P在IN706合金中的分布及作用研究

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过去一直认为,P对于高温合金是一种有害元素。但近年来的研究表明,适量的P能显著提高GH761、IN718合金的持久和蠕变性能。鉴于P的作用的复杂性,其影响机理还有待深入研究。IN706合金是一种Ni-Fe-Cr基时效强化型变形高温合金,其基体成分与GH761合金相近,晶内强化方式与IN718合金相似,且P在IN706合金的溶解度较低,易析出P化物。因此,本文选择IN706合金作为研究的合金系统,研究了P在IN706合金铸态、热处理态中的分布及对合金组织和性能的影响,为更加有效地利用P的强化作用,提高合金的使用性能提供有益的参考。  本文研究了P的偏聚及其对合金铸态组织和均匀化的影响。结果表明,P偏聚于Laves相中,显著影响合金的铸态组织。P抑制Laves相以共晶形态析出,但促进Laves相以块状形态析出。P细化枝晶组织,并且扩大枝晶间面积。P对铸态组织的影响是由于其在γ基体的低溶解度和对γ基体凝固的阻碍作用引起的。此外,P稍微降低Laves相的熔点,在均匀化过程中,P阻碍Laves相溶解以及枝晶干与枝晶间的元素扩散。分析认为,P通过阻碍元素扩散来推迟均匀化过程。根据Laves相熔点及溶解规律,确定合金的均匀化制度为1160℃×20h+1190℃×40h。  对P在IN706合金中的偏聚与析出规律研究表明,P具有晶界偏聚特性,P在合金中的偏聚与析出强烈依赖于P含量、热处理温度、扩散时间。在轧态组织中可以观察到少量P化物在晶界析出,经过980℃短时间保温可以发现大量P化物沿晶界析出。通过透射电镜(TEM)选区电子衍射(SAED)结合能谱分析(EDS)鉴定,合金中的P化物为具有正交结构的MNP相,该相的析出温度范围为850℃~1040℃,析出峰温度为980℃,熔点在1200℃~1250℃。当P含量低于0.008%时,合金中不析出P化物,当P含量高于0.013%时,合金基体中析出P化物,因此确定P在IN706合金中的溶解度为0.008%~0.013%。合金经980℃保温5 min,晶粒未开始长大,但P化物已沿晶界大量析出;经980℃保温3h,晶粒全部长大,但P化物仍然留在轧态合金的原晶界。合金经1060℃固溶2h,P化物完全溶解;经1060℃固溶10h,合金中的P原子充分扩散,在晶内均匀分布。  研究了P含量和冷却速度对高温固溶IN706合金组织和力学性能的影响。结果表明,在1190℃高温固溶时P主要以原子态形式存在于晶内,从高温冷却或者在适当的温度保温时,P原子向晶界扩散进而导致P化物沿晶界析出。当P以原子态在γ基体中固溶存在时,P不会影响IN706合金的显微硬度、室温拉伸性能和室温冲击性能;经过空冷或时效处理后,P增加合金的显微硬度、室温屈服强度、抗拉强度,降低延伸率和冲击韧性。采用俄歇能谱仪(AES)证实了P在IN706合金中的晶界偏聚,并从拉伸断口形貌呈沿晶断裂及P增加合金的抗拉强度推测,P的晶界偏聚不会降低IN706合金的晶界结合力。P以置换方式固溶于γ基体中,并通过减小γ和γ相的晶格错配度促进γ相的析出,因此,当P的含量足够高并且冷却速度足够低时,P可以提高IN706合金的硬度和强度。  研究了P对两种热处理态IN706合金组织和持久性能的影响。在980℃固溶处理时,持久寿命最佳的P含量为0.008%,P含量超过0.008%的合金中析出P化物,持久寿命降低。在1060℃固溶时,P化物全部溶解,合金的持久寿命随着P含量的增加而增加,最高P含量的合金具有最长的持久寿命。P对IN706合金持久性能的影响取决于其存在状态,当P以原子态在晶界适度偏聚时,能显著提高合金的持久寿命;当析出P化物后,合金持久寿命降低,P的有益作用消失,表现为P的添加降低合金的持久寿命。此外,P对合金的持久塑性影响不大。
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