—286，且几乎是与Inconel718相当。由于GH4871具有优异的低周疲劳性能，有利于在动力工程中作为盘件使用。为了模拟在高温蠕变，疲劳以及蠕变和疲劳交互作用条件下的裂纹扩展行为，对GH4871进行三种载荷谱的试验，这就是在昀大载荷下保持5s和90s的周期持久以及恒定载荷条件下的蠕变。图5是在650℃上述三种载荷谱条件下的一例代表性的显示。真空冶炼3（VIM＋ESR）GH4871的裂纹扩展速率都要比大气下冶炼（AIM＋ESR）的GH4871更低[5]。这说明真空冶炼的GH4871由于具备良好的强度和韧性配合而更有利于作为盘件使用。通过加Nb和W来进一步强化的变种A—286，即被命名为GH4871合金在中国获得成功的发展并且得到了工业应用。GH4871具有高的拉伸强度，持久和蠕变抗力以及在低周和蠕变/疲劳交互作用条件下长的断裂寿命。GH4871已经在柴油机上作为增压器的叶片使用。在1988—1998年间成功地生产了600000片叶片。这些叶片已在中国天津机车车辆厂被成功地装配了约20,000台燃气增压涡轮并投入使用。一些试验盘件也在铁道运输工业中使用，对中国机车工业产生了巨大的经济和社会效益。图1GH4871合金与GH4132（A—286）的拉伸性能对比UTS:断裂强度;Ak:冲击韧性;T:温度;δ:伸长率4图2GH4871合金与GH4132（A—286）合金的持久性能对比图3真空冶炼（VIM＋ESR）与大气下冶炼（AIM＋ESR）的GH4871合金在650℃持久性能对比。a在441Mpa和490Mpa的持久塑性;b在441Mpa和490Mpa的持久塑性5图4GH4871（AIM＋ESR）与A-286以及Inconel718的低周疲劳性能比较图5大气冶炼（AIM＋ESR）及真空冶炼（VIM＋ESR）的GH4871合金在650℃昀大载荷下负载90s时的裂纹扩展速率对比63改型Inconel718合金具有高铌含量主要借助Ni3Nb型γ’’相并辅以Ni3Al型γ’相析出强化的Inconel718（Ni—19Cr—18Fe—3Mo—4Nb—1Ti—Al）合金是当今世界上昀为广泛应用的一个高温合金。中国对Inconel718（中国标号GH4169）改进和发展的研究给以极大的关注。长期目标的研究课题是在高等学校、研究院所和工厂之间密切合作下进行的[6-16,18-27]。这个长期目标的课题分为两阶段进行。第一阶段是改进合金以获得更高的质量,特别是更长的持久寿命，第二阶段是将合金的使用温度由650℃提高到700℃。3.1合金的改进合金改进的基本思路是基于保持化学成分仍在标准范围之内以获得高质量合金，取得的主要成果有以下几项：1、镁的作用[6]：在718合金中系统地研究了在4—100ppm范围内Mg的作用。Mg对合金中的主要强化相γ’’和γ’的数量没有什么影响。不加Mg的718合金（0.0004%Mg）和加Mg的718M（0.0059%Mg）同样具有几乎均为14%的γ’’+γ’强化相，并且与晶粒尺寸无关。用定量的俄歇分析显示Mg含量在晶界及其邻近区域的分布（见图6）。可以看出Mg在晶界的富集是平衡偏析的特征，同时经过650℃，686MPa，526h长时应力时效后,Mg含量的偏聚加剧。镁改变了晶界的特性并且具有晶界强化效应，特别是表现在延长蠕变第二阶段并且完善地发展蠕变第三阶段。镁在晶界的偏聚有利于改善δ—Ni3Nb相的析出形貌，可以提高持久塑性而使合金具有更长的持久寿命。对不同晶粒度的合金试验盘件在650℃进行拉伸试验的结果表明Mg可以显著增加高温拉伸塑性，但对拉伸强度没有多大的影响，而晶粒细化可以增加拉伸强度，如图8所示Mg亦能显著增加650℃的持久塑性以及650℃光滑和缺口持久试样的断裂寿命。对650℃，昀大应力在686MPa条件下不同保持时间（5s，180s，1800s）的周期持久试验表明Mg确实能改善在蠕变/疲劳交互作用条件下的周期持久（即不同保持时间的应力控制低周疲劳）寿命（见图9）。这一点对燃气透平盘件的应用是非常重要的。7图6含镁(59ppm)718合金650℃，686Mpa下应力时效前后Mg在晶界的偏析行为图7Mg和晶粒度对718合金650℃拉伸性能的影响8图8Mg和晶粒度对650℃，686MPa持久寿命及伸长率的影响图9Mg和晶粒尺寸对650,℃昀大应力为686Mpa下和不同保载时间条件下的周期持久寿命的影响1,2—5s；3,4—180s；5,6—1800s2、控制偏析：在718合金的凝固结晶过程中产生了严重的Nb偏析。因此，在718合金钢9锭中会形成大块状的Laves相和共晶Laves相。在中国系统地研究了微量元素对合金凝固结晶的影响并由此严格控制P，S，B和Si到非常低的含量[7]而发展出了低偏析技术。把一个直径Φ406mm双真空（VIM+VAR）炼制具有非常低磷含量（0.0007%P）的低偏析Inconel718钢锭和一个常规718合金（0.005%P）来作比较。如图10为分别从两个钢锭的中心（部位1）向边缘（部位12）处，测出的大块状Laves相的分布曲线。这个生产试验的对比分析,充分说明P对718合金具有严重偏析的倾向。然而。无论在低偏析718合金或者常规718合金中的偏析现象都可以经高温长时均匀化处理来消除，无论是一次结晶形成的大块状Laves相或者是共晶中的Laves相都可以休斯718合金的γ基体中完全溶解。图10块状Laves相在Φ406mmInconel718合金钢锭中的分布3、磷的作用：磷一般被认为是昀通常的杂质并且也是对高温合金有害的元素。如上所述,磷剧烈促进Nb偏析而形成Laves相。可是，对磷在Inconel718合金的系统研究中指出，磷对高温持久和蠕变性能有好的作用[8,11-16]。磷对室温和高温拉伸的强度和塑性都没有什么影响。然而，图11和12给出了非常有吸引力的结果。磷可以增加持久寿命和塑性，同时亦延长蠕变第二阶段以及发展蠕变第三阶段。这些结果显示磷具有高温强化和改善塑性的良好效应。由此，在中国进行了加磷的Inconel718合金的发展研究。10图11磷对IN718合金650℃，686Mpa持久寿命(a)及塑性(b)的影响11图12磷对IN718合金650℃，725Mpa下蠕变曲线的影响针对磷的作用在中国有专门的研究[9,10]。俄歇分析表明磷显著地偏聚在晶界（见图13）。此时，那些固溶强化的元素如Cr和Mo也明显地聚集在晶界。然而，如图13所示γ’’和γ’形成元素Nb和Ti在晶界略有偏聚。如图14所示,磷在晶界的昀高含量甚至可以高达1%，而Mo在晶界的含量也超过在γ固溶体中的含量，并且Mo在晶界的偏聚是与P的偏聚成正比的。试图提出一个假说来说明P在晶界和其它元素诸如钼的偏聚可能会降低晶界结合能和元素在晶界的扩散以及增加晶界的结合力。由于这个缘故磷可以有效地强化晶界，致使高温持久和蠕变试验时延迟晶界滑移和晶界开裂。有关磷强化晶界的机制的研究仍在进行。然而，在当前的研究范围内有关磷在Inconel718合金中的有利作用仍然不清楚。12图13磷及其它元素在沿晶断口面上富集显示的俄歇峰值与离子溅射时间的关系图14Mo和P在晶界偏聚的关系(平均值)3.2合金的改型Inconel718合金发展中的一个进展是企图找到一个具有高组织稳定性和蠕变抗力的改型718合金，使它能突破650