磷在镍基变形高温合金中的强化作用及偏聚行为

作     者：斯天斅 

作者单位：沈阳工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨林;孙文儒;刘芳

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：镍基高温合金 P元素 铸态组织 晶粒长大 非平衡偏聚 

摘      要：磷元素在高温合金中是一种常见的残余元素,其元素含量与合金性能有着密不可分的联系。磷元素主要从熔炼合金的原材料中混入,所以被科学家们认为是有害元素。直到高温合金冶炼工艺逐渐发展,纯净化程度升高,人们发现少量的磷对合金性能有益,在IN718合金中磷对持久寿命提升7倍之多。由于高温合金种类繁多,磷在不同体系合金中的作用也不尽相同。因此,本文按基体元素种类进行划分,比较了磷对镍基和镍铁基合金是否存在差异化影响。在IN718成牌合金基础上,保留其主要元素Ni、Cr、Fe、Al,并同时移除Fe元素作为对照组,观察不同磷含量对两类合金的影响。通过比较磷在两类合金中的作用可以更清楚的掌握P与Fe元素的交互作用。研究结果显示:在两类合金的铸态组织中,磷的加入对于等轴晶的形成起到抑制作用,同时具有细化柱状晶的趋势并促进柱状晶规则生长。使枝晶间距逐渐变小,细化枝晶,并在Ni-Cr和Ni-Cr-Fe合金中分别促进了三次枝晶的形成以及二次枝晶的横向长大。磷在铸态中主要呈规则球状相形式分布在枝晶间,查阅文献得富磷相为MNP-γ共晶,相熔点在980℃-990℃。在熔炼过程中加入磷元素使界面前溶质浓度梯度升高,使液相凝固速度加快。并使用EPMA对枝晶间和枝晶区域进行元素分析,发现铸态组织中P元素的加入增加了凝固组织的偏析行为。两类简化合金轧态组织都为单相γ相组织,表明磷在Ni基和Ni-Fe基高温合金中固溶度均高于0.09%。轧态组织晶粒尺寸在6μm-8μm。通过XRD衍射发现P可以使Ni-CrFe合金的衍射峰右移,证明P以置换原子形式大量固溶与晶内,而Ni-Cr系合金的衍射峰数据表明P在其中的固溶度较低。在Ni-Cr和Ni-Cr-Fe两类合金中P对拉伸性能的影响并不相同,表现出对Ni-Cr合金屈服强度有害,而对Ni-Cr-Fe系合金有益的作用。研究表明Fe元素增加Ni基合金的晶格畸变,形成大量空位,使屈服强度下降44MPa。而由于基体本身Ni具有很高的有序性,Ni-Cr简化合金中Ni含量高达81%以上,此时当P在Ni-Cr系合金少量固溶时,打破了这种有序情况,反而引入了过量的晶内缺陷导致应变微孔的产生。这也导致即使在P提升力学性能后,Ni-Cr-Fe系合金的性能仍小于NiCr系。P可以影响晶界扩散速率,进而影响晶界迁移。P对晶粒长大的影响在两类合金中也明显不同。对于Ni-Cr系合金而言,由于P在晶内固溶度低所以P会大量偏向于晶界富集。而由于热锻轧冷却过程中P会与空位形成复合原子团结构,这使P促进了晶界向前推进,晶粒进一步长大。促进作用在950℃固溶时间10min下最为强烈,使晶粒由22.19μm增长到31.50μm,Ni-3P合金与Ni-0P相比尺寸增长了42%。而磷对于Ni-Cr-Fe系合金晶粒长大的影响作用则更为复杂。由于Fe含量提升,使P在晶内的饱和固溶度增高。除了本身P与空位形成原子团向晶界扩散的机制以外,还有晶界处P原子向晶内的非平衡偏聚作用。这使得P对Ni-Cr-Fe系合金促进作用由两种机制共同决定,随固溶温度升高呈现出促进晶粒长大,先抑制后促进晶粒长大及完全抑制晶粒长大三种趋势。试样经1050℃固溶后,P元素在晶内的富集作用明显减少,此时观察X射线衍射峰并没有发现偏移。对此时合金进行力学性能实验可知P对Ni-Cr-Fe系合金的强化作用消失,不同磷含量的力学性能差别主要由晶粒尺寸引起的霍尔佩奇关系决定。