高温合金强化机理（变形高温合金中的强化相是啥）

高温合金按照工艺不同，分为变形高温合金、铸造高温合金与粉末高温合金三类，而变形高温合金是其中用量最大的一类金属材料。按照强化方式不同，变形高温合金可以分为固溶强化合金与时效强化合金两类。固溶强化就是通过添加一些高熔点的强化元素如W、Mo、Nb、Ta、Cr等，这些元素在合金的熔化状态时，溶入到基体中，通过改变金属基体的原子分布状态及原子间结合力，使合金强度得到提高。

典型牌号如GH3030、GH3128、GH3536、GH1015、GH1140等，该类合金化学成分上的主要特点是Al、Ti元素含量相对较少一些。而时效强化合金主要是通过过饱和的合金固溶体中析出弥散的第二相（即强化相）来提高金属基体的强度，该类合金中时效强化元素主要是Al、Ti等，典型合金牌号包括GH4169、GH4738、GH4720Li、GH4742、GH4141等。图1显示的是高温合金中的部分强化元素。

时效强化变形高温合金保持高温性能的关键是具有高温下性能不降低的强化相，这也是高温合金与其它金属材料的主要区别之一，强化相种类包括γ′、γ″，以及个别合金牌号中的比较少见强化相如GH2907合金中的ε相等。本文简要介绍变形高温合金中的主要强化相γ′相、γ″相和碳化物相及其在合金中的作用。

一、γ′强化相

γ′相主要化学成分为Ni3（Al，Ti），是高温合金中的主要强化相，具有长程有序的面心立方结构，是A3B型金属间化合物。其中，时效强化元素Al原子位于角上，Ni原子位于面心处，其晶格常数与γ基体相近，一般相差小于1%。图1显示的是一种镍基变形高温合金中的强化相的形貌。

强化相γ′能够强化高温合金基体的根本原因是γ′增加了合金的变形阻力，但是γ′的强化作用也与其体积百分数、尺寸大小、形状等有关。一般来讲，γ′的体积百分数越大，合金的强度越高，并且尺寸细小的γ′相有助于提高合金强度。其中，γ′的形状与γ-γ′错配度有关，一般情况下，错配度小于0～0.2%时呈球形，错配度为0.5%～1%时呈立方体形，错配度大于1.25%时则呈片状。对γ′相的时效析出过程和特点的研究表明，在一定温度和时间条件下，γ′相优先在位错上形核。

而在另一些条件下，γ′相又可以均匀形核。因此，在一些合金牌号的某些状态下，能够看到γ′不均匀分布，而在另—些合金中又可以观察到γ′的均匀分布，甚至在同一牌号合金的不同区域（如枝晶干和枝晶间），也可看到不同分布的γ′相。图3中显示的是腐蚀后的典型高温合金微观组织中的基体相和γ′强化相的形貌及其晶体结构，图中白色网状为基体合金，而网状中间的黑色块状为γ′强化相。

γ′相地析出速度与合金的过饱和度有关，在过饱和度低的合金中，γ′相开始析出较慢，需要较长时间才能充分析出；在过饱和度高的合金中，γ′相则比较容易充分析出，甚至在冷却过程中就有大量析出。时效温度不同，析出的γ′相的尺寸不同。γ′相还具有高温回溶和低温再析出的特点，因此，可以利用不同温度下多次时效来获得尺寸不同的γ′相，以改善或提高合金的综合性能。

二、γ″

强化相γ″的成分及组成为Ni3（Nb、Al，Ti），为体心正方结构，是面心立方的δ相（Ni3Nb）的过渡相，γ′相和γ″相总是在γ基体上共格析出。γ″相是GH4169中重要强化相。γ″相的强化特点是能获得很高的屈服强度（约1275MPa），这是因为γ和γ″相之间的点阵错配度较大，共格应力强化作用显著。同时，γ同γ″的有序方式不同，也影响其强化效果。但是γ″是亚稳定相，在高温长期作用下，很容易聚集长大，并且通过晶界胞状反应和晶内反应两种途径，发生γ″相（Ni3Nb）向δ相（Ni3Nb）的转变。在GH4169合金中，γ''相最高稳定温度650℃，开始固溶温度840℃～870℃，完全固溶温度950℃，这也是GH4169合金最高使用温度限制在650℃的主要原因。

三、碳化物

变形高温合金中碳化物主要包括MC、M6C、M23C6，M7C3四类，对高温持久强度起重要的作用。根据形成条件，可分为初生碳化物和次生碳化物，即凝固时形成的和固溶后析出的两种。碳化物形态不但影响合金的塑性，而且碳化物通过反应元素的作用也影响基体化学稳定性。MC型碳化物在高温合金中分布不均匀，在晶内或在晶界，是在熔炼过程中形成的单一碳化物，通常是TiC。但Ti能被Ta、Zr、Nb、Mo、W、Ni和Cr所代替，其形成次序是TaC、NbC、ZrC、TiC、VC；M6C碳化物是一种复杂的立方结构，其存在温度范围为760~1150℃，870~1100℃析出较多，主要存在晶界；生成M6C的反应式为：MC γ→M6C γ′。M23C6一般在Cr含量大于5%的合金中形成，它是一种复杂的立方结构，存在温度范围760~1100℃，一般在870~980℃析出量最多，通常存在晶界处，是MC碳化物退化反应和由残留在基体中的可溶碳形成的；生成M23C6的反应式为：MC γ → M23C6 γ′。

这种碳化物反应在晶界上产生的M23C和γ′对合金的性能有重要作用，碳化物阻碍晶界滑移，围绕着碳化物的γ′高温较软，使晶界处于塑性状态，在高温蠕变作用下，晶界区域发生一定程度的应力松弛，避免应力过度集中，而且晶界上的γ′也可防止有害的细胞状M23C6的形成；M7C3碳化物是在Al、Ti含量较低的合金中发现的，在热处理或铸造时形成，M大部分是Cr，该类碳化物不稳定，时效或在600~800℃使用过程中转变为M23C6。

此外，变形高温合金中还有一些有害相，如TCP相、σ相、μ相、Laves相等。高温合金中的laves相多为MgZn2型，高温时效时析出的Laves相的形态为短棒状和竹叶状，低温时效可析出细小颗粒状Laves相，晶界上析出的Iaves相常呈薄片状。σ相的金相形态一般为颗粒状和片（针）状。在变形高温合金中有害相虽然属于微量相，但一旦生成，很容易长大，不但消耗较多的合金元素，还可能长成薄片状和长条状，使合金力学性能降低。

总之，变形高温合金材料通过热处理正是由于析出了大量有益的强化相，避免了有害相过量生成，才使合金材料高温下长时间能够保持良好的力学性能，满足使用要求。