GH105合金元素含量對析出相的影響

沈祎舜 姚志浩 陳筱菲 董建新 江河

摘要：

采用Thermo-Calc及JMatPro軟件，對GH105合金在600～1 600 ℃的相圖進行計算，并對C，Cr，Co，Mo，Zr，Ti，Al以及微量B對GH105合金主要析出相MC，M23C6，M3B2，μ，σ和γ′的影響進行探究。結果表明：C的增加提高了M23C6和MC相的析出量和M23C6相的析出溫度，降低了σ相的析出量和析出溫度，同時μ相的析出溫度明顯下降;Cr的增加顯著提高了σ相的析出量和析出溫度;Co的增加提高了μ相和σ相的析出量和析出溫度，降低了M23C6相的析出量和析出溫度;Mo的增加顯著提高了μ相和σ相的析出量和析出溫度;Zr的增加提高了σ相的析出量和析出溫度，提高了MC相的析出量，降低了M23C6相的析出量和析出溫度;B的增加顯著提高了M3B2相的析出量;Al，Ti和m（Al）∶m（Ti）的增加，提高了γ′相的析出量，其中Al和m（Al）∶m（Ti）相的增加還提高了γ′相的析出溫度。

關鍵詞：

GH105合金; 熱力學計算; 合金元素; 析出相

中圖分類號： TG 146.1 文獻標志碼： A

Effect of Elements on Precipitated Phases in GH105

SHEN Yishun， YAO Zhihao， CHEN Xiaofei， DONG Jianxin， JIANG He

（University of Science and Technology Beijing， School of Materials Science and Engineering， Beijing 100083， China）

Abstract：

In this paper，the phase diagram of GH105 alloy in the range of 600-1 600 ℃ was calculated by Thermo-Calc software and JMatPro software.The effects of C，Cr，Co，Mo，Zr，Ti，Al and trace elements B on the main precipitates MC，M23C6，M3B2，μ，σ and γ′ of GH105 alloy were investigated as well.The results show that the increase of C increases the amount of precipitation of M23C6 and MC and the precipitation temperature of M23C6，reduces the amount of precipitation and precipitation temperature of σ phase.Meanwhile，the precipitation temperature of the μ phase decreases significantly.The increase of Cr significantly increases the amount of precipitation and precipitation temperature of σ phase.The increase of Co increases the amount of precipitation and precipitation temperature of μ phase and σ phase，and decreases the amount of precipitation and precipitation temperature of M23C6.The increase of Mo increases the amount of precipitation and precipitation temperature of σ phase and μ phase.The increase of Zr increases the amount of precipitation and precipitation temperature of σ phase，and increases the amount of precipitation of MC，but decreases the amount of precipitation and precipitation temperature of M23C6.The increase of B significantly increases the amount of precipitation and precipitation temperature of M3B2.The increase of Al，Ti and m（Al）∶m（Ti） increases the amount of precipitation of γ′，and the increase of Al and m（Al）∶m（Ti） also increases precipitation temperature of γ′.

Keywords：

GH105 alloy; thermodynamic calculation; alloy elements; precipitation phases

GH105合金，英國牌號為Nimonic105，是美國760-USC計劃和歐盟AD700計劃推薦的葉片用候選材料之一[1-2]，950 ℃內具有高抗氧化性和高抗蠕變性[1]。GH105合金屬于時效強化型鎳基變形高溫合金[3]，通過時效過程中析出的γ′相的沉淀強化以及Cr和Mo進行固溶強化[4]。GH105合金主要在渦輪葉片、渦輪盤、環形件、螺栓及緊固件的制作上起重要作用[5]。目前國內外對GH105合金的研究并未形成一個完整的體系，更多專注于其力學性能和熱處理工藝的研究，對合金成分的研究較少。NEMBACH等[6]研究了GH105合金在高溫下屈服強度降低的機理。梅聲勇等[4]對GH105合金鑄錠元素偏析和均勻化工藝進行了研究。王魯等[7]對GH105合金的熱處理工藝優化進行了研究。裴玉冰等[3]對GH105合金中Al，Ti，C，Cr，Mo 5種元素對γ′相、σ相、M23C6相和μ相的影響進行了研究。

GH105合金的化學成分如表1所示[8]。從表1中可以看到，GH105合金中C含量較高。較高的C含量使得合金的晶界上大量析出碳化物，碳化物可以提高合金的高溫抗拉強度和高溫塑性，但數量過多會降低合金的沖擊韌性[1，3]，晶內析出的碳化物相起到了沉淀強化的作用。Al，Ti含量總和較高，使得合金中γ′相的固溶溫度和體積分數大大提高，且Ti與Al的質量比m（Ti）∶m（Al）較低，使得合金在具有優良的綜合性能的同時能夠在較高的溫度下使用[5]。Co，Mo主要以固溶的形式存在于基體中，起到固溶強化的作用。微量B和Zr，增強了合金的組織穩定性和抗蠕變性能[5]。另外，Cr除發揮其固溶強化以及時效強化作用外，同時還提高了合金的抗腐蝕性能。

表1 GH105合金化學成分（質量分數，%）[8]

Tab.1 GH105 alloy composition（mass fraction，%）[8]

GH105合金在600～1 600 ℃時，主要析出相有γ相、γ′相、MC相、M23C6相、μ相以及σ相。γ相為基體相，它能保證大量合金元素的溶入，從而起到固溶強化的作用。時效過程中，碳化物和γ′相從基體中析出，從而保證合金具有良好的力學性能、抗氧化和抗腐蝕能力等。γ′相是合金的主要沉淀強化相，γ′相數量越多，強化效果越好，但溫度達到777 ℃時，會因位錯的熱激活而降低合金的屈服強度，從而使γ′相的強化程度大大減弱[6]。MC相為合金中另一重要的沉淀強化相，它一般在晶內呈大塊狀析出，主要為Ti，Zr等元素組成的碳化物，強化作用顯著。M23C6相形狀不同，對合金的力學性能產生的影響不同[3]。時效后呈塊狀或者顆粒狀的M23C6相能夠起到晶界強化和沉淀強化的作用，但如果在晶界處析出的M23C6相過多，則會導致其在晶界處連成脆性薄膜，降低合金的沖擊韌性，也會導致裂紋在此處增生擴展[1，3，7，9-10]。為了保證合金具有良好的力學性能，需控制M23C6相的含量。μ相在合金中以顆粒狀、棒狀、片狀或針狀的形態存在，是裂紋形核和擴展的通道，其中針狀的μ相會降低合金的室溫塑性[5]。由于μ相會阻礙位錯運動，所以它會降低合金的持久性能[11]。μ相在晶界和晶內的析出，使基體中固溶元素缺乏，從而導致固溶強化和沉淀強化效果減弱，影響合金的力學性能。合金中少量Fe的存在也會促進μ相的形成[12]。Cr，Mo，W會大量溶入σ相中，同樣削弱固溶強化作用，降低合金的力學性能[3，13-16]。

本文研究了GH105合金中C，Cr，Co，Mo，Zr和B對MC相、M23C6相、M3B2相、μ相和σ相的析出量和析出溫度的影響，以及Al，Ti含量及m（Al）∶m（Ti）的值對γ′相的析出量和析出溫度的影響。

1 計算方法

利用熱力學軟件Thermo-Calc以及JMatPro中的鎳基高溫合金數據庫，通過設置熱力學條件，對GH105合金中各元素含量對析出相的影響進行熱力學模擬計算。計算GH105合金的熱力學相圖時，運用Thermo-Calc軟件，取表1中各元素含量的中值，如表2所示。此處忽略了P，S，Ag，Bi，Pb 5種元素。考慮C，Cr，Co，Mo，Zr為GH105合金析出相MC相，M23C6相，M3B2相，μ相和σ相的主要形成元素，Ti和Al對γ′相的形成起著重要作用，還有增強合金組織穩定性和抗蠕變性能的微量元素B，于是利用JMatPro軟件通過改變其中一種元素的含量而保持其他元素含量不變，按表2所示的狀況，計算不同含量的不同合金元素對GH105合金析出相的量及析出溫度的影響。這項工作的意義在于能夠結合析出相對合金性能的影響，通過微調合金成分，來制定合適的熱處理制度。

表2 GH105合金元素含量中值（質量分數，%）

Tab.2 GH105 alloy element content median

（mass fraction，%）

2 計算結果及分析

2.1 GH105合金相圖計算

運用Thermo-Calc軟件計算GH105合金在600～1 600 ℃的相圖，結果如圖1所示。

由圖1可以得到以下結果：γ相、σ相、M23C6相、MC相、M3B2相、μ相和γ′相的析出溫度分別為1 362，669，1 136，1 334，1 290，806和1 056 ℃，液相開始出現的溫度為1 289 ℃，MC相在固液共存時就已析出。

圖1 GH105合金相圖計算結果

Fig.1 GH105 alloy phase diagram calculation results

2.2 不同元素含量對析出相的影響

2.2.1 C含量對析出相的影響

C的質量分數為0.13%～0.17%時，對GH105合金析出相析出量和析出溫度的影響如圖2所示。由圖2（a）可知，M3B2相的析出量和析出溫度基本未發生變化，5條曲線基本重合;由圖2（b）可知，M23C6相的析出量和析出溫度均隨著C含量的增加而增加;由圖2（c）可知，MC相的析出量隨著C含量的增加而增加，但析出溫度未發生明顯變化;由圖2（d）可知，μ相的析出量在約700 ℃以下隨著C含量的增加而增加，但在700 ℃以上則呈現出隨C含量的增加而減少的趨勢，μ相的析出溫度隨著C含量的增加而降低，但變化范圍局限在10 ℃以內;由圖2（e）可知，σ相的析出量和析出溫度均隨著C含量的增加而降低。據此可以得出以下結論：C含量的變化對M23C6相，μ相和σ相的析出量和析出溫度都有影響，只影響MC相的析出量，對M3B2相的析出量和析出溫度都無影響。

2.2.2 Cr含量對析出相的影響Cr的質量分數為14.1%～15.6%時，對GH105合金析出相的析出量和析出溫度的影響如圖3所示。由圖3（a）可知，M3B2相的析出量和析出溫度基本未發生變化，6條曲線基本重合;由圖3（b）可知，M23C6相的析出量和析出溫度均隨著Cr含量的增加而增加，但變化范圍不大，析出量的差別在溫度高于1 050 ℃才開始顯現，析出溫差約為30 ℃;由圖3（c）可知，MC相的析出量隨著Cr含量的增加而降低，尤其在1 050～1 150 ℃時，但析出溫度未發生明顯變化;由圖3（d）可知，μ相的析出量在640 ℃以下隨著Cr含量的增加而減少，但在790 ℃以上則呈現出隨Cr含量的增加而增加的趨勢，640～790 ℃為過渡區，μ相的析出溫度隨著Cr含量的增加而升高，但變化范圍局限在20 ℃以內;由圖3（e）可知，Cr含量的增加可以提高σ相的析出量和析出溫度。據此可以得出以下結論：Cr含量的變化對M23C6相，μ相和σ相的析出量和析出溫度都有影響，只影響MC相的析出量，對M3B2相的析出量和析出溫度都無影響。

圖2 C含量對GH105合金析出相的析出量和析出溫度的影響

Fig.2 Effect of C content on precipitation and precipitation temperature of GH105 alloy

圖3 Cr含量對GH105合金析出相的析出量和析出溫度的影響

Fig.3 Effect of Cr content on precipitation and precipitation temperature of GH105 alloy

2.2.3 Co含量對析出相的影響

Co的質量分數為18%～22%時，對GH105合金析出相的析出量和析出溫度的影響如圖4所示。由圖4（a）可知，M3B2相的析出量和析出溫度基本未發生變化，5條曲線基本重合;由圖4（b）可知，M23C6相的析出量和析出溫度均隨著Co含量的增加而減少，但析出量的差別到溫度高于1 000 ℃才開始較為明顯地顯露出來，析出溫度的變化范圍較Cr的影響大，達到50 ℃;由圖4（c）可知，MC相的析出量隨著Co含量的增加而增加，尤其在1 050～1 150 ℃時，但析出溫度未發生明顯變化;由圖4（d）可知，μ相的析出量隨著Co含量的增加而增加，析出溫度也有同樣的規律，但兩者的變化范圍均不大;由圖4（e）可知，σ相的析出量和析出溫度均隨著Co含量的增加而增加。據此可以得出以下結論：Co含量的變化對M23C6相，μ相和σ相的析出量和析出溫度都有影響，只影響MC相的析出量;對M3B2相的析出量和析出溫度都無影響。

圖4 Co含量對GH105合金析出相析出量和析出溫度的影響

Fig.4 Effect of Co content on precipitation and precipitation temperature of GH105 alloy

2.2.4 Mo含量對析出相的影響

Mo的質量分數為4.5%～5.5%時，對GH105合金析出相的析出量和析出溫度的影響如圖5所示。由圖5（a）可知，在1 100～1 300 ℃時，M3B2相的析出量隨著Mo含量的增加而略微增加，M3B2相的析出溫度則基本保持不變;由圖5（b）可知，在1 050 ℃左右，M23C6相的析出量隨著Mo含量的增加而略微增加，析出溫度未發生明顯變化;由圖5（c）可知，MC相的析出量和析出溫度均未發生明顯變化;由圖5（d）可知，μ相的析出量隨著Mo含量的增加而增加，μ相的析出溫度也有同樣的規律;由圖5（e）可知，σ相的析出量和析出溫度均隨著Mo含量的增加而增加。需要指出，Mo的質量分數為4.7%時，無論按照溫度從高到低還是從低到高計算，得到的相圖均會出現不符合理論的彎折，所以未將此濃度下的計算結果放入此次統計中。據此可以得出以下結論：Mo含量的變化對μ相、σ相的析出量和析出溫度都有影響，對M3B2相和M23C6相來說只影響其析出量，對MC相的析出量和析出溫度都無影響。

2.2.5 B含量對析出相的影響

B的質量分數為0.003%～0.009%時，對GH105合金析出相的析出量和析出溫度的影響如圖6所示。由圖6（a）可知，M3B2相的析出量隨著B含量的增加而增加，析出溫度則基本保持不變;由圖6（b）可知，4條曲線基本重合，即M23C6相的析出量和析出溫度都不發生變化;由圖6（c）可知，在1 250～1 300 ℃時，MC相的析出量隨著B含量的增加而出現略微下降，在其他溫度保持不變，MC相的析出溫度也并未發生明顯變化;由圖6（d）可知，μ相的析出量隨著B含量的增加而減少，μ相的析出溫度也有同樣的規律，但兩者的變化范圍都局限在很小的范圍內;由圖6（e）可知，σ相的析出量和析出溫度均未發生變化。據此可以得出以下結論：B含量的變化只對μ相的析出量和析出溫度有略微影響，對M3B2相，MC相來說只影響其析出量，對M23C6相和σ相的析出量和析出溫度都無影響。

圖5 Mo含量對GH105合金析出相的析出量和析出溫度的影響

Fig.5 Effect of Mo content on precipitation and precipitation temperature of GH105 alloy

圖6 B含量對GH105合金析出相的析出量和析出溫度的影響

Fig.6 Effect of B content on precipitation and precipitation temperature of GH105 alloy

2.2.6 Zr含量對析出相的影響

Zr的質量分數為0.07%～0.15%時，對GH105合金析出相的析出量和析出溫度的影響如圖7所示。由圖7（a）可知，M3B2相的析出量保持不變，析出溫度隨著Zr含量的增加出現略微降低;由圖7（b）可知，M23C6相的析出量和析出溫度都隨著Zr含量的增加而減少;由圖7（c）可知，在溫度低于1 250 ℃時，MC相的析出量隨著Zr含量的增加而增加，MC相的析出溫度未發生明顯變化;由圖7（d）可知，在溫度低于690 ℃時，μ相的析出量隨著Zr含量的增加而減少，在溫度高于690 ℃時，隨著Zr含量的增加而增加，但變化的幅度都不明顯，μ相的析出溫度隨著Zr含量的增加而升高，但是變化范圍不大;由圖7（e）可知，隨著Zr含量的增加，σ相的析出量增大，析出溫度升高。據此可以得出以下結論：Zr含量的變化對M23C6相、μ相和σ相的析出量和析出溫度都有影響，只影響MC相的析出量，對M3B2相則只影響其析出溫度。

2.2.7 Al，Ti含量對γ′的影響

Al，Ti含量對GH105合金γ′相的析出量和析出溫度的影響如圖8所示。由圖8（a）可知，Al的質量分數在4.5%～4.9%時，γ′相的析出量隨著Al含量的增加而增加，γ′相的析出溫度也隨著Al含量的增加而增加。由圖8（b）可知，Ti的質量分數在1.18%～1.50%時，γ′相的析出量隨著Ti含量的增加而增加，γ′相的析出溫度基本未發生變化。由于Al，Ti含量相差較大，且在較大的范圍內變化，所以對m（Al）∶m（Ti）的值對γ′相析出量和析出溫度的影響進行了探究，結果如圖8（c）所示。選取3個比值，分別為m（Al）∶m（Ti）=4.15∶1，m（Al）∶m（Ti）=3.5∶1，m（Al）∶m（Ti）=3∶1，保證Al，Ti被選取的濃度均在所允許范圍的邊界和中值，可以知道，在900 ℃以下和1 000 ℃以上時，γ′相的析出量隨著m（Al）∶m（Ti）的值的增加而增加，在900～1 000 ℃，3條曲線基本重合，即在此溫度范圍內，m（Al）∶m（Ti）的值對γ′相析出量沒有影響，γ′相的析出溫度隨著m（Al）∶m（Ti）的值的增加而升高。表3和表4列出了各元素及m（Al）∶m（Ti）對各相析出量和析出溫度的影響。

表3 GH105合金中的元素對析出相的影響

Tab.3 Effect of elements on precipitated phases in GH105

表4 GH105合金中的Al，Ti和m（Al）：m（Ti）

對析出相的影響

Tab.4 Effect of Al，Ti and m（Al）：m（Ti）

on precipitated phases in GH105

3 討 論

通過Thermo-Calc軟件以及JMatPro軟件的計算結果可知，C對M23C6相，MC相和σ相的影響較為顯著，不僅提高了M23C6相和MC相的析出量，提高了M23C6相的析出溫度，也降低了σ相的析出量和析出溫度，在700 ℃以上降低了μ相的析出量和析出溫度。因此，要使合金有足夠強度的同時保證其塑韌性，就需要選擇適當的C含量。Cr，Co，Zr對M23C6相，MC相，σ相以及μ相均有影響。其中Cr可以提高M23C6相和σ相的析出量和析出溫度，降低MC相的析出量，790 ℃以上提高μ相的析出量和析出溫度。Co可以降低M23C6相的析出量和析出溫度，提高MC相的析出量和σ相，μ相的析出量和析出溫度。Zr可以降低M23C6相的析出量和析出溫度，提高σ相的析出量和析出溫度，1 250 ℃以下提高MC相的析出量，690 ℃以上略微提高μ

相的析出量和析出溫度。Mo主要對σ相和μ相有顯著影響，Mo含量的增加可以提高σ相和μ相的析出量和析出溫度，由于σ相過多會降低合金塑性和沖擊韌性，容易產生裂紋，針狀的μ相會降低合金的室溫塑性，所以在進行合金成分設計改良時需嚴格控制Mo的含量。B主要提高M3B2相的析出量，對合金的組織穩定性和抗蠕變性能有一定的影響。Al，Ti均能提高γ′相的析出量，但Al還能提高γ′相的析出溫度，而Ti則對γ′相的影響不大，在1 000 ℃以上，900 ℃以下時m（Al）∶m（Ti）的增加，能夠提高γ′相的析出量和析出溫度，由于γ′相是合金中的主要沉淀強化相，在綜合考慮合金的服役條件和γ′相的影響后，可以通過調整Al，Ti的含量使合金的強化效果達到預期。綜上所述，在優化改良合金成分過程中，通過調整合金中各個元素的含量，可使有害相和有利相的析出達到一個較優平衡，從而保證合金具有更優良的力學性能匹配。

4 結 論

（1） C，Cr，Co，Zr對M23C6相和σ相的析出量和析出溫度影響明顯。其中Co，Zr含量的增加降低了M23C6相的析出量和析出溫度，提高了σ相的析出量和析出溫度。C含量的增加提高了M23C6相的析出量和析出溫度，降低了σ相的析出量和析出溫度。Cr含量的增加提高了M23C6相和σ相的析出量和析出溫度。Mo顯著提高了σ相的析出量和析出溫度。

（2） MC相的析出量主要受C，Cr，Co 3種元素的影響，其中C，Co含量的增加提高了MC相的析出量，Cr含量的增加降低了MC相的析出量，MC相的析出溫度不受C，Cr，Co的影響。

（3） B主要影響M3B2相的析出，B含量的增加，提高了M3B2相的析出量，但對M3B2相的析出溫度無影響。

（4） μ相的析出量和析出溫度受C，Cr，Co，Mo的影響。其中Co，Mo含量的增加提高了μ相的析出量和析出溫度。C，Cr含量的增加會導致在μ相的析出過程中出現過渡區，對μ相的析出溫度來說，C含量的增加能夠降低析出溫度，Cr則提高μ相的析出溫度。

（5） Al含量的增加提高了γ′相的析出量和析出溫度，Ti含量的增加提高了γ′相的析出量而不影響其析出溫度，γ′相的析出量和析出溫度也受到m（Al）∶m（Ti）值的影響，在900 ℃以下和1 000 ℃以上，m（Al）∶m（Ti）的增加提高了γ′相的析出量，900～1 000 ℃為過渡區，沒有影響，m（Al）∶m（Ti）的增加也提高了γ′相的析出溫度。

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