高溫合金材料的間隙相

時間：2013-04-15 14:06:45 來源：作者：

金屬原子多為密排結構，原子半徑小的碳、氮、硼等原子處于金屬原子構成間隙位置的高溫合金第二相。這類間隙相的共同特點是具有高熔點、高硬度、高脆性，同時又具有某些金屬特性。

分類按晶體結構又可分成3類：(1)具有簡單密排結構，間隙原子碳或氮都處于八面體間隙位置，所以亦稱八面體間隙化合物。面心立方和密排六方結構的碳化物和全部氮化物屬于此類。(2)也具有密排結構，但八面體間隙太小，間隙原子碳只能處于三棱形間隙位置，又稱為非八面體間隙化合物，如M₃C、M₇C₃等。(3)具有復雜結構，金屬原子高度密排，碳原子處于間隙位置，如M₂₃C₆、M₆C等，亦稱為半碳化物，硼化物多數具有復雜結構。尺寸因素是決定間隙相晶體結構的基本因素。當間隙原子半徑(r₁)與過渡族金屬原子半徑(r_M)之比小于0.59時，形成簡單密排結構。當r₁／r_M>0.59時，形成復雜密排結構。由于氮原子與過渡族金屬原子的半徑比均小于0.59，氮化物基本上具有簡單密排結構。碳化物的晶體結構具有周期關系，ⅣB、vB族元素如鈦、鋯、鉿、釩、鈮、鉭的原子半徑較大，易形成簡單密排結構，而ⅥB、ⅦB、Ⅶ族元素如鉻、錳、鐵、鎳則形成復雜密排結構。高溫合金中八面體間隙化合物、半碳化物和硼化物比較常見，而非八面體間隙化-合物比較少見。

MC和MN 這類相的金屬原子(M)多為密排結構，碳(c)、氮(N)原子處于八面體間隙位置。這類相的成分范圍較寬，不但金屬原子可以互相取代，而且非金屬原子碳、氮、硼等也可以互相部分取代。高溫合金中常見的MC型碳化物有TiC、NbC、TaC、Vc、HfC以及相應的氮化物，它們多半互相固溶，Mc中還能固溶鎢、鉬、鉻等元素。MC和MN多次相，即從液態合金中生成，但也可以時效析出。在液態合金中生成的MN往往以氧化物細質點為核心，而MN本身又可以一次MC的核心。TiN通常呈金黃色多邊形塊狀。TiC為灰色不規則顆粒。Ti(C，N)的顏色隨碳、氮含量不同而變。-次Mc的鑄態形態與冷卻速度有關，快速凝固時Mc為分散的塊狀或條狀；慢速凝固時為骨架狀或樹枝狀，多分布在枝晶間。-次MC經過熱加工以后往往變成沿加工方向分布的帶狀組織。時效析出的二次MC比較細小，通常傾向在晶內層錯處析出，也可沿位錯線析出。這種細小而穩定的MC有很大的硬化作用。MC若沿晶界呈薄膜狀析出將帶來脆性。鐵基高溫合金形成MC的傾向較大，穩定性也較高，只有經過高溫固溶處理才能部分溶解，再經時效析出二次MC或其他碳化物，長期時效中也沒有發現MC的蛻化轉變。鎳基高溫合金中的碳化物往往不是單-的MC相，其穩定性也差-些，長期時效過程中將發生碳化物轉變反應，可以用下列反應式表示：

式(1)表示通常奧氏體基體(γ)析出二次碳化物的反應。式(2)～(5)表示鎳基高溫合金中的MC蛻化反應。鈷基高溫合金沒有γ’相，Mc的蛻化反應按(6)式進行。

M₇C₃為斜方結構，金相形態為顆粒狀。這種碳化物只在鉻／碳比較低或含碳化物形成元素低的合金中出現，例如GH4033合金(中國)、x-40合金(美國)等。金屬原子M主要是鉻。鎳基高溫合金中M₇C₃相傾向高溫析出，在以后的時效過程中會發生轉變，逐步成為穩定的M₂₃C₆相。

M₂₃C₆具有復雜面心立方結構，單位晶胞有92個金屬原子，24個碳原子。金屬原子M主要是鉻，也可以溶解鐵、鈷、鎳、鎢和鉬等。Mzsce的析出溫度范圍為650～110℃，析出峰在850～950℃之間。M₂₃C₆傾向在晶體缺陷上形核，高溫時效析出常呈晶界鏈狀分布，低溫時效時除在晶界和非共格雙晶界形核外，還常常在共格雙晶界和位錯上形核，通常也在Mc或MN周圍析出顆粒狀。時效析出的M₂₃C₆，初期為小片狀，與母體有共格或半共格關系，長大后為片狀、針狀或顆粒狀，有時為胞狀。晶界鏈狀M₂₃C₆起阻礙晶界滑動作用，提高持久強度。晶界胞狀M₂₃C₆使合金脆化。晶內普遍析出的細小M₂₃C₆。質點可以起強化作用。當合金含鎢、鉬量較高時，可以發生M₂₃C₆向M₆C轉變，反應式為：

M₂₃C₆+M→M₆C+γ(貧化)

由于M₂₃C₆與。相的組成和晶體結構相似，σ相常常在M₂₃C₆上形核。

MeC為復雜面心立方結構，單位晶胞有96個金屬原子，16個碳原子。金屬原子由大小兩種原子組成，大原子為鎢、鉬，小原子為鐵、鈷、鎳。鈮、鉭也能形成M₆C，分子式分別為Nb₃(cr，Al)_3^C和Ta₃(Cr，Al)_{3^{C .}}M₆C一般比M₂₃C₆穩定，析出溫度約為750～1150℃，析出峰在900～1050℃左右。某些合金還存在-次M₆C。M₆C的金相形態為晶界鏈狀，有時為片、針狀，甚至魏氏組織。晶界鏈狀分布的MM₆C能提高持久強度，針狀或魏氏組織形態會降低塑性。由于M₆C與肛相成分和結構相似，存在M₆C有利于析出扯相，但當M₆C和 M₂₃C₆共存時，也會析出σ相。

硼化物高溫合金中主要是M₃B₂型，為四方結構。金屬原子M由兩類元素組成，一類為大原子元素如鈦、鉬、鋁等，用M’表示；另-類為小原子元素如鐵、鈷、鎳、鉻等，用M"表示。M₃B₂的分子式可以寫成M’₂M"B₂或M’M"₂B₂。合金中加入的微量硼在晶界偏聚，可以提高強度和塑性。當硼加入量較多，就會形成硼化物，鑄態為骨架狀共晶，加工變形后分布在晶界和晶內。晶界顆粒狀硼化物也有強化晶界作用，如果熱處理時沿晶界析出二次硼化物薄膜，將引起脆性。