Al、Ti元素對Inconel718合金組織和性能影響的研究.pdf

1、Inconel718合金是以DO22結構的γ″相和LI2結構的γ′相強化的鎳鐵基合金，具有良好的高溫綜合力學性能、高溫耐蝕性、高溫抗氧化性能以及加工性能，在航空、石油和核能等領域有廣泛的應用。然而，該合金在高于650℃以上溫度長時間使用時，其主要強化相γ″相會粗化并向δ相轉變，導致合金力學性能惡化，限制了其進一步的應用。Al、Ti元素是強化相γ′相的最主要形成元素，對Inconel718合金的組織穩(wěn)定性和力學性能有重要影響。因含較高Ti

2、含量將使高溫合金中γ′相變得不穩(wěn)定，容易產生有害η相析出。本論文結合熱力學軟件計算結果，在降低Ti含量至0.5 wt％的基礎上，Al含量從0.35 wt%提高至1.19 wt%，設計了三種不同Al/Ti原子比的改型Inconel718合金。利用光學顯微鏡（OM）、X射線衍射儀（XRD）、差示掃描量熱儀（DSC）、掃描電鏡（SEM）及其附帶能譜儀（EDS）等多種測試手段，研究了 Al、Ti元素含量對鑄態(tài)、熱處理狀態(tài)下改型Inconel71

3、8合金的微觀組織和第二相的析出行為的影響，通過硬度測試和高溫氧化性實驗研究了Al、Ti元素含量對合金的性能影響。
　　JMatPro熱力學計算結果表明，650℃時Inconel718合金的平衡析出相主要為δ、γ′、MC、M23C6相，此外還存在σ、η和α-Cr相。在Al+Ti=1~4 at%和Al/Ti原子比=0.125~8計算范圍內，當Al/Ti原子比一定時，隨著合金中Al+Ti的總量增長，σ相的析出摩爾分數幾乎線性增加，η相摩

4、爾分數也增大。在Al+Ti含量一定的條件下，隨著Al/Ti原子比的升高，σ相的平衡態(tài)摩爾百分數略微降低，η相析出摩爾分數大幅降低；Al/Ti原子比的提高均延長了σ、η相的孕育期，降低TTT曲線的"鼻尖"溫度。在Al+Ti含量一定時，隨著Al/Ti原子比值升高γ′相的摩爾分數先迅速增加，達到最高值后略微下降。隨著Al+Ti含量的提高，γ′相摩爾分數的最高值由2.18%提高到19.77%。增加Al+Ti含量和Al/Ti原子比值都會降低合金中

5、δ相析出量和γ/γ′的晶格錯配度ε。在保持Al、Ti元素含量不變的條件下，增加Nb含量明顯加劇了Inconel718合金中σ相和δ相的析出，但不會明顯改變γ′相的摩爾分數或γ/γ′相錯配度。
　　在熱力學計算基礎上設計的三種合金的主要平衡析出相主要為γ′、δ、σ、MC、M23C6及α-Cr相。在 Inconel718合金和合金Ⅰ中均出現η相，而在合金Ⅱ和合金Ⅲ中的析出受到抑制，在600~1000℃計算溫度區(qū)間內均不存在η相。在65

6、0℃時，隨著Al/Ti原子比的提高，γ′相的質量分數由4.94%（合金Ⅰ）增加到13.5%（合金Ⅲ），同時δ相的質量分數由14.3%（合金Ⅰ）降低到10.7%（合金Ⅲ），而σ和α-Cr相的數量稍有增加。實驗合金Ⅰ到Ⅲ，γ′相的開始析出溫度由832.8℃提高到914.4℃，而δ相的開始析出溫度由1044.5℃降低至1005.8℃。隨著合金Al/Ti原子比和Al+Ti量增加，實驗合金的抗拉強度、屈服強度和顯微硬度均降低。
　　Inco

7、nel718改型合金的鑄態(tài)組織均呈典型樹枝狀結構，枝晶間組織主要由含有細小γ′相沉淀的黑色γ相+白色Laves相的共晶組織和少量孤立的M(C, N)相構成。隨著Al/Ti原子比的增加，共晶Laves相形態(tài)由塊狀向篩網狀轉變，枝晶間組織中含有細小γ′相沉淀的黑色共晶γ相的數量明顯增加，Laves相周圍的針狀的一次δ相和枝晶間γ″相析出減少。Al/Ti原子比的變化并不改變Inconel718合金的凝固次序。隨著Al/Ti原子比的提高，Inc

8、onel718合金的液相線溫度由1363.5℃（合金Ⅰ）降低至1358.7℃（合金Ⅲ），而Laves相初熔溫度和MC相固溶溫度變化不超過1.4℃。隨著Al/Ti原子比值提高，正偏析元素Nb、Ti和Mo的偏析程度明顯減輕。三種鑄態(tài) Inconel718改型合金的硬度隨著 Al/Ti原子比提高而增加，合金Ⅲ硬度值達到了345HV，比Inconel718合金硬度提高了23.7%。
　　標準熱處理態(tài)的改型 Inconel718合金中均在晶

9、界處觀察到δ相，晶內析出了納米尺寸的γ″+γ′強化相。隨著Al/Ti原子比提高，晶界處δ相數量減少，形態(tài)由片狀或棒狀連續(xù)分布轉變?yōu)轭w粒狀斷續(xù)分布。隨著 Al/Ti原子比從0.98增加至4.3，標準熱處理態(tài)改型合金的硬度值由444.3HV降低至423.0HV。經760℃時效100h后，合金Ⅰ和Ⅱ中分離析出的球形γ′和盤片狀γ″相已經長大粗化，γ″相長大粗化至120-250nm；而 Al/Ti原子比達到4.3的合金Ⅲ中強化相以γ″+γ′"包

10、覆組織"形態(tài)析出，尺寸保持在30~60nm左右，大幅提高了組織穩(wěn)定性。高溫長期時效處理后，三種改型合金的硬度值較標準熱處理態(tài)合金均下降，Al/Ti原子比為4.3的Inconel718合金獲得了較原型Inconel718更高的硬化效應，硬度值下降最少，降幅為28.6%。
　　標準熱處理態(tài)的實驗合金在750℃、850℃條件下的氧化動力學曲線都遵循拋物線規(guī)律。隨著 Al/Ti原子比的增加，合金的平均氧化速率降低，氧化抗力增加。表面氧化膜