0Cr20Ni65Ti3AlNb合金平衡析出相熱力學計算

倫建偉，郭 誠

(1.沈陽科金特種材料有限公司，遼寧 沈陽 110101；2.中國科學院金屬研究所 材料制備與加工研究部，遼寧 沈陽 110015)

鎳基高溫合金的顯微組織、組織穩(wěn)定性和最終使用性能與合金的成分密切相關，合金的相析出溫度和析出量隨合金主要元素的變化而發(fā)生變化[1,2]。0Cr20Ni65Ti3AlNb合金是上世紀60年代在提高InconelX-750的鉻含量基礎上發(fā)展起來的一種沉淀硬化型耐蝕合金，該合金在具有良好耐蝕性的同時兼顧較好耐磨性，用于制造有稀硝酸腐蝕并有振動、撞擊條件的計量泵截止球閥等。目前，許多學者利用熱力學相圖計算軟件模擬計算合金成分與析出相的析出溫度和析出量之間的定量關系，從而為合金的成分優(yōu)化設計提供參考[3,4]。例如，徐仰濤等[5]基于JMatPro軟件對不同B含量的Co-8.8Al-9.8W合金析出相進行熱力學模擬計算；孟凡國等[6]利用Thermo-Calc軟件對K488合金平衡相進行了模擬研究；趙玉濤等[7]利用JMatPro軟件進行模擬計算，得到新型低錸第三代鎳基單晶高溫合金的組成；王靜等[8]利用JMatPro軟件計算了第二代單晶合金的熱力學性能，并得出了低錸且滿足第二代單晶水平的合金成分；王魯?shù)萚9]基于Thermo-Calc和JMatPro軟件對Nimonic105合金進行成分優(yōu)化設計，得到一種新型鎳基合金成分組成；劉建強等[10]利用Thermo-Calc軟件分析了新型Ni基合金中析出相的組成；楊常春等[11]利用Thermo-Calc軟件對Cr20Ni32AlTi合金平衡相進行了熱力學模擬計算。本文利用JMatPro熱力學計算軟件，計算分析合金的平衡相析出行為和合金元素對析出相的影響規(guī)律，為合金的實際應用提供理論指導。

1 計算方法

0Cr20Ni65Ti3AlNb合金化學成分范圍及典型成分見表1，采用JMatPro熱力學計算軟件及相應的鎳基數(shù)據(jù)庫進行熱力學模擬計算，利用系統(tǒng)中各相熱力學特征函數(shù)的熱力學關系，建立熱力學模型，將相圖和各種熱力學數(shù)據(jù)聯(lián)系起來，從而計算出系統(tǒng)中所有熱力學信息，獲得可能析出的平衡相。將表1中的典型化學成分作為JMatPro軟件的輸入條件，通過調整合金中析出相形成元素的含量(當某一元素含量改變時，其他元素成分均采用典型化學成分值)，得到可能析出的平衡相。

表1 0Cr20Ni65Ti3AlNb合金的化學成分(%, 質量分數(shù))

2 結果與分析

2.1 合金的熱力學平衡相圖

0Cr20Ni65Ti3AlNb合金的熱力學平衡相圖見圖1，從圖1可以看出，隨溫度的降低，合金的主要平衡析出相有γ相、γ′相、碳化物相(MC型、M23C6型)和η相。合金的初熔溫度為1312 ℃，終熔溫度為1377.5 ℃，凝固溫度范圍為65.5 ℃。γ′相的開始析出溫度為913.5 ℃，MC型碳化物相的析出溫度范圍為809～1314 ℃，M23C6型碳化物相在831 ℃以下析出，而在924 ℃以下有η相析出。表2為各相開始析出溫度下的平衡成分。由表2可知，γ相富集Ni、Cr、Fe元素，并含有少量的Al、Ti、Nb等元素；γ′相富集Ni、Al、Ti、Nb元素，并含有少量的Cr、Fe等元素；MC型碳化物相富集C、Nb、Ti元素，并含有少量的Cr元素；M23C6型碳化物相富集C、Cr、Nb、Ni元素，并含有少量Fe等元素；η相富集Ni、Nb、Ti元素，并含有少量的Cr、Fe、Al元素。

2.2 合金凝固過程元素再分配規(guī)律

利用JMatPro軟件中Schell-Gulliver模型，研究了0Cr20Ni65Ti3AlNb合金非平衡凝固過程元素再分配規(guī)律，見圖2，可以看出，凝固初期，液相中Nb的質量分數(shù)為0.95%，Ti的質量分數(shù)為2.5%；凝固末期，液相中Nb的質量分數(shù)增加到10.26%，Ti的質量分數(shù)增加到8.275%。Nb、Ti元素隨著凝固進行，在液相中含量迅速增加，偏聚在枝晶間，出現(xiàn)正偏析現(xiàn)象。而Cr、Fe、Al元素隨著凝固進行，在液相中的含量逐漸降低，偏聚在枝晶干，出現(xiàn)負偏析現(xiàn)象。C元素隨液相含量減少，呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，分析認為與凝固過程析出MC型碳化物有關。

(a)平衡相圖 (b)局部放大圖圖1 0Cr20Ni65Ti3AlNb合金的熱力學平衡相圖Fig.1 Thermodynamic equilibrium phase diagram of 0Cr20Ni65Ti3AlNb alloy

表2 0Cr20Ni65Ti3AlNb合金各相開始析出溫度下的平衡成分(%, 質量分數(shù))

(a)分配圖 (b)局部放大圖圖2 合金凝固過程中元素再分配規(guī)律Fig.2 Regular of alloy element redistribution during solidification

2.3 合金元素對初、終熔點的影響

合金的初、終熔點溫度影響合金的偏析程度，是制定合金均勻化退火工藝的重要參數(shù)，若均勻化退火溫度超過合金的初熔點會造成合金錠的過燒，因此，均勻化退火溫度應低于合金的初熔點溫度[3,4]。0Cr20Ni65Ti3AlNb合金中Nb和Ti元素在凝固末期的液相中含量高，偏析在最后凝固區(qū)域，對凝固溫度有較大影響。因此，有必要對0Cr20Ni65Ti3AlNb合金的初、終熔點隨Nb、Ti元素含量的變化規(guī)律進行研究。Nb、Ti元素含量對0Cr20Ni65Ti3AlNb合金初、終熔點的影響見圖3，可以看出，當Nb的質量分數(shù)從0.7%增加到1.2%時，合金的初熔點由1317 ℃下降到1307 ℃，終熔點由1380 ℃下降到1375 ℃；當Ti的質量分數(shù)從2.25%增加到2.75%時，合金的初熔點由1315 ℃下降到1309 ℃，終熔點由1381 ℃下降到1374 ℃。

(a)Nb (b)Ti圖3 Nb、Ti元素含量對0Cr20Ni65Ti3AlNb合金初、終熔點的影響Fig.3 Effects of Nb and Ti concent on initial and final melting point

2.4 合金元素對γ′相的影響

γ′相是0Cr20Ni65Ti3AlNb合金中主要強化相，由表2可知，Al、Ti、Nb元素含量影響γ′相析出行為，圖4為Al、Ti、Nb元素含量變化對γ′相開始析出溫度和650℃析出量影響的關系曲線。由圖4(a)可知，當Al含量由0.4%增加到1.0%時，γ′相開始析出溫度從785 ℃升高到950 ℃，650 ℃時析出量由6.7%增加到21.5%；由圖4(b)可知，當Ti含量由2.25%增加到2.75%時，γ′相開始析出溫度從906 ℃升高到912.5 ℃，650 ℃時析出量由15.4%下降到15.15%；由圖4(c)可知，當Nb含量由0.7%增加到1.2%時，γ′相開始析出溫度從908 ℃升高到918 ℃，650 ℃時析出量由14.55%增加到16.1%。說明三種元素對γ′相析出行為影響由強到弱依次為：Al>Nb>Ti。考慮三種元素綜合作用對γ′相析出規(guī)律影響，結果見圖4(d)，當Al、Nb、Ti含量分別從0.4%、0.7%、2.25%增加到1.0%、1.2%、2.75%，γ′相開始析出溫度從780 ℃升高到960 ℃，650 ℃時析出量由8%增加到24.6%，因此，在成分設計時必須考慮Al、Nb、Ti含量對合金熱處理工藝和力學性能影響。

(a)Al (b)Ti

(c)Nb (d)Al、Ti、Nb三者同時改變圖4 合金元素對γ′相析出溫度和析出量的影響Fig.4 Effects of alloy elements on precipitation temperature and amount ofγ′ phase

2.5 合金元素對MC型碳化物相的影響

圖5為C、Ti、Nb元素與MC型碳化物相開始析出溫度和650 ℃時析出量的關系曲線，由圖5(a)可知，當C含量從0.03%增加到0.10%時，MC型碳化物相的最大析出量從0.21%增加到0.68%，析出溫度范圍從818～1260 ℃擴大到800～1322 ℃。由圖5(b)可知，當Ti含量從2.25%增加到2.75%時，MC型碳化物相析出溫度變化范圍不大，開始析出溫度都是1316 ℃，終止析出溫度從799 ℃升高到810 ℃。最大析出量從0.35%小幅度下降到0.34%，在1000 ℃以上時，MC型碳化物相析出量差值逐漸增大。由圖5(c)可知，當Nb含量從0.7%增加到1.2%時，MC型碳化物相開始析出溫度不變，終止析出溫度從826 ℃下降到800 ℃，MC型碳化物相的最大析出量從0.32%增加到0.37%，且析出量差值隨Nb含量增加逐漸減小。綜上分析，C含量對MC型碳化物相析出溫度和析出量影響最大，Nb含量次之，Ti含量影響最小。

2.6 合金元素對M23C6型碳化物相的影響

圖6為C和Cr元素對M23C6型碳化物相開始析出溫度和650 ℃時析出量的影響，由圖6(a)可知，隨著C含量從0.03%增加到0.10%，M23C6型碳化物相開始析出溫度從827 ℃升高到838 ℃，650 ℃時析出量從0.53%增加到1.58%，由圖6(b)可知，隨著Cr含量從19%增加到21%，M23C6型碳化物相開始析出溫度從812 ℃升高到848 ℃，650 ℃時析出量變化不大，維持在0.88%。綜上可得，C含量對M23C6型碳化物相析出溫度和析出量起決定作用。

(a)C (b)Ti (c)Nb圖5 合金元素對MC相析出溫度和析出量的影響Fig.5 Effects of alloy elements on precipitation temperature and amount ofMC phase

(a)C (b)Cr圖6 合金元素對M23C6相析出溫度和析出量的影響Fig.6 Effects of alloy elements on precipitation temperature and amount of M23C6 phase

2.7 合金元素對η相的影響

圖7為Nb和Ti元素對η相開始析出溫度和650 ℃時析出量的影響，由圖7(a)可知，隨著Nb含量從0.7%增加到1.2%，η相開始析出溫度從917 ℃升高到930 ℃, 650 ℃時析出量從3.27%小幅增加到3.3%，由圖7(b)可知，隨著Ti含量從2.25%增加到2.75%，η相開始析出溫度從879 ℃升高到944 ℃, 650℃時析出量從1.84%增加到4.75%，由此可見，η相析出溫度和析出量主要受Ti含量影響。過多的η相會影響合金的機械性能，因此，在成分設計過程中需合理控制合金的Ti含量。

(a)Nb (b)Ti圖7 合金元素對η相析出溫度和析出量的影響Fig.7 Effects of alloy elements on precipitation temperature and amount of η phase

3 結論

(1)0Cr20Ni65Ti3AlNb合金的主要平衡析出相有γ相、γ′相、碳化物相(MC型、M23C6型)和η相；合金非平衡凝固過程中Nb、Ti元素偏析比較嚴重，會降低合金的初、終熔點。

(2)Al元素含量對γ′相開始析出溫度和650 ℃時析出量影響最大；對γ′相析出行為影響由強到弱依次為：Al>Nb>Ti；三種元素共同作用影響γ′相的析出行為。

(3)C含量對MC、M23C6型碳化物相開始析出溫度和析出量起決定作用。

(4)η相的開始析出溫度和析出量主要受Ti含量影響，過多的η相析出會影響合金的機械性能，因此，在成分設計過程中需合理控制合金的Ti含量。