高温合金的强化方式

高温合金常用的强化方式分为固溶强化、沉淀强化和晶界强化等。

1) 固溶强化：通过向基体合金中加入 W、Mo、Cr、Ta、Nb 等元素固溶强化基体。由于添加元素和基体的晶格常数不一致，因此造成基体晶格畸变，降低基体的层错能，产生短程有序及原子偏聚，阻碍位错运动，同时也降低固溶体中元素扩散系数以及强化合金基体。固溶强化作用与溶质和溶剂原子尺寸差别相关，基体元素与添加元素的电子和化学因素差异在很大的程度上会影响合金元素在基体中的溶解度。固溶强化可以提高合金的热强性主要体现在以下两个方面：当T≤0.6Tm 时，由于晶格畸变，基体的滑移抗力增大，滑移变形困难从而强化；当T≥0.6Tm 时，原子间的结合力增大，基体中元素扩散能力下降，合金的再结晶温度升高，阻碍扩散形变进行。

2) 第二相沉淀强化：向合金添加 Al、Ti、Nb、Re、Ta 等元素，形成稳定 γ′相；加入 C、B 等元素与 Cr、Mo、W、Ti、Nb 等形成各种类型的碳化物，强化基体及晶界，强化程度与强化相类型、形态、数量、大小以及分布有关。一般而言，γ′相在基体中以共格的形式析出，在 γ′相周围存在较强的弹性应力场，基体与 γ′相点阵错配度越大，应力场也就越强，强化效果也就会明显。此外，γ基体与析出的 γ′相共格，晶体点阵相同，能够被移动的位错所切割，形成反相畴界和超点阵位错，进而强化基体。钴基高温合金以碳化物析出沉淀硬化为主，碳化物硬而脆且在基体中以非共格的形式析出，其强化作用的特点为：低温时位错以绕过方式通过第二相碳化物；在高温蠕变条件下，位错的攀移机制起主导作用。另外，如果碳化物具有在高温下溶解及低温下析出的可能性、碳化物的结构与基体相近、具有均匀析出的特点时有利于提高强化效果。但当碳过饱和时，往往形成大块状的碳化物，引起脆化、团聚碳化物、降低合金元素的恶扩散能力等条件就会起到较好的强化作用。钴基与镍基高温合金强化方式有所不同，沉淀强化机制认为：γ′相在钴基合金中呈脆性形态沉淀析出，错配度较大，恶化了合金的高温性能。钴基高温合金不是通过基体中有序沉淀相来强化的，它主要是通过固溶强化奥氏体基体和基体中分布少量碳化物来实现强化作用，铸造钴基高温合金主要依靠碳化物强化。

3) 晶界强化：通过添加 B、C、Zr 等元素填补原子空位，晶界的合金化程度得以提高、净化晶界、减缓晶界移动、合金的高温晶界强度上升。高温时晶界是薄弱环节，因而在断裂时呈现出沿晶断裂特征。晶界上原子排列紊乱，晶格畸变严重，晶体内部存在各种各样的晶体缺陷，如位错、孔洞等。在室温快速形变时，晶界基本上不参与形变，并且晶界阻止晶内滑移的贯穿，有利于强化合金。高温蠕变时，晶界的强度低并参与变形，晶界形变量有时达总形变量的 50%左右。一般而言，低温时晶界强度比晶内强度高，晶界强度和晶内强度随温度升高而下降，但晶界强度下降得更快，在某一温度范围，晶内强度与晶界强度相当；当温度再次升高，晶内强度比晶界强度高。