硼和磷對(duì)鐵鎳基變形高溫合金組織和持久性能的影響

姜壹夫，肖 旋，秦學(xué)智

(1.沈陽(yáng)理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110159；2.中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)金屬研究所，沈陽(yáng) 110016)

硼和磷對(duì)鐵鎳基變形高溫合金組織和持久性能的影響

姜壹夫1，肖 旋1，秦學(xué)智2

(1.沈陽(yáng)理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110159；2.中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)金屬研究所，沈陽(yáng) 110016)

利用真空冶煉爐制備鐵鎳基變形高溫合金，采用光學(xué)顯微鏡(OM)和掃描電子顯微鏡(SEM)觀察標(biāo)準(zhǔn)熱處理后B、P微合金化的微觀組織。發(fā)現(xiàn)B和P對(duì)晶粒度的影響較小，B含量的增加可以顯著增加MC碳化物的析出。當(dāng)P含量在0.003%至0.005%時(shí)，B含量從0.016%降至0.005%，可以將合金在700℃/400MPa,700℃/425MPa下持久壽命提高至3.8倍。當(dāng)B含量為0.005%，P含量從0.005%升至0.023%時(shí)，對(duì)持久性能影響較小。B、P的最佳控制量應(yīng)在0.005%和0.023%附近。B、P在晶界處附近會(huì)產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)偏析，硼化物對(duì)于晶界有釘壓作用，P可以阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而阻礙合金裂紋擴(kuò)展。適量的B、P含量可以延長(zhǎng)合金的持久壽命。

硼；磷；微觀組織；持久壽命

GH2107是我國(guó)自行研制的一種鐵鎳基變形高溫合金，主要應(yīng)用在超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組汽輪機(jī)的葉片上，GH2107是在GH2135的基礎(chǔ)上，降低2%左右的Al+Ti制成的，而且固溶W和Mo元素來(lái)提高合金的力學(xué)性能。該合金具有強(qiáng)度高、耐腐蝕、抗氧化性能好等特點(diǎn)[1]。

硼和磷是高溫合金常見(jiàn)的微合金化元素[2]。近些年，文獻(xiàn)[3-7]對(duì)硼和磷在鐵鎳基變形高溫合金中的作用做了少許研究，研究發(fā)現(xiàn)，磷是高溫合金中典型的有害元素，但是適量的磷可以阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而延長(zhǎng)合金的持久壽命。適量添加硼元素對(duì)合金的力學(xué)性能是有益的，一般通過(guò)強(qiáng)化晶界的方式來(lái)提高合金的持久和蠕變性能[8-9]。本文主要通過(guò)對(duì)合金復(fù)合添加硼和磷，研究對(duì)合金組織和持久性能的影響，有助于更合理地控制硼和磷的含量，進(jìn)一步提高合金的力學(xué)性能。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

采用真空感應(yīng)爐來(lái)冶煉母合金的名義成分為(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)C 0.05、Cr 15、Ni 40、Mo+W 4、Al+Ti 3.3、Fe余量。采用25kg真空感應(yīng)爐澆注成6種不同成分合金錠Alloy 1～6，如表1所示。棒料經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)熱處理：1150℃/2h/AC(固溶)+780/24h/AC(時(shí)效)，加工成標(biāo)準(zhǔn)的持久試樣，測(cè)試700℃/400MPa、700℃/425MPa的持久性能。

用電火花線切割機(jī)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)熱處理態(tài)的試樣進(jìn)行切割，然后在磨樣機(jī)上進(jìn)行磨拋腐蝕，采用化學(xué)腐蝕來(lái)腐刻金相組織，腐蝕試劑100mLH2O+50mLHCl+5gFeCl3。采用MC006-5XB-PC金相顯微鏡觀察合金金相組織，采用掃描電鏡來(lái)觀察合金金相組織和合金的持久斷口形貌，分析硼和磷的復(fù)合添加對(duì)合金組織和持久性能的影響。

表1 合金實(shí)測(cè)成分 wt %

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 硼和磷對(duì)合金熱處理態(tài)組織的影響

標(biāo)準(zhǔn)熱處理態(tài)的合金組織如圖1a所示，可以看出B和P的添加對(duì)合金的晶粒度影響較小，在光學(xué)顯微鏡(OM)下觀察，可以發(fā)現(xiàn)，合金晶粒均勻，存在少量的退火孿晶，有利于改善合金的強(qiáng)度。經(jīng)統(tǒng)計(jì)晶粒尺寸約為70～80μm。圖1b、1c、1d是標(biāo)準(zhǔn)熱處理態(tài)下的Alloy1、Alloy2、Alloy4的微觀組織形貌?？梢杂^察到，在3組合金的晶界處附近均分布著M3B2硼化物和MC型碳化物，硼含量較高的Alloy1和Alloy2相比硼含量較低的Alloy4要析出更多的M3B2硼化物和MC型碳化物。原因在于硼化物在晶界處富集，硼和碳元素會(huì)產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)偏析，隨著硼含量的升高，這種競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制增強(qiáng)，使M3B2硼化物和MC碳化物析出增多。P以原子氣團(tuán)的形式主要偏聚于晶界處附近，P含量的增加無(wú)疑會(huì)減少晶界處B和C的含量，競(jìng)爭(zhēng)偏析減弱，因此Alloy4析出的M3B2硼化物和MC碳化物較少。

2.2 硼和磷對(duì)合金持久性能的影響

圖2和圖3為合金在700℃/400MP、700℃/425MPa條件下，隨著B(niǎo)和P的加入，合金持久壽命的變化。當(dāng)磷含量0.003%～0.005%、硼含量從0.016%降至0.005%時(shí)，可以將合金的持久壽命提高3.8 倍。當(dāng)B=0.005%、P=0.023%時(shí)，持久壽命最高，達(dá)到464h。硼對(duì)合金的持久壽命影響顯著，合金隨著硼含量的升高，持久壽命下降趨勢(shì)明顯。當(dāng)硼含量很低時(shí)(B=0.005%)，P=0.005%～0.023%，合金的持久壽命提高緩慢；而當(dāng)P=0.023%～0.024%，合金的持久壽命顯著下降。B、P的最佳控制量應(yīng)在0.005%和0.023%附近。

圖1 不同硼、磷含量合金的微觀組織形貌 和硼化物的eds能譜

2.3 硼和磷對(duì)持久斷裂組織的影響

圖4為在700℃/400MPa的持久斷口宏觀和微觀形貌。其中圖4a、4b、4c、4d分別是Alloy1、Alloy2、Alloy4和Alloy6的持久斷口宏觀形貌，圖4e、4f、4g、4h分別是Alloy1、Alloy2、Alloy4和Alloy6的持久斷口微觀形貌。比較Alloy4和Alloy6，觀察Alloy4可知，當(dāng)B元素含量保持一定且較低、P含量為0.005%時(shí)，持久斷口的形貌主要呈現(xiàn)沿晶斷裂的特征，并且伴有少許的裂紋。因?yàn)楫?dāng)B元素含量較低時(shí)，晶界析出的M3B2減少，

圖2 硼在不同載荷下對(duì)持久性能的影響

圖3 磷在不同載荷下對(duì)持久性能的影響

對(duì)晶界的釘壓作用減弱，晶界得不到充分的強(qiáng)化，晶界強(qiáng)度小于晶內(nèi)強(qiáng)度。由于P元素是活性元素，必將在晶界或晶內(nèi)的缺陷位置產(chǎn)生偏聚，替代了B偏聚的位置，少量的P對(duì)硼化物的析出影響不大。觀察Alloy6可以看到，當(dāng)P含量增加至0.024%時(shí)，斷口以大量的韌窩為主，顯示出了明顯的韌性斷裂特征。通過(guò)比較合金的持久延伸率，發(fā)現(xiàn)合金的持久延伸率也略有增強(qiáng)。因?yàn)殡S著P含量的增加，P原子氣團(tuán)的大量偏聚必將導(dǎo)致硼化物的大量析出，過(guò)量的硼化物反而弱化了晶界。導(dǎo)致晶界強(qiáng)度和晶內(nèi)強(qiáng)度差別不大。對(duì)于GH2107合金添加微量元素B和P時(shí)，都不宜過(guò)高。

比較Alloy1、Alloy2和Alloy6，觀察合金的斷口可以明顯觀察到，當(dāng)P含量在正常范圍內(nèi)時(shí)(低磷)，隨著B(niǎo)含量的增加，形貌由沿晶斷裂特征向布滿韌窩特征進(jìn)行轉(zhuǎn)變。材料的韌性明顯改善。延伸率也自然提升。B含量從0.013%增加至0.016%，韌窩的數(shù)量明顯增多，尺寸也明顯增大。原因在于雖然P原子氣團(tuán)對(duì)位錯(cuò)有拖拽作用，阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，硼和磷競(jìng)爭(zhēng)偏析增強(qiáng)，硼含量的增加無(wú)疑弱化了這一作用，導(dǎo)致了晶界結(jié)合力增強(qiáng)。

圖4 不同硼、磷含量的合金在700℃/425MPa下的持久斷口形貌

3 結(jié)論

(1)B和P元素對(duì)合金的晶粒度無(wú)明顯影響，B可以促進(jìn)MC碳化物的析出。

(2)在700℃、400MPa或425MPa的條件下，當(dāng)硼含量很低(B=0.005%)、P=0.005%～0.023%時(shí)，合金的持久壽命提高緩慢；而P=0.023%～0.024%，合金的持久壽命顯著下降。當(dāng)P含量在0.003%～0.005%、B含量從0.016%降至0.005%時(shí)，合金的持久壽命延長(zhǎng)3.8倍?？芍狟和P最佳控制量為B：0.005%，P：0.023%左右。

(3)B和P在晶界處產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)偏析，B元素產(chǎn)生的硼化物可以強(qiáng)化晶界，P以原子氣團(tuán)的形式存在，阻礙合金裂紋的擴(kuò)展。適量的B、P可以延長(zhǎng)合金的持久壽命。

[1]郭建亭.高溫合金材料學(xué)下[M].北京，科學(xué)出版社,2008.

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(責(zé)任編輯：馬金發(fā))

Effect of Boron and Phosphorus on the Structure and Stress Rupture Properties

JIANG Yifu1，XIAO Xuan1，QIN Xuezhi2

(1.Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China;2.Institute of Metal Research,Chinese Academy of Sciences,Shenyang 110016,China)

The Fe-Ni based superalloy is fabricated by induction furnace.The microstructure of boron and phosphorus after heat treatment was observed by optical microscope(OM)and scanning electron microscope(SEM).Boron and phosphorus did not exhibit influence on the grain size.The increase of boron content can significantly increase the precipitation of MC carbide.When the phosphorus content increase from 0.003% to 0.005%，the boron content decreased from 0.016% to 0.005%，the stress rupture life of alloy was increased by 3.8 times at 700℃/400MPa,700℃/425MPa.When the boron content is 0.005%,the phosphorus content increased from 0.005% to 0.023%，playing little effect on the stress rupture life.The proper content of boron and phosphorus should be controlled around 0.005% and 0.023%.Boron and phosphorus can compete segregation near the grain boundary.Boride has the role of press，phosphorus can hinder the movement of dislocations,which can hinder the crack growth of the alloy.Appropriate boron and phosphorus content of the alloy is useful for the stress rupture life.

Boron；Phosphorus；microstructure；the stress rupture life

2015-10-12

姜壹夫(1989—)，男，碩士研究生；通訊作者：肖旋(1966—)，副教授，博士，研究方向：材料微觀組織及控制。

1003-1251(2016)06-0044-04

TG146

A