GH3625鎳基高溫合金中析出相的熱力學(xué)計算
GH3625鎳基高溫合金是我國根據(jù)美國國際鎳公司生產(chǎn)的Inconel625合金仿制而成，廣泛應(yīng)用于隔熱層材料、化工廠金屬構(gòu)件、海洋環(huán)境及航空航天等領(lǐng)域。通常高溫合金中均含有少量C(小于0.1％，質(zhì)量分數(shù)，下同)，熔煉過程中一部分C因真空脫氧而損失，殘余C與合金元素Nb、Cr、Mo等形成碳化物而強化晶界；與其他牌號鎳基高溫合金相比，625合金中Al、Ti質(zhì)量分數(shù)有意控制得很低(均小于0.4％)，以減少合金的時效硬化行為，同時提高了合金的焊接性，然而相對于0％來說，保留約0.2％的Al、Ti可以精煉合金，而且649℃下蠕變實驗表明對合金蠕變性能十分有利。C、A1、Ti活性較高，在高溫合金中既是強脫氧劑，又是不可或缺的主要合金元素.然而真空感應(yīng)熔煉高溫合金時，脫氧反應(yīng)使得與氧親和力較大的C、Al、Ti質(zhì)量分數(shù)不易控制；元素Al熔點低，在熔煉溫度(1500℃)下飽和蒸汽壓(90.5Pa)大，揮發(fā)損失嚴重；且在高真空熔煉過程中C、Al、“等元素與耐火材料之間容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而燒損。眾所周知，合金的性能首要取決于成分，所以利用熱力學(xué)相圖計算軟件模擬計算，全面了解在GH3625合金標準成分范圍內(nèi)合金元素C、Al、Ti質(zhì)量分數(shù)變化對析出相的影響十分必要。美國生產(chǎn)的625合金中Fe質(zhì)量分數(shù)明顯較高，通常大于2％；而國內(nèi)生產(chǎn)的625合金一般不添加Fe元素，由原材料帶入約0.5％的Fe元素，二者存在明顯差異，所以本文也對不同質(zhì)量分數(shù)的合金元素Fe對相析出規(guī)律的影響進行了研究。
國際上主要使用Thermo-Calc軟件對鎳基高溫合金進行熱力學(xué)平衡相計算，如董建新、劉建強。陽利用Thermo-Calc軟件分別研究了690合金的相析出規(guī)律和新型Ni基高溫合金中析出相，為這2種鎳基合金的主要析出相和熱處理制度的選擇提供了理論依據(jù)。而英國Sente公司于2001年推出的金屬材料分析模擬軟件JMatPro，因其簡單實用的特點而被廣大科技工作者所接受，如張義文等運用JMatPro軟件研究了Hf對FGH97合金平衡相的影響，得到Hf主要存在于γ和MC相中，并且隨著Hf質(zhì)量分數(shù)的增大，Hf在γ和MC相中分配不同；田高峰等人利用JMatPro軟件對3代粉末高溫合金Ren695、Ren688DT、Ren6104的平衡相析出行為進行了熱力學(xué)計算與比較研究，發(fā)現(xiàn)上述3種合金的平衡相種類基本相同，主要平衡相為γ、γ、碳化物M23C6和MC及硼化物M3B2，但析出量、析出溫度及范圍存在差別。因此，本文采用JMatPro軟件計算GH3625合金中的多相平衡、平衡相化學(xué)組盛同時探討合金元素C、Al、Ti、Fe質(zhì)量分數(shù)變化對相析出規(guī)律的影響。
1。GH3625合金的平衡相及相組成實驗選用GH3625合金現(xiàn)行的典型化學(xué)成分(ω(C)-0.05％，ω(Cr)-21.5％，ω(Mo)-9％，ω(Nb)-3.6％，ω(Fe)-2％，ω(A1)-0.2％，ω(Ti)-0.2％，余量為Ni)進行熱力學(xué)平衡相計算，得到合金的平衡相種類、析出量和析出溫度間的關(guān)系，如圖1所示，圖1b為圖1a的局部放大圖。由圖1可以看出典型成分625合金的固相線溫度為1258℃，液相線溫度為1351℃，凝固溫度區(qū)間為93℃。該合金的主要析出相為基體γ相，Ni2M相，μ相，δ相，μ相及3種碳化物相(MC、M6C、M23C6)，各類相有不同的析出溫度。
表1為GH3265合金主要析出相的化學(xué)組成．表1表明，基體γ相的主要成分為Ni，Cr，Mo，Nb，F(xiàn)e，含有少量的合金元素A1，Ti，C，凝固過程中γ相直接由液相析出；Ni2M相是一種Ni。(Mo，Cr)相，并含有少量Fe元素，析出溫度為544℃；艿相的主要合金元素為Ni，Nb，組成Ni3M相，并含有少量的Mo，析出溫度為902℃；一般鎳合金中含有大量的W、Mo容易產(chǎn)生肛相，由于GH3625合金中Mo元素質(zhì)量分數(shù)在9％左右，平衡凝固時會生成肛相，其主要由Mo、Ni、Cr組成；γ是以Ni，Al，Ti為主要合金元素組成的Ni。(A1，Ti)相，且含有大量的Nb，析出溫度為674℃；MC型碳化物為富Nb的碳化物，直接由液相析出；M6C型碳化物為富Mo碳化物，在790～1096℃析出；M23C6型碳化物含有大量的Cr元素，在842℃以下析出。由以上可知，合金元素C主要形成碳化物，因此碳的質(zhì)量分數(shù)必然對碳化物的種類、數(shù)量和析出規(guī)律有重要影響；A1、Ti主要存在于γ相中，其他相中有微量分布，既起沉淀強化的作用，又有一定的固溶強化效果；合金元素Fe主要分布在了基體中，以固溶形式存在，起到一定的固溶強化作用，在其他各相中也有少量分布。
2化學(xué)成分對平衡相析出的影響
2.1C質(zhì)量分數(shù)對相析出規(guī)律的影響
固定典型成分的625合金中其他合金元素質(zhì)量分數(shù)不變，在標準成分范圍內(nèi)C元素質(zhì)量分數(shù)分別取0.02％，0.04％，0.06％，0.08％，0.10％時，計算得出碳質(zhì)量分數(shù)的變化不改變主要平衡相的類型，且對合金的初熔溫度和終熔溫度基本無影響，但隨著C質(zhì)量分數(shù)的增加，3類碳化物的開始析出溫度和析出量均明顯增加.通常GH3625合金中C的質(zhì)量分數(shù)僅有0.05％左右，但其對合金中的析出相，尤其是碳化物的影響十分明顯。
圖2為各類型碳化物的析出溫度和最大析出量隨著C質(zhì)量分數(shù)增加的變化規(guī)律曲線。從圖2a可以看出，在叫(C)一0.02％時，MC的析出溫度為1152℃，當C質(zhì)量分數(shù)從0.04％增加到0.10％時，析出溫度從1257℃提高到1267℃。析出溫度總體上提高了115℃，但當C質(zhì)量分數(shù)增加到0.04％以上時，MC的析出溫度變化不大，這是由于此時MC直接由液相析出所致；M6C和M23C6的析出溫度與C質(zhì)量分數(shù)基本呈線性遞增關(guān)系，隨C質(zhì)量分數(shù)的提高，M6C、M23C型碳化物的析出溫度不斷上升。M6C的析出溫度從ω(C)一0.02％時的1039℃上升到ω(C)=0.10％時的1187℃，提高了148℃；M23C6的析出溫度從ω(C)一0.02％時的803℃上升ω(C)一0.10％時的887℃，提高了84℃。由圖2b可見，隨著C質(zhì)量分數(shù)的增加，碳化物的析出量呈現(xiàn)出線性遞增的規(guī)律。其中MC的質(zhì)量分數(shù)由叫(C)一0.02％時的0.11％增加到ω(C)一0.10％時的0.66％；M6C的質(zhì)量分數(shù)從0.72％上升到2.66％，M23C6質(zhì)量分數(shù)從0.39％升高到1.95％。一般來說，高溫合金中殘余C形成碳化物具有強烈晶界析出傾向，起到強化晶界的作用，但隨著合金中C質(zhì)量分數(shù)的增多，晶界處將會有更多的碳化物析出，大量碳化物聚集長大，粗化成膜，會導(dǎo)致合金韌性的下降，需引起足夠重視。
2.2Al、Ti質(zhì)量分數(shù)對相析出規(guī)律的影響
高溫合金中合金元素A1、Ti主要形成γ相。當?shù)湫统煞?25合金中A1元素質(zhì)量分數(shù)從0.1％增加到0.4％時，合金的初熔和終熔溫度幾乎不變，分別保持在1257、1351℃左右。Al質(zhì)量分數(shù)增加到0.4％的過程中，γ的析出溫度和最大析出量隨Al質(zhì)量分數(shù)的變化如圖3a所示。由圖得到，Al質(zhì)量分數(shù)分別為0.1％和0.4%時，γ的析出溫度分別為610、739℃，其最大柝出量分別為2.29％、6.36％?？梢姡玫奈龀鰷囟群妥畲笪龀隽慷茧S合金中Al質(zhì)量分數(shù)的增加而明顯上升。圖3b為了相析出溫度和最大析出量隨Ti質(zhì)量分數(shù)的變化，由圖可以發(fā)現(xiàn)，隨著合金中Ti質(zhì)量分數(shù)的提高，γ的析出溫度和析出量都有所增加，但對比圖3a發(fā)現(xiàn)，這種影響效果不如A1質(zhì)量分數(shù)變化的影響顯著。
由于Al、Ti活性較高，通常不同廠家、不同爐次冶煉的GH3625合金，其Al、Ti質(zhì)量分數(shù)都會有所偏差，同時考慮A1和Ti質(zhì)量分數(shù)的變化，對每一爐合金具體的熱處理及其熱加工工藝至關(guān)重要。圖4為Al、Ti質(zhì)量分數(shù)分別在0.1％～0.4％變化時，元素Al、Ti對了的析出溫度和析出量的共同影響。從圖4可以得出，隨著A1和Ti質(zhì)量分數(shù)的增加，γ相的析出溫度和最大析出量都有所提高.結(jié)合圖4a、b發(fā)現(xiàn)，當A1質(zhì)量分數(shù)為0.1％時，γ相的析出溫度和析出量隨Ti質(zhì)量分數(shù)的增加先增加后保持不變，當Al質(zhì)量分數(shù)繼續(xù)增加，γ相的析出溫度和析出量幾乎隨著Ti質(zhì)量分數(shù)的增加呈線性遞增。由于γ相的化學(xué)成分表達式為Ni3(Al、Ti)，當Al質(zhì)量分數(shù)較低時，僅有的A1和Ti結(jié)合，生成了Ni3(Al、Ti)，隨著Ti質(zhì)量分數(shù)的進一步增加，合金中沒有足夠的Al，因此γ的析出溫度和析出量幾乎不發(fā)生變化。當Al和Ti質(zhì)量分數(shù)分別從0.1％上升到0.4％時，γ相的析出溫度從565℃升高到790℃，提高了225℃。固溶強化型GH3625合金中γ相的質(zhì)量分數(shù)雖然很少，但熱處理和熱加工過程中，丫相的作用不容忽視，正確選擇γ相的析出和回熔溫度十分重要。
2.3Fe質(zhì)量分數(shù)對相析出規(guī)律的影響
高溫合金中由于Fe、Ni原子尺寸、晶體結(jié)構(gòu)和電子層結(jié)構(gòu)相近似，能夠組成連續(xù)固溶體。Fe元素一般分布于基體中，起到固溶強化的作用，其質(zhì)量分數(shù)增加會使固溶強化的作用得以提高，同時也影響對Fe敏感的其他相的析出溫度和析出量.固定其他成分不變，F(xiàn)e質(zhì)量分數(shù)由0.5％增加到5％，發(fā)現(xiàn)合金的初熔溫度由1259℃下降到1254℃，而終熔溫度從1350℃上升到1354℃，凝固區(qū)間增大了9℃，這必然會引起凝固偏析的加劇。由于Ni2M、M6C、M23C6相均含有少量的Fe元素，F(xiàn)e質(zhì)量分數(shù)變化對Ni2M、M6C、M23C6相的析出溫度和析出量影響較大，如圖5、6所示。由圖5可知，當Fe質(zhì)量分數(shù)為0.5％時，Ni2M的析出溫度為574℃，最大析出量為79.88％，此時Ni2M相的成分為：ω(Ni)-67.53％，ω(Cr)-25.00%，ω(Mo)-7.08％，ω(Fe)=0.39％；Fe質(zhì)量分數(shù)增加到5％時，Ni2M的析出溫度為492℃，最大析出量為48.60％，這時平衡相成分為：ω(Ni)-67.65％，ω(Cr)-28.02％，ω(Mo)-3.23％，ω(Fe)-1.1％；析出溫度下降了82℃，析出量減少了31.28％。Fe元素的增加使Ni2M相中的Mo元素質(zhì)量分數(shù)有較大流失，這種高熔點合金元素的減少使Ni2M相的析出溫度顯著下降。圖6為Fe質(zhì)量分數(shù)變化對M6C和M23C6析出溫度和析出量的影響。從圖6a發(fā)現(xiàn)，隨Fe質(zhì)量分數(shù)增加，M6C的析出溫度呈線性減小，而M23C6的析出溫度先遞減，當Fe質(zhì)量分數(shù)大于3％時基本保持不變。Fe質(zhì)量分數(shù)從0.5％增至5％的過程中，M6C、M23C6相的析出溫度從1131、906℃降至1016、804℃，分別下降115、102℃；圖6b顯示M6C、M23C6的最大析出量不受Fe質(zhì)量分數(shù)變化的影響，這是因為M6C、M23C6中雖含有少量Fe，但其最大析出量由C質(zhì)量分數(shù)所控制。
3結(jié)論
經(jīng)JMatPro軟件計算可知，GH3625合金中的主要平衡相有基體γ相，Ni2M相，μ相，δ相，γ相以及3類碳化物相(MC、M6C、M23C6)。隨著C質(zhì)量分數(shù)增加，3類碳化物的析出溫度和最大析出量均有所提高，但當C質(zhì)量分數(shù)增加到0.04％以上時，MC的析出溫度無顯著變化。Al、Ti質(zhì)量分數(shù)對γ相的析出規(guī)律有明顯影響，且Al的影響明顯大于Ti，當合金中的Al質(zhì)量分數(shù)較少時，隨Ti質(zhì)量分數(shù)增加，γ的析出溫度和析出量幾乎不發(fā)生變化。Fe質(zhì)量分數(shù)的增加對Ni2M、M6C、M23C6相的析出溫度產(chǎn)生較大影響，隨Fe質(zhì)量分數(shù)的升高，Ni2M相的析出溫度下降82℃，析出量減少31.28％；M6C、M23C6相的析出溫度分別下降115、102℃，但最大析出量無顯著變化。
