微量元素P对NiAl-34Cr合金显微组织和力学性能的影响

齐义辉, 李 慧, 杨旭光, 郭建亭

(1.辽宁工业大学材料科学与工程学院,辽宁锦州 121001;2.中国科学院金属研究所,沈阳 110016)

NiAl具有高熔点、低密度、良好的热导率和优良的抗氧化性等优良性能,使其成为镍基高温合金的候选材料,但在室温韧性差和高温强度低阻碍了它的实用化[1,2]。为了改善室温韧性,提高高温强度,最有效的方法是在NiAl基体中加入第三组元进行合金化。上世纪70年代,Walter和Cline等人系统地研究了NiAl-Cr共晶合金及合金化规律,以及凝固组织中第二相由棒状向片层状转变的行为及机理[3,4]。Johnson[5]和Heredia[6]等人研究了NiAl-Cr定向共晶的室温断裂行为,NiAl-Cr的断裂韧性值比二元NiAl提高了近两倍。Noebe[7]等人总结了过渡族金属和ⅢA族元素在NiAl中的合金化行为。通常情况下,P被认为是钢和高温合金中的有害元素。然而,越来越多的关于 P在钢和高温合金中的有益作用被认识。Cao和Kennedy[8]等发现适量的P能显著提高变形 IN718合金的持久寿命并且有一峰值效应。Guo[9]等研究了P对DZ417G合金持久性能的有益作用。微量元素 P[10～12],Ag[13],C[14]等

对二元NiAl合金组织和性能影响的研究表明,微合金化有效改善了NiAl合金的室温塑性或韧性。但P元素在综合性能较优异的NiAl-34Cr合金的微合金化行为尚无报道,因此,本文研究不同成分的 P含量对NiAl-34Cr合金显微组织和力学性能的影响。

1 实验材料与方法

用高纯Ni,Al,Cr和Ni-14 P中间合金(质量分数,下同)作为原材料,在真空非自耗电弧炉中氩气保护下熔炼合金锭。合金锭的名义 P含量分别为0.005%,0.02%,0.05%和0.15%,即NiAl-34Cr-0.005 P,NiAl-34Cr-0.02 P,NiAl-34Cr-0.05 P和NiAl-34Cr-0.15 P四种合金。每个合金锭反复熔炼三次,并采用电磁搅拌以保证其成分均匀性。由于纽扣锭试样各部位的冷却速度不同,因此,显微组织的比较、共晶胞尺寸的测量和硬度的测量等,都尽可能地采用相同的取样部位。共晶胞尺寸的测量是用线交截法截取 60个以上的共晶胞,分别测量每个共晶胞的尺寸,取平均值。硬度是测量五点以上的硬度,取平均值。高温均匀化热处理在SX2-4-13型高温箱式电阻炉中进行,分别进行 1150℃,1200℃, 1250℃,保温10h及炉冷处理。利用Axiovert-200-MAT型光学显微镜和 S-3000N型扫描电镜观察合金的显微组织,腐蚀剂为5gFeCl3+65mlHCl+ 15mlCH3COOH溶液。利用BDX-3200型X射线衍射仪和QUIST-LEVEL-Ⅱ型能谱仪分析合金相组成和成分分布。利用HR-150DT型洛式硬度计测定合金硬度。压缩实验在Gleeble1500试验机上进行。

2 实验结果与分析

2.1 铸态NiAl-34Cr-xP合金

2.1.1 显微组织

四种P含量的NiAl-34Cr-xP铸态合金接近纽扣锭底部的显微组织如图 1所示,四种 P含量的合金的显微组织均为典型的胞状树枝晶组织,且生长较为规则。随着 P含量的增加,共晶胞的尺寸有逐渐减小的趋势,四种合金共晶胞平均尺寸约为 50μm, 40μm,30μm,20μm。

图1 铸态NiAl-34Cr-xP合金的显微组织Fig.1 Themicrostructure of cast NiAl-34Cr-xP alloys (a)0.005%P;(b)0.02%P;(c)0.05%P;(d)0.15%P

2.1.2 相组成分析

图2为P含量为0.05%和0.15%的铸态合金的X射线衍射谱。图3为NiAl-34Cr-0.15P合金的高倍组织及Cr,P元素的能谱面扫描图。图3a中的灰色基体为NiAl相,黑色粒状或条状相为Cr相。P含量较多的胞界处很好地对应着 Cr元素的分布,如图3b和3c所示。由于Cr相颗粒较小且分布较集中,以及NiAl相也固溶少量的Cr原子,Cr元素的面扫描图与图3a中Cr相并未很好地对应。X射线衍射和能谱综合分析表明,P含量为0.05%和0.15%的NiAl-34Cr-xP合金除了NiAl和Cr相外,在胞界处的NiAl和Cr相的相界面上还有Cr3P相,如图3a中箭头所指处。这与周健等人的研究结果不一致,他们认为P在二元NiAl中形成Ni3P相[11]。能谱的进一步分析表明,P元素主要分布在共晶胞的胞界处,胞内分布较少。

图2 铸态NiAl-34Cr-xP合金的X射线衍射谱Fig.2 X-ray pattern of cast NiAl-34Cr-xP alloys

图3 NiAl-34Cr-0.15P合金组织及元素面扫描图 (a)显微组织;(b)为图(a)中Cr元素的面扫描图;(c)为图(a)中P元素的面扫描图Fig.3 Microstructure and element area analysis of the NiAl-34Cr-0.15P alloy (a)microstructure;(b)distribution ofCr element of the fig.3(a);(c)distribution of P element of the fig.3(a)

2.1.3 合金的硬度

铸态NiAl-34Cr-xP合金的洛氏硬度随含P量的变化关系如图 4所示。由图可见,随着 P含量的增加,合金的硬度呈先升高后下降的趋势,且存在峰值。P含量为0.005%时合金的硬度约为40.3HRC。当P含量为 0.02%时合金的硬度升高达到44.7HRC,硬度值较大,表现为P的固溶强化。随着P含量继续增加,当P含量为0.05%和0.15%时,合金的硬度分别为43.3HRC和43.0HRC,与NiAl-34Cr-0.02%P合金的硬度基本一致。

图4 铸态NiAl-34Cr-xP合金的洛氏硬度与P含量的关系Fig.4 Relation of the HRC hardness and P contentfor cast NiAl-34Cr-xP alloys

图5为含P的NiAl-34Cr合金在1000℃时的压缩真应力-真应变曲线。三种合金均能够进行大量的塑性变形而没有出现裂纹。其中,NiAl-34Cr-0.005%P,NiAl-34Cr-0.02%P,NiAl-34Cr-0.05%P合金的压缩屈服强度分别为 340MPa,360MPa, 330MPa,屈服强度的变化规律与硬度的变化规律一致。

2.2 NiA l-34Cr-xP合金的均匀化热处理

图5 不同 P含量合金的高温压缩真应力-真应变曲线Fig.5 The high-temperature compressive true stress-true strain curves of the alloys

2.2.1 热处理后的显微组织

图6是经 1200℃均匀化热处理后四种成分合金的显微组织,仍是胞状树枝晶,形貌没有变化,但与同种成分的铸态合金的组织相比,共晶胞的尺寸稍有增加。随 P含量的增加,均匀化热处理后的NiAl-34Cr-xP合金共晶胞的平均尺寸的变化规律与铸态合金类似,也呈现逐渐减小的趋势。进一步的观察表明,均匀化热处理后,共晶胞中的Cr相有聚集长大的倾向。

2.2.2 热处理后的硬度

图7给出了三个温度均匀化处理后洛氏硬度与P含量的变化关系。随着 P含量的增加,经热处理后合金的硬度仍呈先上升后下降的趋势,这与铸造合金的规律一致。由图可知,三个温度的均匀化处理都使同种成分合金的硬度降低,且温度越高,硬度降低幅度越大,这与组织的变化规律一致。

均匀化热处理后合金中Cr相的聚集长大和共晶胞尺寸的增大可能是导致硬度降低的原因。

图6 1200℃处理后合金的显微组织Fig.6 Microstructure of the heat-treated NiAl-34Cr-xP alloys at 1200℃ (a)0.005%P; (b)0.02%P;(c)0.05%P;(d)0.15%P

图7 热处理后NiAl-34Cr-xP合金的洛氏硬度与xP含量的关系Fig.7 Relation of the HRC hardness and P content for the heat-treated NiAl-34Cr-xP alloys

3 结论

(1)NiAl-34Cr-xP合金的铸态组织为典型的胞状树枝晶组织,形状较为规则,且随着 P含量的增加,共晶胞的平均尺寸逐渐减小。均匀化热处理后NiAl-34Cr-xP合金仍为胞状树枝晶,但共晶胞尺寸与同种成分的铸态合金相比稍有增大。

(2)四种P含量的NiAl-34Cr-xP铸态合金主要由NiAl和Cr相组成共晶组织。在P含量为0.05%和0.15%的合金中还存在Cr3P相。P元素主要分布在共晶胞的胞界处,胞内分布较少。

(3)铸态和热处理后的NiAl-34Cr-xP合金的硬度都是随 P含量的增加呈现先增加后下降的趋势,硬度均在含 P量为 0.02%时达到较高值。经1150℃,1200℃,1250℃三个温度的均匀化热处理都使同种成分合金的硬度降低,且温度越高,硬度降低幅度越大。均匀化热处理后合金中Cr相的聚集长大和共晶胞尺寸的增大是导致硬度降低的原因。

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