0Cr20Ni65Ti3AlNb合金平衡析出相热力学计算

伦建伟，郭 诚

(1.沈阳科金特种材料有限公司，辽宁 沈阳 110101；2.中国科学院金属研究所 材料制备与加工研究部，辽宁 沈阳 110015)

镍基高温合金的显微组织、组织稳定性和最终使用性能与合金的成分密切相关，合金的相析出温度和析出量随合金主要元素的变化而发生变化[1,2]。0Cr20Ni65Ti3AlNb合金是上世纪60年代在提高InconelX-750的铬含量基础上发展起来的一种沉淀硬化型耐蚀合金，该合金在具有良好耐蚀性的同时兼顾较好耐磨性，用于制造有稀硝酸腐蚀并有振动、撞击条件的计量泵截止球阀等。目前，许多学者利用热力学相图计算软件模拟计算合金成分与析出相的析出温度和析出量之间的定量关系，从而为合金的成分优化设计提供参考[3,4]。例如，徐仰涛等[5]基于JMatPro软件对不同B含量的Co-8.8Al-9.8W合金析出相进行热力学模拟计算；孟凡国等[6]利用Thermo-Calc软件对K488合金平衡相进行了模拟研究；赵玉涛等[7]利用JMatPro软件进行模拟计算，得到新型低铼第三代镍基单晶高温合金的组成；王静等[8]利用JMatPro软件计算了第二代单晶合金的热力学性能，并得出了低铼且满足第二代单晶水平的合金成分；王鲁等[9]基于Thermo-Calc和JMatPro软件对Nimonic105合金进行成分优化设计，得到一种新型镍基合金成分组成；刘建强等[10]利用Thermo-Calc软件分析了新型Ni基合金中析出相的组成；杨常春等[11]利用Thermo-Calc软件对Cr20Ni32AlTi合金平衡相进行了热力学模拟计算。本文利用JMatPro热力学计算软件，计算分析合金的平衡相析出行为和合金元素对析出相的影响规律，为合金的实际应用提供理论指导。

1 计算方法

0Cr20Ni65Ti3AlNb合金化学成分范围及典型成分见表1，采用JMatPro热力学计算软件及相应的镍基数据库进行热力学模拟计算，利用系统中各相热力学特征函数的热力学关系，建立热力学模型，将相图和各种热力学数据联系起来，从而计算出系统中所有热力学信息，获得可能析出的平衡相。将表1中的典型化学成分作为JMatPro软件的输入条件，通过调整合金中析出相形成元素的含量(当某一元素含量改变时，其他元素成分均采用典型化学成分值)，得到可能析出的平衡相。

表1 0Cr20Ni65Ti3AlNb合金的化学成分(%, 质量分数)

2 结果与分析

2.1 合金的热力学平衡相图

0Cr20Ni65Ti3AlNb合金的热力学平衡相图见图1，从图1可以看出，随温度的降低，合金的主要平衡析出相有γ相、γ′相、碳化物相(MC型、M23C6型)和η相。合金的初熔温度为1312 ℃，终熔温度为1377.5 ℃，凝固温度范围为65.5 ℃。γ′相的开始析出温度为913.5 ℃，MC型碳化物相的析出温度范围为809～1314 ℃，M23C6型碳化物相在831 ℃以下析出，而在924 ℃以下有η相析出。表2为各相开始析出温度下的平衡成分。由表2可知，γ相富集Ni、Cr、Fe元素，并含有少量的Al、Ti、Nb等元素；γ′相富集Ni、Al、Ti、Nb元素，并含有少量的Cr、Fe等元素；MC型碳化物相富集C、Nb、Ti元素，并含有少量的Cr元素；M23C6型碳化物相富集C、Cr、Nb、Ni元素，并含有少量Fe等元素；η相富集Ni、Nb、Ti元素，并含有少量的Cr、Fe、Al元素。

2.2 合金凝固过程元素再分配规律

利用JMatPro软件中Schell-Gulliver模型，研究了0Cr20Ni65Ti3AlNb合金非平衡凝固过程元素再分配规律，见图2，可以看出，凝固初期，液相中Nb的质量分数为0.95%，Ti的质量分数为2.5%；凝固末期，液相中Nb的质量分数增加到10.26%，Ti的质量分数增加到8.275%。Nb、Ti元素随着凝固进行，在液相中含量迅速增加，偏聚在枝晶间，出现正偏析现象。而Cr、Fe、Al元素随着凝固进行，在液相中的含量逐渐降低，偏聚在枝晶干，出现负偏析现象。C元素随液相含量减少，呈现先增加后减小的趋势，分析认为与凝固过程析出MC型碳化物有关。

(a)平衡相图 (b)局部放大图图1 0Cr20Ni65Ti3AlNb合金的热力学平衡相图Fig.1 Thermodynamic equilibrium phase diagram of 0Cr20Ni65Ti3AlNb alloy

表2 0Cr20Ni65Ti3AlNb合金各相开始析出温度下的平衡成分(%, 质量分数)

(a)分配图 (b)局部放大图图2 合金凝固过程中元素再分配规律Fig.2 Regular of alloy element redistribution during solidification

2.3 合金元素对初、终熔点的影响

合金的初、终熔点温度影响合金的偏析程度，是制定合金均匀化退火工艺的重要参数，若均匀化退火温度超过合金的初熔点会造成合金锭的过烧，因此，均匀化退火温度应低于合金的初熔点温度[3,4]。0Cr20Ni65Ti3AlNb合金中Nb和Ti元素在凝固末期的液相中含量高，偏析在最后凝固区域，对凝固温度有较大影响。因此，有必要对0Cr20Ni65Ti3AlNb合金的初、终熔点随Nb、Ti元素含量的变化规律进行研究。Nb、Ti元素含量对0Cr20Ni65Ti3AlNb合金初、终熔点的影响见图3，可以看出，当Nb的质量分数从0.7%增加到1.2%时，合金的初熔点由1317 ℃下降到1307 ℃，终熔点由1380 ℃下降到1375 ℃；当Ti的质量分数从2.25%增加到2.75%时，合金的初熔点由1315 ℃下降到1309 ℃，终熔点由1381 ℃下降到1374 ℃。

(a)Nb (b)Ti图3 Nb、Ti元素含量对0Cr20Ni65Ti3AlNb合金初、终熔点的影响Fig.3 Effects of Nb and Ti concent on initial and final melting point

2.4 合金元素对γ′相的影响

γ′相是0Cr20Ni65Ti3AlNb合金中主要强化相，由表2可知，Al、Ti、Nb元素含量影响γ′相析出行为，图4为Al、Ti、Nb元素含量变化对γ′相开始析出温度和650℃析出量影响的关系曲线。由图4(a)可知，当Al含量由0.4%增加到1.0%时，γ′相开始析出温度从785 ℃升高到950 ℃，650 ℃时析出量由6.7%增加到21.5%；由图4(b)可知，当Ti含量由2.25%增加到2.75%时，γ′相开始析出温度从906 ℃升高到912.5 ℃，650 ℃时析出量由15.4%下降到15.15%；由图4(c)可知，当Nb含量由0.7%增加到1.2%时，γ′相开始析出温度从908 ℃升高到918 ℃，650 ℃时析出量由14.55%增加到16.1%。说明三种元素对γ′相析出行为影响由强到弱依次为：Al>Nb>Ti。考虑三种元素综合作用对γ′相析出规律影响，结果见图4(d)，当Al、Nb、Ti含量分别从0.4%、0.7%、2.25%增加到1.0%、1.2%、2.75%，γ′相开始析出温度从780 ℃升高到960 ℃，650 ℃时析出量由8%增加到24.6%，因此，在成分设计时必须考虑Al、Nb、Ti含量对合金热处理工艺和力学性能影响。

(a)Al (b)Ti

(c)Nb (d)Al、Ti、Nb三者同时改变图4 合金元素对γ′相析出温度和析出量的影响Fig.4 Effects of alloy elements on precipitation temperature and amount ofγ′ phase

2.5 合金元素对MC型碳化物相的影响

图5为C、Ti、Nb元素与MC型碳化物相开始析出温度和650 ℃时析出量的关系曲线，由图5(a)可知，当C含量从0.03%增加到0.10%时，MC型碳化物相的最大析出量从0.21%增加到0.68%，析出温度范围从818～1260 ℃扩大到800～1322 ℃。由图5(b)可知，当Ti含量从2.25%增加到2.75%时，MC型碳化物相析出温度变化范围不大，开始析出温度都是1316 ℃，终止析出温度从799 ℃升高到810 ℃。最大析出量从0.35%小幅度下降到0.34%，在1000 ℃以上时，MC型碳化物相析出量差值逐渐增大。由图5(c)可知，当Nb含量从0.7%增加到1.2%时，MC型碳化物相开始析出温度不变，终止析出温度从826 ℃下降到800 ℃，MC型碳化物相的最大析出量从0.32%增加到0.37%，且析出量差值随Nb含量增加逐渐减小。综上分析，C含量对MC型碳化物相析出温度和析出量影响最大，Nb含量次之，Ti含量影响最小。

2.6 合金元素对M23C6型碳化物相的影响

图6为C和Cr元素对M23C6型碳化物相开始析出温度和650 ℃时析出量的影响，由图6(a)可知，随着C含量从0.03%增加到0.10%，M23C6型碳化物相开始析出温度从827 ℃升高到838 ℃，650 ℃时析出量从0.53%增加到1.58%，由图6(b)可知，随着Cr含量从19%增加到21%，M23C6型碳化物相开始析出温度从812 ℃升高到848 ℃，650 ℃时析出量变化不大，维持在0.88%。综上可得，C含量对M23C6型碳化物相析出温度和析出量起决定作用。

(a)C (b)Ti (c)Nb图5 合金元素对MC相析出温度和析出量的影响Fig.5 Effects of alloy elements on precipitation temperature and amount ofMC phase

(a)C (b)Cr图6 合金元素对M23C6相析出温度和析出量的影响Fig.6 Effects of alloy elements on precipitation temperature and amount of M23C6 phase

2.7 合金元素对η相的影响

图7为Nb和Ti元素对η相开始析出温度和650 ℃时析出量的影响，由图7(a)可知，随着Nb含量从0.7%增加到1.2%，η相开始析出温度从917 ℃升高到930 ℃, 650 ℃时析出量从3.27%小幅增加到3.3%，由图7(b)可知，随着Ti含量从2.25%增加到2.75%，η相开始析出温度从879 ℃升高到944 ℃, 650℃时析出量从1.84%增加到4.75%，由此可见，η相析出温度和析出量主要受Ti含量影响。过多的η相会影响合金的机械性能，因此，在成分设计过程中需合理控制合金的Ti含量。

(a)Nb (b)Ti图7 合金元素对η相析出温度和析出量的影响Fig.7 Effects of alloy elements on precipitation temperature and amount of η phase

3 结论

(1)0Cr20Ni65Ti3AlNb合金的主要平衡析出相有γ相、γ′相、碳化物相(MC型、M23C6型)和η相；合金非平衡凝固过程中Nb、Ti元素偏析比较严重，会降低合金的初、终熔点。

(2)Al元素含量对γ′相开始析出温度和650 ℃时析出量影响最大；对γ′相析出行为影响由强到弱依次为：Al>Nb>Ti；三种元素共同作用影响γ′相的析出行为。

(3)C含量对MC、M23C6型碳化物相开始析出温度和析出量起决定作用。

(4)η相的开始析出温度和析出量主要受Ti含量影响，过多的η相析出会影响合金的机械性能，因此，在成分设计过程中需合理控制合金的Ti含量。