磷、硼微合金化----一种发展高性能变形高温合金的新途径
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| 磷、硼微合金化----一种发展高性能变形高温合金的新途径 |
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作者：沈阳先进材料研究发展中心 转贴自：http://www.imr.ac.cn/IMRWeb/Pandora1.aspx?pkId=4036 点击数：95 更新时间：2006/10/20 文章录入：夏晶晶
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沈阳先进材料研究发展中心 高温合金研究部 孙文儒
变形高温合金是制造航空、航天、舰船发动机以及地面燃气轮机涡轮盘等部件的关键材料。随着发动机设计的持续改进，涡轮部件的工作温度和应力越来越高，发动机的推重比和工作效率也随之增加。为适应现代动力推进系统的这种发展趋势，变形高温合金的合金化程度不断地提高，现已接近极限水平，进一步发展的空间变得十分有限。因此，寻找新的强化方法成为进一步提高变形高温合金性能，发展现代高性能发动机材料的关键。
磷是高温合金中普遍存在的重要微量元素。过去一直认为磷促进凝固偏析和有害相析出，对合金的力学性能会产生不利的影响，因此把它作为一种有害元素尽量控制到最低水平。但我们的研究发现，适量的磷可将IN718和GH761等合金的持久寿命提高3倍以上。进一步研究表明，磷、硼在IN718合金中存在交互作用，即同时添加磷和硼比单独加入两种元素具有更显著的强化效果，能进一步地提高合金的持久寿命，同时降低合金的稳态蠕变速率一个数量级以上，并且这种强化效果直至750℃仍十分显著。磷、硼在最佳含量附近，对合金的瞬时拉伸、冲击和疲劳裂纹扩展等性能无有害影响。
在国家自然科学基金和‘863’等项目的资助下，我们深入开展了磷、硼对合金组织和性能的影响机理研究。在高温环境下，晶界是高温结构材料中的薄弱环节，而合金中加入了适量的磷和硼后，对晶界产生明显的强化作用，主要表现在：通过位置竞争机制阻碍环境氧的沿晶侵入，抑制表面晶界开裂；降低合金元素在晶界的扩散速率，抑制晶界裂纹的萌生和扩展；降低晶界能，改善晶界析出相的形态。进一步的研究表明，磷和硼对晶内也具有明显的强化效果。例如，观察到孪晶是IN718合金的重要蠕变机制，磷可以增加蠕变孪晶的方向，从而降低蠕变速率。另外，通过热处理获得了单一奥氏体组织，并确定磷、硼提高奥氏体的屈服强度，强化合金基体。
通过前面的基础性研究工作，我们研制了680℃用的IN718合金。在保持IN718合金加工和力学性能优势的基础上，使其承温能力提高30℃，扩大了IN718合金的使用范围。IN718合金性能优异，应用广范，占高温合金年产量的40%以上，该工作具有重要的经济和实用意义。最近，通过将细晶化与磷、硼微合金化技术相结合，发展了一种700℃用高屈服强度涡轮盘材料，使合金的室温屈服强度由原来的935MPa提高至1227MPa，同时具有良好的高温持久和蠕变性能。
通过研究磷、硼在变形高温合金中的作用和机理，使我们对变形高温合金成分、工艺、组织和性能间的关系有了更深刻的认识，也使我们初步找到了一条改善变形高温合金性能的新途径。一些通过磷和硼改性的变形高温合金，已经开始进入工程化应用研究阶段。
上述工作在Metall. Mater. Trans. 等杂志上发表，并被The Forth Pacific Rim International Conference on Advanced Materials and Processing 国际会议邀请作特邀报告，最近又被THERMEC’2006国际会议邀请作特邀报告。[1] |
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