在合金中当溶质原子以固溶形式溶入基体中,使合金发生强化,称为固溶强化.固溶强化又可按溶质原子在基体中的分布状况分成均匀强化和非均匀强化,前者指溶质原子混乱分布于基体中时的强化作用,后者指溶质原子优先分布在晶体缺陷附近,或作有序排列时的强化。
置换式或间隙式溶质原子对位错的运动,起着原子尺度障碍物的作用,结果产生的强化效果取决于溶质原子和位错间的相互作用,以及在单位面积滑移面上溶质原子的数目.决定其相互作用的程度的主要因素是相对原子尺寸大小,相对原子价及溶质和溶剂间某些化学和物理学上的差别.这些因素的作用可以分为弹性的,电子的及化学的效应对位错运动的影响。
弹性相互作用取决于三个因素:(Ⅰ)溶质原子与基体原子间的尺寸相差越大,弹性畸变也越大,(2)如果溶质原子造成点阵的正方畸变(如碳在α-Fe中间隙),则弹性相互作用特别有效,(3)溶质原子可能使局部的切变模量μ的数值明显地不相同,位错可以被溶质吸引(如果μ降低时)或者被溶质排斥(如果μ升高时)。
最初Mott-Nabarro对均匀强化作理论研究时,曾得出了临界切应力τc与溶质原子浓度的平方根成正比的关系:
其中Fm为溶质原子沿滑移方向作用在位错线上的最大阻力,c为溶质原子浓度,b为Burgers矢量,μ为切变模量.以后Fleischer和Felthan等人也作了均匀强化的理论处理工作。
由于合金中的价电子趋向由位错应力场中的受压区移向受拉区,电子效应就发生作用.基体原子的原子价愈高,引起的局部电偶极子也愈大.基体原子与溶质原子间相互作用的程度,主要取决于它们之间原子价的差别。
影响因素
(1)溶质原子的原子分数越高,强化作用也越大,特别是当原子分数很低时,强化作用更为显著。
(2)溶质原子与基体金属的原子尺寸相差越大,强化作用也越大。
(3)间隙型溶质原子比置换原子具有较大的固溶强化效果,且由于间隙原子在体心立方晶体中的点阵畸变属非对称性的,故其强化作用大于面心立方晶体的;但间隙原子的固溶度很有限,故实际强化效果也有限。
(4)溶质原子与基体金属的价电子数目相差越大,固溶强化效果越明显,即固溶体的屈服强度随着价电子浓度的增加而提高。
GH是以20Cr和15W固溶强化的钴基高温合金,在℃以下具有中等的耐久和蠕变强度,在℃以下具有优良的抗氧化功能,一起具有满足的成形、焊接等工艺功能。适用于制造航空发动机焚烧室和导向叶片等要求中等强度和优良的高温抗氧化功能的热端高温零部件。也可在航天发动机和航天飞机上运用。可生产供给各种变形产品,如薄板、中板、带材、棒材、锻件、丝材以及精细铸件。
1.2GH附近商标L,HS25,WF-11,AlS,UNSR30(美国)、KC20WN(法国)。
WS-《GH合金热轧板材、冷轧薄板和带材》
Q/5B-《GH合金棒材》
Q/5B-《GH合金带材(硬态)》
1.4GH化学成分见表1-1。
1.5GH热处理准则板材、带材:~℃,快速冷却;环形件:~℃,保温不少于15min,水冷或快速空冷;棒材(机加工用):~℃,快速冷却。
1.7GH熔炼与铸造工艺合金选用电弧炉或非真空感应炉熔炼后再经电渣重熔,或选用真空感应熔炼加电渣重熔。
2.1GH热功能
2.1.2GH热导率见图2-1。
2.1.4GH线膨胀系数见表2-1。
2.2GH密度ρ=9.13g/cm3[1,3]。
2.3.1GH不同温度的电阻率见表2-2。
2.5.1GP抗氧化功能
2.5.1.2GP在~℃的停止空气中作抗氧化实验室的氧化增重见图2-3。
2.5.1.3GP在停止空气中作抗氧化实验室的氧化深度见表2-3。
①h,h用地试样为直径6.35~12.7mm的圆试样,其他试样为厚1.5~2.0mm地试片。
③括号中为脱落的氧化皮深度。
2.5.1.5GPGP、GP和GP三种合金的楔形试样,在炉中的高温停止空气中在指定温度下实验1h后,在空气中冷却不小于40min,总的循环次数为周;另一组试样在旋转式的焚烧设备中作循环实验,转速为0r/min,在指定温度下于0.3马赫的焚烧产品中坚持1h,然后以0.7马赫的冷空气吹3min,替换实验周后试样的重量损失见图2-5。
2.5.1.6GP退火的板材在燃气速度为61~85m/s、空气:燃料=45:1~55:1的焚烧实验设备中,试样在实验室以30r/min的转速旋转,并每隔30min在加热至实验温度后,用冷空气吹冷至℃以下,如此在~℃分别循环实验h后的动态氧化实验成果见图2-6。
2.5.2GP耐腐蚀功能
GP技能标准规则的功能见表3-1。
4.1GP相变温度
5.1GP成形功能合金具有满足的冷热成形功能。热加工温度范围为~℃,铸造温度应足够高以减少晶界碳化物,也应足够低以控制晶粒度,适合的铸造温度约为℃。铸造时应注意避免角裂。加热炉气氛应为中性或弱氧化性。加热保温时刻约每25mm厚度1h,铸造后能够恣意速度冷却。合金固溶状况了进行各种冷成形工序,但要求选用功率较大的成型设备。由于合金冷作硬化速度较大,冷成形时需要进行屡次中间退火,在板材和其他产品成形时,在℃进行加热时有利的。
5.3GP零件热处理工艺引荐下列固溶处理工艺。
中板:℃,水冷;
保温时刻约为每25mm后1h,但至少15mm。
固溶处理的资料冷加工后可在~℃时效4~16h(最好在℃时效4h),可提高℃以下的耐久蠕变强度。适合的冷加工量为15%~45%。
5.5GP切削加工与磨削功能合金可满足地进行切削和磨削加工。
高温合金强度提供的几种途径与方法:
固溶强化
加入与基体金属原子尺寸不同的元素(铬、钨、钼等)引起基体金属点阵的畸变,加入能降低合金基体堆垛层错能的元素(如钴)和加入能减缓基体元素扩散速率的元素(钨、钼等),以强化基体。
沉淀强化
通过时效处理,从过饱和固溶体中析出第二相(γ’、γ、碳化物等),以强化合金。γ‘相与基体相同,均为面心立方结构,点阵常数与基体相近,并与晶体共格,因此γ相在基体中能呈细小颗粒状均匀析出,阻碍位错运动,而产生显著的强化作用。γ’相是A3B型金属间化合物,A代表镍、钴,B代表铝、钛、铌、钽、钒、钨,而铬、钼、铁既可为A又可为B。镍基合金中典型的γ‘相为Ni3(Al,Ti)。γ’相的强化效应可通过以下途径得到加强:
①增加γ‘相的数量;
②使γ’相与基体有适宜的错配度,以获得共格畸变的强化效应;
③加入铌、钽等元素增大γ’相的反相畴界能,以提高其抵抗位错切割的能力;
④加入钴、钨、钼等元素提高γ‘相的强度。γ相为体心四方结构,其组成为Ni3Nb。因γ相与基体的错配度较大,能引起较大程度的共格畸变,使合金获得很高的屈服强度。但超过℃,强化效应便明显降低。钴基高温合金一般不含γ相,而用碳化物强化。
晶界强化
在高温下,合金的晶界是薄弱环节,加入微量的硼、锆和稀土元素可改善晶界强度。这是因为稀土元素能净化晶界,硼、锆原子能填充晶界空位,降低蠕变过程中晶界扩散速率,抑制晶界碳化物的集聚和促进晶界第二相球化。另外,铸造合金中加适量的铪,也能改善晶界的强度和塑性。还可通过热处理在晶界形成链状分布的碳化物或造成弯曲晶界,提高塑性和强度。
氧化物弥散强化
通过粉末冶金方法,在合金中加入高温下仍保持稳定的细小氧化物,呈弥散分布状态,从而获得显著的强化效应。通常加入的氧化物有ThO2和Y2O3等。这些氧化物是通过阻碍位错运动和稳定位错亚结构等因素而使合金得到强化的。