GH105合金, 英国牌号为Nimonic105, 是美国760-USC计划和欧盟AD700计划推荐的叶片用候选材料之一^[1-2], 950 ℃内具有高抗氧化性和高抗蠕变性^[1]。GH105合金属于时效强化型镍基变形高温合金^[3], 通过时效过程中析出的γ′相的沉淀强化以及Cr和Mo进行固溶强化^[4]。GH105合金主要在涡轮叶片、涡轮盘、环形件、螺栓及紧固件的制作上起重要作用^[5]。目前国内外对GH105合金的研究并未形成一个完整的体系, 更多专注于其力学性能和热处理工艺的研究, 对合金成分的研究较少。NEMBACH等^[6]研究了GH105合金在高温下屈服强度降低的机理。梅声勇等^[4]对GH105合金铸锭元素偏析和均匀化工艺进行了研究。王鲁等^[7]对GH105合金的热处理工艺优化进行了研究。裴玉冰等^[3]对GH105合金中Al, Ti, C, Cr, Mo 5种元素对γ′相、σ相、M₂₃C₆相和μ相的影响进行了研究。

GH105合金的化学成分如表 1所示^[8]。从表 1中可以看到, GH105合金中C含量较高。较高的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温抗拉强度和高温塑性, 但数量过多会降低合金的冲击韧性^{[1, 3]}, 晶内析出的碳化物相起到了沉淀强化的作用。Al, Ti含量总和较高, 使得合金中γ′相的固溶温度和体积分数大大提高, 且Ti与Al的质量比m(Ti)：m(Al)较低, 使得合金在具有优良的综合性能的同时能够在较高的温度下使用^[5]。Co, Mo主要以固溶的形式存在于基体中, 起到固溶强化的作用。微量B和Zr, 增强了合金的组织稳定性和抗蠕变性能^[5]。另外, Cr除发挥其固溶强化以及时效强化作用外, 同时还提高了合金的抗腐蚀性能。

GH105合金在600~1 600 ℃时, 主要析出相有γ相、γ′相、MC相、M₂₃C₆相、μ相以及σ相。γ相为基体相, 它能保证大量合金元素的溶入, 从而起到固溶强化的作用。时效过程中, 碳化物和γ′相从基体中析出, 从而保证合金具有良好的力学性能、抗氧化和抗腐蚀能力等。γ′相是合金的主要沉淀强化相, γ′相数量越多, 强化效果越好, 但温度达到777 ℃时, 会因位错的热激活而降低合金的屈服强度, 从而使γ′相的强化程度大大减弱^[6]。MC相为合金中另一重要的沉淀强化相, 它一般在晶内呈大块状析出, 主要为Ti, Zr等元素组成的碳化物, 强化作用显著。M₂₃C₆相形状不同, 对合金的力学性能产生的影响不同^[3]。时效后呈块状或者颗粒状的M₂₃C₆相能够起到晶界强化和沉淀强化的作用, 但如果在晶界处析出的M₂₃C₆相过多, 则会导致其在晶界处连成脆性薄膜, 降低合金的冲击韧性, 也会导致裂纹在此处增生扩展^{[1, 3, 7, 9-10]}。为了保证合金具有良好的力学性能, 需控制M₂₃C₆相的含量。μ相在合金中以颗粒状、棒状、片状或针状的形态存在, 是裂纹形核和扩展的通道, 其中针状的μ相会降低合金的室温塑性^[5]。由于μ相会阻碍位错运动, 所以它会降低合金的持久性能^[11]。μ相在晶界和晶内的析出, 使基体中固溶元素缺乏, 从而导致固溶强化和沉淀强化效果减弱, 影响合金的力学性能。合金中少量Fe的存在也会促进μ相的形成^[12]。Cr, Mo, W会大量溶入σ相中, 同样削弱固溶强化作用, 降低合金的力学性能^{[3, 13-16]}。

本文研究了GH105合金中C, Cr, Co, Mo, Zr和B对MC相、M₂₃C₆相、M₃B₂相、μ相和σ相的析出量和析出温度的影响, 以及Al, Ti含量及m(Al)：m(Ti)的值对γ′相的析出量和析出温度的影响。

1 计算方法

利用热力学软件Thermo-Calc以及JMatPro中的镍基高温合金数据库, 通过设置热力学条件, 对GH105合金中各元素含量对析出相的影响进行热力学模拟计算。计算GH105合金的热力学相图时, 运用Thermo-Calc软件, 取表 1中各元素含量的中值, 如表 2所示。此处忽略了P, S, Ag, Bi, Pb 5种元素。考虑C, Cr, Co, Mo, Zr为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对γ′相的形成起着重要作用, 还有增强合金组织稳定性和抗蠕变性能的微量元素B, 于是利用JMatPro软件通过改变其中一种元素的含量而保持其他元素含量不变, 按表 2所示的状况, 计算不同含量的不同合金元素对GH105合金析出相的量及析出温度的影响。这项工作的意义在于能够结合析出相对合金性能的影响, 通过微调合金成分, 来制定合适的热处理制度。

2 计算结果及分析 2.1 GH105合金相图计算

运用Thermo-Calc软件计算GH105合金在600~1 600 ℃的相图, 结果如图 1所示。

由图 1可以得到以下结果:γ相、σ相、M₂₃C₆相、MC相、M₃B₂相、μ相和γ′相的析出温度分别为1 362, 669, 1 136, 1 334, 1 290, 806和1 056 ℃, 液相开始出现的温度为1 289 ℃, MC相在固液共存时就已析出。

2.2 不同元素含量对析出相的影响 2.2.1 C含量对析出相的影响

C的质量分数为0.13%~0.17%时, 对GH105合金析出相析出量和析出温度的影响如图 2所示。由图 2(a)可知, M₃B₂相的析出量和析出温度基本未发生变化, 5条曲线基本重合; 由图 2(b)可知, M₂₃C₆相的析出量和析出温度均随着C含量的增加而增加; 由图 2(c)可知, MC相的析出量随着C含量的增加而增加, 但析出温度未发生明显变化; 由图 2(d)可知, μ相的析出量在约700 ℃以下随着C含量的增加而增加, 但在700 ℃以上则呈现出随C含量的增加而减少的趋势, μ相的析出温度随着C含量的增加而降低, 但变化范围局限在10 ℃以内; 由图 2(e)可知, σ相的析出量和析出温度均随着C含量的增加而降低。据此可以得出以下结论:C含量的变化对M₂₃C₆相, μ相和σ相的析出量和析出温度都有影响, 只影响MC相的析出量, 对M₃B₂相的析出量和析出温度都无影响。

2.2.2 Cr含量对析出相的影响

Cr的质量分数为14.1%~15.6%时, 对GH105合金析出相的析出量和析出温度的影响如图 3所示。由图 3(a)可知, M₃B₂相的析出量和析出温度基本未发生变化, 6条曲线基本重合; 由图 3(b)可知, M₂₃C₆相的析出量和析出温度均随着Cr含量的增加而增加, 但变化范围不大, 析出量的差别在温度高于1 050 ℃才开始显现, 析出温差约为30 ℃; 由图 3(c)可知, MC相的析出量随着Cr含量的增加而降低, 尤其在1 050~1 150 ℃时, 但析出温度未发生明显变化; 由图 3(d)可知, μ相的析出量在640 ℃以下随着Cr含量的增加而减少, 但在790 ℃以上则呈现出随Cr含量的增加而增加的趋势, 640~790 ℃为过渡区, μ相的析出温度随着Cr含量的增加而升高, 但变化范围局限在20 ℃以内; 由图 3(e)可知, Cr含量的增加可以提高σ相的析出量和析出温度。据此可以得出以下结论:Cr含量的变化对M₂₃C₆相, μ相和σ相的析出量和析出温度都有影响, 只影响MC相的析出量, 对M₃B₂相的析出量和析出温度都无影响。

2.2.3 Co含量对析出相的影响

Co的质量分数为18%~22%时, 对GH105合金析出相的析出量和析出温度的影响如图 4所示。由图 4(a)可知, M₃B₂相的析出量和析出温度基本未发生变化, 5条曲线基本重合; 由图 4(b)可知, M₂₃C₆相的析出量和析出温度均随着Co含量的增加而减少, 但析出量的差别到温度高于1 000 ℃才开始较为明显地显露出来, 析出温度的变化范围较Cr的影响大, 达到50 ℃; 由图 4(c)可知, MC相的析出量随着Co含量的增加而增加, 尤其在1 050~1 150 ℃时, 但析出温度未发生明显变化; 由图 4(d)可知, μ相的析出量随着Co含量的增加而增加, 析出温度也有同样的规律, 但两者的变化范围均不大; 由图 4(e)可知, σ相的析出量和析出温度均随着Co含量的增加而增加。据此可以得出以下结论:Co含量的变化对M₂₃C₆相, μ相和σ相的析出量和析出温度都有影响, 只影响MC相的析出量; 对M₃B₂相的析出量和析出温度都无影响。

2.2.4 Mo含量对析出相的影响

Mo的质量分数为4.5%~5.5%时, 对GH105合金析出相的析出量和析出温度的影响如图 5所示。由图 5(a)可知, 在1 100~1 300 ℃时, M₃B₂相的析出量随着Mo含量的增加而略微增加, M₃B₂相的析出温度则基本保持不变; 由图 5(b)可知, 在1 050 ℃左右, M₂₃C₆相的析出量随着Mo含量的增加而略微增加, 析出温度未发生明显变化; 由图 5(c)可知, MC相的析出量和析出温度均未发生明显变化; 由图 5(d)可知, μ相的析出量随着Mo含量的增加而增加, μ相的析出温度也有同样的规律; 由图 5(e)可知, σ相的析出量和析出温度均随着Mo含量的增加而增加。需要指出, Mo的质量分数为4.7%时, 无论按照温度从高到低还是从低到高计算, 得到的相图均会出现不符合理论的弯折, 所以未将此浓度下的计算结果放入此次统计中。据此可以得出以下结论:Mo含量的变化对μ相、σ相的析出量和析出温度都有影响, 对M₃B₂相和M₂₃C₆相来说只影响其析出量, 对MC相的析出量和析出温度都无影响。

2.2.5 B含量对析出相的影响

B的质量分数为0.003%~0.009%时, 对GH105合金析出相的析出量和析出温度的影响如图 6所示。由图 6(a)可知, M₃B₂相的析出量随着B含量的增加而增加, 析出温度则基本保持不变; 由图 6(b)可知, 4条曲线基本重合, 即M₂₃C₆相的析出量和析出温度都不发生变化; 由图 6(c)可知, 在1 250~1 300 ℃时, MC相的析出量随着B含量的增加而出现略微下降, 在其他温度保持不变, MC相的析出温度也并未发生明显变化; 由图 6(d)可知, μ相的析出量随着B含量的增加而减少, μ相的析出温度也有同样的规律, 但两者的变化范围都局限在很小的范围内; 由图 6(e)可知, σ相的析出量和析出温度均未发生变化。据此可以得出以下结论:B含量的变化只对μ相的析出量和析出温度有略微影响, 对M₃B₂相, MC相来说只影响其析出量, 对M₂₃C₆相和σ相的析出量和析出温度都无影响。

2.2.6 Zr含量对析出相的影响

Zr的质量分数为0.07%~0.15%时, 对GH105合金析出相的析出量和析出温度的影响如图 7所示。由图 7(a)可知, M₃B₂相的析出量保持不变, 析出温度随着Zr含量的增加出现略微降低; 由图 7(b)可知, M₂₃C₆相的析出量和析出温度都随着Zr含量的增加而减少; 由图 7(c)可知, 在温度低于1 250 ℃时, MC相的析出量随着Zr含量的增加而增加, MC相的析出温度未发生明显变化; 由图 7(d)可知, 在温度低于690 ℃时, μ相的析出量随着Zr含量的增加而减少, 在温度高于690 ℃时, 随着Zr含量的增加而增加, 但变化的幅度都不明显, μ相的析出温度随着Zr含量的增加而升高, 但是变化范围不大; 由图 7(e)可知, 随着Zr含量的增加, σ相的析出量增大, 析出温度升高。据此可以得出以下结论:Zr含量的变化对M₂₃C₆相、μ相和σ相的析出量和析出温度都有影响, 只影响MC相的析出量, 对M₃B₂相则只影响其析出温度。

2.2.7 Al, Ti含量对γ′的影响

Al, Ti含量对GH105合金γ′相的析出量和析出温度的影响如图 8所示。由图 8(a)可知, Al的质量分数在4.5%~4.9%时, γ′相的析出量随着Al含量的增加而增加, γ′相的析出温度也随着Al含量的增加而增加。由图 8(b)可知, Ti的质量分数在1.18%~1.50%时, γ′相的析出量随着Ti含量的增加而增加, γ′相的析出温度基本未发生变化。由于Al, Ti含量相差较大, 且在较大的范围内变化, 所以对m(Al)：m(Ti)的值对γ′相析出量和析出温度的影响进行了探究, 结果如图 8(c)所示。选取3个比值, 分别为m(Al)：m(Ti)=4.15：1, m(Al)：m(Ti)=3.5：1, m(Al)：m(Ti)=3：1, 保证Al, Ti被选取的浓度均在所允许范围的边界和中值, 可以知道, 在900 ℃以下和1 000 ℃以上时, γ′相的析出量随着m(Al)：m(Ti)的值的增加而增加, 在900~1 000 ℃, 3条曲线基本重合, 即在此温度范围内, m(Al)：m(Ti)的值对γ′相析出量没有影响, γ′相的析出温度随着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)对各相析出量和析出温度的影响。

3 讨论

通过Thermo-Calc软件以及JMatPro软件的计算结果可知, C对M₂₃C₆相, MC相和σ相的影响较为显著, 不仅提高了M₂₃C₆相和MC相的析出量, 提高了M₂₃C₆相的析出温度, 也降低了σ相的析出量和析出温度, 在700 ℃以上降低了μ相的析出量和析出温度。因此, 要使合金有足够强度的同时保证其塑韧性, 就需要选择适当的C含量。Cr, Co, Zr对M₂₃C₆相, MC相, σ相以及μ相均有影响。其中Cr可以提高M₂₃C₆相和σ相的析出量和析出温度, 降低MC相的析出量, 790 ℃以上提高μ相的析出量和析出温度。Co可以降低M₂₃C₆相的析出量和析出温度, 提高MC相的析出量和σ相, μ相的析出量和析出温度。Zr可以降低M₂₃C₆相的析出量和析出温度, 提高σ相的析出量和析出温度, 1 250 ℃以下提高MC相的析出量, 690 ℃以上略微提高μ相的析出量和析出温度。Mo主要对σ相和μ相有显著影响, Mo含量的增加可以提高σ相和μ相的析出量和析出温度, 由于σ相过多会降低合金塑性和冲击韧性, 容易产生裂纹, 针状的μ相会降低合金的室温塑性, 所以在进行合金成分设计改良时需严格控制Mo的含量。B主要提高M₃B₂相的析出量, 对合金的组织稳定性和抗蠕变性能有一定的影响。Al, Ti均能提高γ′相的析出量, 但Al还能提高γ′相的析出温度, 而Ti则对γ′相的影响不大, 在1 000 ℃以上, 900 ℃以下时m(Al)：m(Ti)的增加, 能够提高γ′相的析出量和析出温度, 由于γ′相是合金中的主要沉淀强化相, 在综合考虑合金的服役条件和γ′相的影响后, 可以通过调整Al, Ti的含量使合金的强化效果达到预期。综上所述, 在优化改良合金成分过程中, 通过调整合金中各个元素的含量, 可使有害相和有利相的析出达到一个较优平衡, 从而保证合金具有更优良的力学性能匹配。

4 结论

(1) C, Cr, Co, Zr对M₂₃C₆相和σ相的析出量和析出温度影响明显。其中Co, Zr含量的增加降低了M₂₃C₆相的析出量和析出温度, 提高了σ相的析出量和析出温度。C含量的增加提高了M₂₃C₆相的析出量和析出温度, 降低了σ相的析出量和析出温度。Cr含量的增加提高了M₂₃C₆相和σ相的析出量和析出温度。Mo显著提高了σ相的析出量和析出温度。

(2) MC相的析出量主要受C, Cr, Co 3种元素的影响, 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相的析出温度不受C, Cr, Co的影响。

(3) B主要影响M₃B₂相的析出, B含量的增加, 提高了M₃B₂相的析出量, 但对M₃B₂相的析出温度无影响。

(4) μ相的析出量和析出温度受C, Cr, Co, Mo的影响。其中Co, Mo含量的增加提高了μ相的析出量和析出温度。C, Cr含量的增加会导致在μ相的析出过程中出现过渡区, 对μ相的析出温度来说, C含量的增加能够降低析出温度, Cr则提高μ相的析出温度。

(5) Al含量的增加提高了γ′相的析出量和析出温度, Ti含量的增加提高了γ′相的析出量而不影响其析出温度, γ′相的析出量和析出温度也受到m(Al)：m(Ti)值的影响, 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 ℃为过渡区, 没有影响, m(Al)：m(Ti)的增加也提高了γ′相的析出温度。