GH105合金元素含量对析出相的影响

沈祎舜 姚志浩 陈筱菲 董建新 江河

摘要：

采用Thermo-Calc及JMatPro软件，对GH105合金在600～1 600 ℃的相图进行计算，并对C，Cr，Co，Mo，Zr，Ti，Al以及微量B对GH105合金主要析出相MC，M23C6，M3B2，μ，σ和γ′的影响进行探究。结果表明：C的增加提高了M23C6和MC相的析出量和M23C6相的析出温度，降低了σ相的析出量和析出温度，同时μ相的析出温度明显下降;Cr的增加显著提高了σ相的析出量和析出温度;Co的增加提高了μ相和σ相的析出量和析出温度，降低了M23C6相的析出量和析出温度;Mo的增加显著提高了μ相和σ相的析出量和析出温度;Zr的增加提高了σ相的析出量和析出温度，提高了MC相的析出量，降低了M23C6相的析出量和析出温度;B的增加显著提高了M3B2相的析出量;Al，Ti和m（Al）∶m（Ti）的增加，提高了γ′相的析出量，其中Al和m（Al）∶m（Ti）相的增加还提高了γ′相的析出温度。

关键词：

GH105合金; 热力学计算; 合金元素; 析出相

中图分类号： TG 146.1 文献标志码： A

Effect of Elements on Precipitated Phases in GH105

SHEN Yishun， YAO Zhihao， CHEN Xiaofei， DONG Jianxin， JIANG He

（University of Science and Technology Beijing， School of Materials Science and Engineering， Beijing 100083， China）

Abstract：

In this paper，the phase diagram of GH105 alloy in the range of 600-1 600 ℃ was calculated by Thermo-Calc software and JMatPro software.The effects of C，Cr，Co，Mo，Zr，Ti，Al and trace elements B on the main precipitates MC，M23C6，M3B2，μ，σ and γ′ of GH105 alloy were investigated as well.The results show that the increase of C increases the amount of precipitation of M23C6 and MC and the precipitation temperature of M23C6，reduces the amount of precipitation and precipitation temperature of σ phase.Meanwhile，the precipitation temperature of the μ phase decreases significantly.The increase of Cr significantly increases the amount of precipitation and precipitation temperature of σ phase.The increase of Co increases the amount of precipitation and precipitation temperature of μ phase and σ phase，and decreases the amount of precipitation and precipitation temperature of M23C6.The increase of Mo increases the amount of precipitation and precipitation temperature of σ phase and μ phase.The increase of Zr increases the amount of precipitation and precipitation temperature of σ phase，and increases the amount of precipitation of MC，but decreases the amount of precipitation and precipitation temperature of M23C6.The increase of B significantly increases the amount of precipitation and precipitation temperature of M3B2.The increase of Al，Ti and m（Al）∶m（Ti） increases the amount of precipitation of γ′，and the increase of Al and m（Al）∶m（Ti） also increases precipitation temperature of γ′.

Keywords：

GH105 alloy; thermodynamic calculation; alloy elements; precipitation phases

GH105合金，英國牌号为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，同时還提高了合金的抗腐蚀性能。

表1 GH105合金化学成分（质量分数，%）[8]

Tab.1 GH105 alloy composition（mass fraction，%）[8]

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。

表2 GH105合金元素含量中值（质量分数，%）

Tab.2 GH105 alloy element content median

（mass fraction，%）

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。

图1 GH105合金相图计算结果

Fig.1 GH105 alloy phase diagram calculation results

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。

图2 C含量对GH105合金析出相的析出量和析出温度的影响

Fig.2 Effect of C content on precipitation and precipitation temperature of GH105 alloy

图3 Cr含量对GH105合金析出相的析出量和析出温度的影响

Fig.3 Effect of Cr content on precipitation and precipitation temperature of GH105 alloy

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。

图4 Co含量对GH105合金析出相析出量和析出温度的影响

Fig.4 Effect of Co content on precipitation and precipitation temperature of GH105 alloy

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。

图5 Mo含量对GH105合金析出相的析出量和析出温度的影响

Fig.5 Effect of Mo content on precipitation and precipitation temperature of GH105 alloy

图6 B含量对GH105合金析出相的析出量和析出温度的影响

Fig.6 Effect of B content on precipitation and precipitation temperature of GH105 alloy

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 ℃以上時，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。

表3 GH105合金中的元素對析出相的影响

Tab.3 Effect of elements on precipitated phases in GH105

表4 GH105合金中的Al，Ti和m（Al）：m（Ti）

对析出相的影响

Tab.4 Effect of Al，Ti and m（Al）：m（Ti）

on precipitated phases in GH105

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。

参考文献：

[1] 王会阳，安云岐，李承宇，等.镍基高温合金材料的研究进展[J].材料导报，2011，25（18）：482-486.

[2] JABLONSKI P D，HAWK J A，COWEN C J，et al.Processing of advanced cast alloys for a-USC steam turbine applications[J].JOM，2012，64（2）：271-279.

[3] 裴玉冰，王天剑，范华.Nimonic105合金成分对析出相的影响[J].东方汽轮机，2013（4）：48-54.

[4] 梅声勇，郑磊，蒙肇斌，等.GH105合金铸锭元素偏析和均匀化工艺[J].北京科技大学学报，2009，31（6）：714-718.

[5] 何马飞.GH80A和GH105合金长时组织稳定性的研究[D].北京：中国农业大学，2002.

[6] NEMBACH E，PESICKAL J，LANGMAACK E.The high-temperature decrease of the yield strength of the γ′-strengthened superalloys NIMONIC PE16 and NIMONIC 105[J].Materials Science and Engineering：A，2003，362（1/2）：264-273.

[7] 王鲁，杨钢，刘正东，等.基于Thermo-Calc和JMatPro模拟计算的新型镍基合金设计[J].材料热处理学报，2017，38（4）：193-199.

[8] 中国金属学会高温材料分会.中国高温合金手册（上卷）[M].北京：中国质检出版社，中国标准出版社，2012.

[9] 王鲁.用于700 ℃火电汽轮机叶片的镍基耐热合金的研究[D].昆明：昆明理工大学，2013.

[10] 汪力，杨钢，雷霆，等.蒸汽轮机用Waspaloy叶片材料长期时效组织及力学性能[J].材料热处理学报，2014，35（9）：60-64.

[11] 师昌绪，仲增墉.中国高温合金五十年[M].北京：冶金工业出版社，2006.

[12] PANDEY M C.Effect of solution treatment environment on the creep behaviour of a nickel base superalloy （Nimonic 105）[J].Scripta Materialia，1997，37（11）：1827-1830.

[13] 黄乾尧，李汉康.高温合金[M].北京：冶金工业出版社，2000.

[14] 郭建亭.高温合金材料学[M].北京：科学出版社，2008：3-16.

[15] SEETHARAMAN V，RAO K B S，SUNDARARAMAN D，et al.Precipitation and tensile deformation behaviour of a Nimonic 105 superalloy[J].Acta Metallurgica，1987，35（3）：565-575.

[16] FARAG M M，HAMDY M M.Behaviour of a Nickel-base high-temperature alloy under hot-working conditions[J].Metallurgical Transactions A，1976，7（2）：221-228.