微量元素P對NiAl-34Cr合金顯微組織和力學(xué)性能的影響

1、第31卷第3期航空材料學(xué)報Vol 31, No 32011 年 6 月JOURNAL OF A ERONAUTICAL MAT ER A LSJune 2011微量元素P對N iA-l 34Cr合金顯微組織和力學(xué)性能的影響齊義輝1,李 慧1,楊旭光1,郭建亭2（1.遼寧工業(yè) 大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 錦州121001; 2中國科學(xué)院 金屬研究所，沈陽110016）摘要：采用真空非 自耗電弧爐熔煉了四種 P含量（0. 00% , 0 02%, 0. 03% , 0 15% （質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的N A - 34CrxP合 金。鑄態(tài)合金的組織均含有 NAI相和Cr相 ,為典型的胞狀樹枝晶組織，且隨著

2、P含量的增加胞 狀樹枝晶的平均尺 寸逐漸減小。在 P含量為0 03%和0 15%的合金中還存在 Cqp相。均勻化熱處理后合金的共 晶胞尺寸與鑄態(tài)合 金相比稍有增加。均勻化熱處理均使同種成分合金的硬度降低，且溫度越高，硬度降低越多，原因是高溫處理 使Cr相聚集長大和共晶胞尺寸變大。關(guān)鍵詞：N A;l微合金化；顯微組織；硬度DO t 10 3969/j issn 1005-5053 2011 3 004 中圖分類號：TG146 5文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ANAI具有高熔點、低密度、良好的熱導(dǎo)率和優(yōu) 良的抗氧化性等優(yōu)良性能，使其成為鎳基高溫合金 的候選材料,但在室溫韌性差和高溫強(qiáng)度低阻礙了1 2它的實用化，。為

3、了改善室溫韌性，提高高溫強(qiáng) 度,最有效的方法是在 N A I基體中加入第三組元進(jìn) 行合金化。上世紀(jì)70年代Walter和C li ne等人系統(tǒng)地研究了 N A - C r共晶合金及合金化規(guī)律,以及凝固組織中第二相由棒狀向片層狀轉(zhuǎn)變的行為及機(jī)理34。 Johnsof 和 H eredi£6等人研究了NA-Cr定向共晶的室溫斷裂行為，NA-Cr的斷裂韌性值比 二元NAI提高了近兩倍。Noebe®等人總結(jié)了過 渡族金屬和A族元素在NAI中的合金 化行為。通常情況下，P被認(rèn)為是鋼和高溫合金中的有害元 素。然而，越來越多的關(guān)于 P在鋼和高溫合金中的 有益作用被認(rèn)識。Cao和Kenne

4、dy'®等發(fā)現(xiàn)適量的P能顯著提高變形IN 718合金的持久壽命并且有一 峰值效應(yīng)。Guo等研究了 P對DZ417G合金持久 性能的有益作用。微量元素P1012, Ag13, C14等對二元N A I合金組織和性能影響的研究表明，微合金化有效改善了N A I合金的室溫塑性或韌性。但P元素在綜合性能較優(yōu)異的N A - 34Cr合金的微合收稿日期:201Q06-30;修訂日期:201010-15基金項目：遼寧省教育廳創(chuàng)新團(tuán)隊項目（2006T078）,遼寧省博士科研啟動基金 （20021071）作者簡介：齊義輝（ 1965 ）,男,博士 ,教授,金屬間化合物結(jié)構(gòu)材料研究,（Email

5、） q iyihui65 163. com文章編號：10055053（ 2011）030021-05金化行為尚無報 道，因此,本文研究不 同成分的 P 含量對 NA-34Cr合金顯微 組織和 力學(xué) 性能的 影 響。1實驗材料與方法用高純N i A I Cr和N-14P中間合金（質(zhì)量分 數(shù),下同）作為原材料,在真空非自耗電弧爐中氬氣 保護(hù)下熔煉合金錠。合金錠的名義P含量分別為0. 005%, 0 02%, 0. 05% 和 0. 15% ,即 NA-34C- 0 005 P NA-34CF0 02 P, NA-34CF0 05 P 和 NA-34C-0 15 P四種合金。每個合金錠反復(fù)熔煉 三次

6、,并采用電磁攪拌以保證其成分均勻性。由于 紐扣錠試樣各部位的冷卻速度不同，因此,顯微組織 的比較、共晶胞尺寸的測量和硬度的測量等，都盡可 能地采用相同的取樣部位。共晶胞尺寸的測量是用 線交截法截取60個以上的共晶胞，分別測量每個共 晶胞的尺寸，取平均值。硬度是測量五點以上的硬 度,取平均值。高溫均勻化熱處理在SX24-13型高溫箱式電阻爐中進(jìn)行,分別進(jìn) 行1150 , 1200 , 1250 ,保溫10h及爐 冷處理。利用 Ax over- 200- MAT型光學(xué)顯微鏡和S-3000N型掃描電鏡觀察合金的顯微組織，腐蝕劑為5gFeCI3 +65mH Cl +15mICH3COOH溶液。利用BD

7、X-3200型 X射線衍射儀和QU IST-LEVEL-型能譜儀分析合金相組成 和成分分布。利用 HR-150DT型洛式硬度計測定合第3期微量元素P對N A - 34C哈金顯微組織和力學(xué)性能的影響#金硬度。壓縮實驗在Gleeble15O0式驗機(jī)上進(jìn)行。2實驗結(jié)果與分析2 1鑄態(tài)N A-34CfxP合金211顯微組織40 m, 30 m, 20 m。圖1鑄態(tài)NA-34CfxP合金的顯微組織Fig 1 Them Crostructureof castN A-34CfxP alloys ( a) 0 005% p (b) Q 02% P; ( c) 0 05% P; (d) 0 15% P212相組

8、成分析圖2為P含量為 0.05%和0 15%的鑄態(tài)合金 的X射線衍射譜。圖 3為NA-34C-0 15P合金的 高倍組織及 Cr P元素的能譜面掃描圖。圖3a中的灰色基體為NAI相,黑色粒狀或條狀相為Cr相。P含量較多的胞界處很好地對應(yīng)著CI元素的分布，如圖3b和3c所示。由于 Cr相顆粒較小且分布較集 中，以及N A I相也固溶少量的 C源子，Cr元素的面四種P含量的NA-34C-XP鑄態(tài)合金接近紐扣 錠底部的顯微組織如圖1所示,四種P含量的合金的顯微組織均為典型的胞狀樹枝晶組織，且生長較為規(guī)則。隨著P含量的增加，共晶胞的尺寸有逐漸 減小的趨勢，四種合金共晶胞平均尺寸約為50 m,掃描圖與圖

9、3a中Cr相并未很好地對應(yīng)。X射線衍 射和能譜綜合分析表明，P含量為0 05%和0 15% 的NA34CfxP合金除了 NAI和Cr相外，在胞界 處的N A I和Cr相的相界面上還有 Cis P相 ,如圖3a 中箭頭所指處。這與周健等人的研究結(jié)果不一致，他們認(rèn)為P在二元NA I中形成N麗相11。能譜的 進(jìn)一步分析表明，P元素主要分布在共晶胞的胞界 處,胞內(nèi)分布較少。第3期微量元素P對N A - 34C哈金顯微組織和力學(xué)性能的影響#第3期微量元素P對N A - 34C哈金顯微組織和力學(xué)性能的影響#-() NiAbMCrXJa-iAl<1遒2=£-7言三1O0IIII2第3期微量元

10、素P對N A - 34C哈金顯微組織和力學(xué)性能的影響#第3期微量元素P對N A - 34C哈金顯微組織和力學(xué)性能的影響#圖2鑄態(tài)NA434CFXP合金的X射線衍射譜F ig 2 X-ray pattern of castN A - 34CfxP alloys第3期微量元素P對N A - 34C哈金顯微組織和力學(xué)性能的影響23第3期微量元素P對N A - 34C哈金顯微組織和力學(xué)性能的影響#圖3 NA-34C-0. 15P合金組織及元 素面掃描圖(a)顯微組織；(b)為圖(a)中Cr元素的面掃描圖；(c)為圖(a)中P元素的面掃描圖F ig 3 M Crostructureand element

11、 area analysis of theN A-34Cf0. 15P alloy ( a) m icrostructire ( b) distribution ofC r element of he fig 3( a); ( c) distribution of P elenent of he fig 3( a)第3期微量元素P對N A - 34C哈金顯微組織和力學(xué)性能的影響#Trtcc si/airr圖5不同P含量合金的高溫壓縮真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線Fig 5 The high tenperaturecompressve truestress true strain curvesof the

12、alloys213合金的硬度鑄態(tài)NA-34CfxP合金的洛氏硬度 隨含P量 的變化關(guān)系如圖4所示。由圖可見，隨著P含量 的增加，合金的硬度呈先升高后下降的趨勢，且 存在峰值。P含量為0. 005%時合金的 硬度約 為 40 3HRC。當(dāng)P含量為 0. 02%時合金的 硬度升 高達(dá)到 44. 7HRC,硬度值 較大，表現(xiàn)為P的固溶 強(qiáng)化。隨著P含量繼續(xù)增加，當(dāng)P含量為0. 05% 和0. 15%時，合金的硬度分別為43. 3HRC和 43. 0HRC，與 N A-34C-0. 02% P合金的 硬度基 本一致。第3期微量元素P對N A - 34C哈金顯微組織和力學(xué)性能的影響#第3期微量元素P對N

13、 A - 34C哈金顯微組織和力學(xué)性能的影響#圖4鑄態(tài)NA-34CFXP合金的洛氏硬度與P含量的關(guān)系F g. 4 R elation of theHRC hardnessand P content for castN A - 34Ci-x P albys圖5為含 P的NA-34Cr合金在1000 時的壓 縮真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。三種合金均能夠進(jìn)行大量 的塑性變形而沒有出現(xiàn)裂紋。其 中，NA - 34Cf 0 005% P NA-34CF0. 02% P，NA-34C- 0 05% P 合金的壓縮屈服強(qiáng)度分別為340M Pa 360M Pa 330M Pa屈服強(qiáng)度的變化規(guī)律與硬度的變化規(guī)律一 致。

14、2 2 N A-34Cr-xP合金的均勻化熱處理2 2 1熱處理后的顯微組織圖6是經(jīng)1200均勻化熱處理后四種成分合 金的顯微組織，仍是胞狀樹枝晶，形貌沒有變化，但 與同種成分的鑄態(tài)合金的組織相比，共晶胞的尺寸稍有增加。隨 P含量的增 加，均勻 化熱處理后 的 NA- 34CfxP合金共晶胞的平均尺寸的變化規(guī)律與 鑄態(tài)合金類似，也呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。進(jìn)一步的 觀察表明，均勻化熱處理后，共晶胞中的 Cr相有聚 集長大的傾向。222熱處理后的硬度圖7給出了三個溫度均勻化處理后洛氏硬度 與P含量的變化 關(guān)系。隨著 P含量的增 加，經(jīng)熱 處理后合金的硬度 仍呈先上升后下降的趨勢，這 與鑄造合金的規(guī)律一

15、致。由圖可知，三個溫度的 均勻化處理都使同種成分合金的硬度降低，且溫 度越高，硬度降低幅度越大，這與組織的變化規(guī) 律一致。均勻化熱處理后合金中C r相的聚集長大和共晶胞尺寸的增大可能是導(dǎo)致硬度降低的原因。第3期微量元素P對N A - 34C哈金顯微組織和力學(xué)性能的影響25第3期微量元素P對N A - 34C哈金顯微組織和力學(xué)性能的影響#圖61200處理后合金的顯微組織第3期微量元素P對N A - 34C哈金顯微組織和力學(xué)性能的影響#F g 6 M icrostructure of the hea- treatedN A - 34CfxP alloys at 1200( a) 0 005% P;

16、(b) 0 02% P; ( c) Q 05% P; (d) Q 1% P第3期微量元素P對N A - 34C哈金顯微組織和力學(xué)性能的影響#第3期微量元素P對N A - 34C哈金顯微組織和力學(xué)性能的影響#圖7熱處理后NA-34CfxP合金的洛氏硬度與xP含量的關(guān)系Fg 7 Relation of tneHRC hardness andP content forthehea- treated N A -34Ci-xP alloys3結(jié)論(1) N A-l 34Cf xP合金的鑄態(tài)組織為典型的胞 狀樹枝晶組織，形狀較為規(guī)則，且隨著P含量的增 加,共晶胞的平均尺寸逐漸減小。均勻化熱處理后N a -

17、 34CfxP合金仍為胞狀樹枝晶，但共晶胞尺寸與同種成分的鑄態(tài)合金相比稍有增大。(2) 四種P含量的NA-34CfxP鑄態(tài)合金主要 由N A I和Cr相組成共晶組織。在 P含量為0 05% 和0. 15%的合金中還存在 Cr3 p相。p元素主要分 布在共晶胞的胞界處，胞內(nèi)分布較少。(3) 鑄態(tài)和熱處理后的 N A-34CfxP合金的硬度都是隨P含量的增加呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢，硬度均在含P量為0 02%時達(dá)到較高值。經(jīng) 1150 ，1200 ，1250 三個溫度的均勻化熱處理都 使同種成分合金的硬度降低 ，且溫度越高，硬度降低 幅度越大。均勻化熱處理后合金中C湘的聚集長大和共晶胞尺寸的增大是導(dǎo)

18、致硬度降低的原因。參考文獻(xiàn)：1 M IRACLE D B The physical and mechanical properties of NAIJ. ActaM etallM ater 1993 41 (3): 649- 6782 NOEBE R D，BOWMAN R R，NATHAL M V. Physical and mechanical property of the B2 compouncN iA J. In- terMaterRev 1993 38( 6): 193- 2013 CLNE H E, WA LTER JL. The effect of alloy additions

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24、als Science and Eng heering Liaoning Un iversity ofT echnology Jnzhou 121001, L iaoning China; 2 Institute of M etal Research Ch ineseA cadmy of Sciences Shenyang110016 Ch ina)Abstrac t The alloy ingots of N A-l 34Cr-xP w itn the P content ( Q 005% , 0. 02% , 0 05% , 0. 15% , phase(m ass fraction) were melte