硼和磷对铁镍基变形高温合金组织和持久性能的影响

姜壹夫，肖 旋，秦学智

(1.沈阳理工大学 材料科学与工程学院，沈阳 110159；2.中国科学院沈阳金属研究所，沈阳 110016)

硼和磷对铁镍基变形高温合金组织和持久性能的影响

姜壹夫1，肖 旋1，秦学智2

(1.沈阳理工大学 材料科学与工程学院，沈阳 110159；2.中国科学院沈阳金属研究所，沈阳 110016)

利用真空冶炼炉制备铁镍基变形高温合金，采用光学显微镜(OM)和扫描电子显微镜(SEM)观察标准热处理后B、P微合金化的微观组织。发现B和P对晶粒度的影响较小，B含量的增加可以显著增加MC碳化物的析出。当P含量在0.003%至0.005%时，B含量从0.016%降至0.005%，可以将合金在700℃/400MPa,700℃/425MPa下持久寿命提高至3.8倍。当B含量为0.005%，P含量从0.005%升至0.023%时，对持久性能影响较小。B、P的最佳控制量应在0.005%和0.023%附近。B、P在晶界处附近会产生竞争偏析，硼化物对于晶界有钉压作用，P可以阻碍位错运动，进而阻碍合金裂纹扩展。适量的B、P含量可以延长合金的持久寿命。

硼；磷；微观组织；持久寿命

GH2107是我国自行研制的一种铁镍基变形高温合金，主要应用在超超临界燃煤发电机组汽轮机的叶片上，GH2107是在GH2135的基础上，降低2%左右的Al+Ti制成的，而且固溶W和Mo元素来提高合金的力学性能。该合金具有强度高、耐腐蚀、抗氧化性能好等特点[1]。

硼和磷是高温合金常见的微合金化元素[2]。近些年，文献[3-7]对硼和磷在铁镍基变形高温合金中的作用做了少许研究，研究发现，磷是高温合金中典型的有害元素，但是适量的磷可以阻碍位错运动，进而延长合金的持久寿命。适量添加硼元素对合金的力学性能是有益的，一般通过强化晶界的方式来提高合金的持久和蠕变性能[8-9]。本文主要通过对合金复合添加硼和磷，研究对合金组织和持久性能的影响，有助于更合理地控制硼和磷的含量，进一步提高合金的力学性能。

1 实验材料和方法

采用真空感应炉来冶炼母合金的名义成分为(质量分数，%)C 0.05、Cr 15、Ni 40、Mo+W 4、Al+Ti 3.3、Fe余量。采用25kg真空感应炉浇注成6种不同成分合金锭Alloy 1～6，如表1所示。棒料经过标准热处理：1150℃/2h/AC(固溶)+780/24h/AC(时效)，加工成标准的持久试样，测试700℃/400MPa、700℃/425MPa的持久性能。

用电火花线切割机对标准热处理态的试样进行切割，然后在磨样机上进行磨抛腐蚀，采用化学腐蚀来腐刻金相组织，腐蚀试剂100mLH2O+50mLHCl+5gFeCl3。采用MC006-5XB-PC金相显微镜观察合金金相组织，采用扫描电镜来观察合金金相组织和合金的持久断口形貌，分析硼和磷的复合添加对合金组织和持久性能的影响。

表1 合金实测成分 wt %

2 实验结果及讨论

2.1 硼和磷对合金热处理态组织的影响

标准热处理态的合金组织如图1a所示，可以看出B和P的添加对合金的晶粒度影响较小，在光学显微镜(OM)下观察，可以发现，合金晶粒均匀，存在少量的退火孪晶，有利于改善合金的强度。经统计晶粒尺寸约为70～80μm。图1b、1c、1d是标准热处理态下的Alloy1、Alloy2、Alloy4的微观组织形貌。可以观察到，在3组合金的晶界处附近均分布着M3B2硼化物和MC型碳化物，硼含量较高的Alloy1和Alloy2相比硼含量较低的Alloy4要析出更多的M3B2硼化物和MC型碳化物。原因在于硼化物在晶界处富集，硼和碳元素会产生竞争偏析，随着硼含量的升高，这种竞争机制增强，使M3B2硼化物和MC碳化物析出增多。P以原子气团的形式主要偏聚于晶界处附近，P含量的增加无疑会减少晶界处B和C的含量，竞争偏析减弱，因此Alloy4析出的M3B2硼化物和MC碳化物较少。

2.2 硼和磷对合金持久性能的影响

图2和图3为合金在700℃/400MP、700℃/425MPa条件下，随着B和P的加入，合金持久寿命的变化。当磷含量0.003%～0.005%、硼含量从0.016%降至0.005%时，可以将合金的持久寿命提高3.8 倍。当B=0.005%、P=0.023%时，持久寿命最高，达到464h。硼对合金的持久寿命影响显著，合金随着硼含量的升高，持久寿命下降趋势明显。当硼含量很低时(B=0.005%)，P=0.005%～0.023%，合金的持久寿命提高缓慢；而当P=0.023%～0.024%，合金的持久寿命显著下降。B、P的最佳控制量应在0.005%和0.023%附近。

图1 不同硼、磷含量合金的微观组织形貌 和硼化物的eds能谱

2.3 硼和磷对持久断裂组织的影响

图4为在700℃/400MPa的持久断口宏观和微观形貌。其中图4a、4b、4c、4d分别是Alloy1、Alloy2、Alloy4和Alloy6的持久断口宏观形貌，图4e、4f、4g、4h分别是Alloy1、Alloy2、Alloy4和Alloy6的持久断口微观形貌。比较Alloy4和Alloy6，观察Alloy4可知，当B元素含量保持一定且较低、P含量为0.005%时，持久断口的形貌主要呈现沿晶断裂的特征，并且伴有少许的裂纹。因为当B元素含量较低时，晶界析出的M3B2减少，

图2 硼在不同载荷下对持久性能的影响

图3 磷在不同载荷下对持久性能的影响

对晶界的钉压作用减弱，晶界得不到充分的强化，晶界强度小于晶内强度。由于P元素是活性元素，必将在晶界或晶内的缺陷位置产生偏聚，替代了B偏聚的位置，少量的P对硼化物的析出影响不大。观察Alloy6可以看到，当P含量增加至0.024%时，断口以大量的韧窝为主，显示出了明显的韧性断裂特征。通过比较合金的持久延伸率，发现合金的持久延伸率也略有增强。因为随着P含量的增加，P原子气团的大量偏聚必将导致硼化物的大量析出，过量的硼化物反而弱化了晶界。导致晶界强度和晶内强度差别不大。对于GH2107合金添加微量元素B和P时，都不宜过高。

比较Alloy1、Alloy2和Alloy6，观察合金的断口可以明显观察到，当P含量在正常范围内时(低磷)，随着B含量的增加，形貌由沿晶断裂特征向布满韧窝特征进行转变。材料的韧性明显改善。延伸率也自然提升。B含量从0.013%增加至0.016%，韧窝的数量明显增多，尺寸也明显增大。原因在于虽然P原子气团对位错有拖拽作用，阻碍位错的运动，硼和磷竞争偏析增强，硼含量的增加无疑弱化了这一作用，导致了晶界结合力增强。

图4 不同硼、磷含量的合金在700℃/425MPa下的持久断口形貌

3 结论

(1)B和P元素对合金的晶粒度无明显影响，B可以促进MC碳化物的析出。

(2)在700℃、400MPa或425MPa的条件下，当硼含量很低(B=0.005%)、P=0.005%～0.023%时，合金的持久寿命提高缓慢；而P=0.023%～0.024%，合金的持久寿命显著下降。当P含量在0.003%～0.005%、B含量从0.016%降至0.005%时，合金的持久寿命延长3.8倍。可知B和P最佳控制量为B：0.005%，P：0.023%左右。

(3)B和P在晶界处产生竞争偏析，B元素产生的硼化物可以强化晶界，P以原子气团的形式存在，阻碍合金裂纹的扩展。适量的B、P可以延长合金的持久寿命。

[1]郭建亭.高温合金材料学下[M].北京，科学出版社,2008.

[2]Song H W,Guo S R,Lu D Z,et al.Effect of Combained Addtion of phosphorus and Boron on Inconel 718 Alloy[J].Journal of Materials Engineering，1999(8)：3-5.

[3]Yang S L,Sun W R,Wang J X,et al.Effect of Phosphorus on Mechanical Properties and Thermal Stability of Fine-grained GH761 Alloy[J].Journal of Materials Science & Technology,2011,27(6)：539-545.

[4]孙文儒，郭守仁，佟百运，等.磷对IN718和GH4133合金变形机理和持久性能的影响[J].钢铁研究学报，2003(7)：62-65.

[5]杨树林,孙文儒,郭守仁,等.磷对GH761合金力学性能的影响[J].金属学报，2005,41(12)：1249-1255.

[6]胡壮麒,孙文儒,宋洪伟.一种新的变形高温合金强化方法-磷硼微合金复合强化[J].中国工程科学，2005,7(3)：17-26.

[7]胡壮麒,孙文儒,郭守仁,等.微量元素磷在铁镍基变形高温合金中的作用[J].中国有色金属学报，2001,11(6)：947-959.

[8]Lin X,Dao L C,Mahesh C,et al.Effect of Boron and Carbon on the Fracture Toughness of IN718 Superalloy at Room Temperature and 650℃[J].Materials Science and Engineering，2006,14(4):528-538.

[9]刘海定，贺文海，王东哲，等.硼微合金化镍基合金的晶界偏聚析出行为[J].材料导报，2013,27(21)：334-338.

(责任编辑：马金发)

Effect of Boron and Phosphorus on the Structure and Stress Rupture Properties

JIANG Yifu1，XIAO Xuan1，QIN Xuezhi2

(1.Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China;2.Institute of Metal Research,Chinese Academy of Sciences,Shenyang 110016,China)

The Fe-Ni based superalloy is fabricated by induction furnace.The microstructure of boron and phosphorus after heat treatment was observed by optical microscope(OM)and scanning electron microscope(SEM).Boron and phosphorus did not exhibit influence on the grain size.The increase of boron content can significantly increase the precipitation of MC carbide.When the phosphorus content increase from 0.003% to 0.005%，the boron content decreased from 0.016% to 0.005%，the stress rupture life of alloy was increased by 3.8 times at 700℃/400MPa,700℃/425MPa.When the boron content is 0.005%,the phosphorus content increased from 0.005% to 0.023%，playing little effect on the stress rupture life.The proper content of boron and phosphorus should be controlled around 0.005% and 0.023%.Boron and phosphorus can compete segregation near the grain boundary.Boride has the role of press，phosphorus can hinder the movement of dislocations,which can hinder the crack growth of the alloy.Appropriate boron and phosphorus content of the alloy is useful for the stress rupture life.

Boron；Phosphorus；microstructure；the stress rupture life

2015-10-12

姜壹夫(1989—)，男，硕士研究生；通讯作者：肖旋(1966—)，副教授，博士，研究方向：材料微观组织及控制。

1003-1251(2016)06-0044-04

TG146

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