Nb、Ta对镍基高温合金组织与性能的影响

镍基高温合金以其高强度、良好的抗蠕变性等优点被广泛应用于航空航天发动机涡轮盘和涡轮叶片材料，其优异的力学性能主要得益于γ'-Ni3Al(L12有序结构）的析出强化[1-2]。为进一步改善镍基高温合金的力学性能，合金元素的添加被证明是一种直接有效的策略[3]。因此，研究合金元素对镍基高温合金力学性能的影响，具有非常重要的实际意义。

Ta、Nb、Ti等元素作为主要的γ'相形成元素，其含量的增多有助于合金力学性能的提升[4-7]。邢鹏宇[4]通过添加3.5%Ta（质量分数，下同）制备得到了在750℃/690MPa下持久寿命为101h的FGH4098粉末高温合金。Shi等[5]研究发现在镍基高温合金(Ni-Co-Cr-Mo-W-Al-Ta-Nb-Re-Ru-Hf-C系）中添加1%Nb元素，可以将1070℃/160MPa下的持久寿命从430h提升到489h。Xu等[6]基于Nimonic80A合金，将Ti含量从1.80%增加到2.25%,发现合金在750℃/310MPa的持久寿命由117h提高到283h;Ti含量继续增加到2.70%,持久寿命降低为60h,这是由于Ti含量的增多促进了拓扑密排相(Topologicallyclose-packed,TCP)的形成导致。Xu等[7]进一步研究了Ti/Al比对蠕变性能的影响规律，结果表明，当Ti/Al比为0.74~1.22时，合金中没有TCP相的形成，且在750℃/310MPa下具有较高的蠕变寿命。此外，有研究发现当Mo/W比较低时，镍基高温合金中不会形成TCP相，力学性能得到增强[8-9]。因此，保持较低Mo/W比且Ti/Al比在合适的范围可以避免TCP相的形成，从而提升合金的性能。由于Ta、Nb有利于保持组织的稳定性［10］，能够实现替代Ti元素降低Ti／Al比的目的，然而有关Ta、Nb元素与Ti元素间的替代或匹配的研究还不够系统，需要进一步的研究。

基于通过“团簇加连接原子”模型确定的镍基高温合金理想成分式［Al-Ni12］（Al，Cr）3，本文采用扫描硬度和压缩测试对Nb、Ta替换Ti后合金的微观组织进行研究，对γ'相的形貌、γ'相的尺寸和体积分数、γ和γ'相的晶格常数、γ／γ'两相错配度、硬度以及力学性能进行分析。

1成分设计及试验方法

前期工作［11］通过“团簇加连接原子”模型确定了镍基高温合金的理想成分式为［Al-Ni12］（Al，Cr）3，其中Ni表示类Ni元素（Ni、Co、Fe、Ru），12是壳层原子个数，Al表示类Al元素（Al、Ti、Ta、Nb），Cr表示类Cr元素（Cr、Mo、W），3是连接原子个数。首先，通过Nb、Ta替换Ti的方法，设计得到4种合金，分别为A1合金［Al-Ni8.83Co3.17］（Cr1.83Mo0.33W0.17Ti0.67Nb0Ta0）、A2合金Al-Ni8.83Co3.17］（Cr1.83Mo0.33W0.17Ti0.50Nb0.17Ta0）、A3合金［Al-Ni8.83Co3.17］（Cr1.83Mo0.33W0.17Ti0.50Nb0Ta0.17）和A4合金［Al-Ni8.83Co3.17］（Cr1.83Mo0.33W0.17Ti0.33Nb0.17Ta0.17）；其次，在A4合金的基础上，通过Ti替换部分Mo来保持Ti／Al＝1同时降低Mo／W＝0.5，设计得到A5合金［Al-Ni8.83Co3.17］（Cr1.83Mo0.17W0.17Ti0.50Nb0.17Ta0.17）。5种合金的设计成分如表1所示。

利用ＺＧＪＬ-0.025型真空感应熔炼炉制备得到100ｇ的铸态合金。5种合金均1200℃固溶2ｈ后水冷，然后在800℃时效8ｈ后空冷。利用布鲁克Ｄ8AｄｖAｎｃｅＸ射线衍射仪（ＸＲＤ，ＣｕＫα辐射，λ＝0.15406nm）对合金进行物相表征，基于Ｐｅｓｕｄｏ-Ｖｏｉｇｔ函数对合金的（111）面衍射峰分峰拟合，得到γ、γ'相的晶格常数［12-14］，并进一步根据公式（1）计算得到γ、γ'两相的错配度（δ）［15-17］：

式中：Aγ和Aγ'分别为γ、γ'相的晶格常数。利用ＪＳＭ-ＩＴ800高分辨场发射扫描电镜（ＳＥＭ）进Ｈ3ＰＯ4＋90ｍＬＨ2Ｏ）进行电解腐蚀，电压为7.5Ｖ，时间为7～10ｓ。采用ＮAｎｏｍｅAｓｕｒｅ和ＩｍAｇｅ-ＰｒｏＰｌｕｓ6.0状参数由公式（2）计算得到［18-19］：

式中：η为形状参数（0≤η≤1），η＝0表示γ'相为完全球形，η越大表明γ'相越偏向于立方形；A表示粒子平行面的长度；Ｂ表示粒子中与平行面垂直的最长距离，形状参数的计算示意图如图1所示。

利用HVＤ-5ＩＳ型维氏硬度计对合金的硬度进行测试，测试前对试样进行抛光处理，为减少误差，每个试样均测10次取平均值，加载载荷为5kg，加载时间为15ｓ。利用ＵＴＭ4204Ｘ型万能试验机对尺寸为ϕ3ｍｍ×5ｍｍ的试样在室温下进行压缩试验，压缩速率为0.5ｍｍ／ｍｉｎ。

2 试验结果与讨论

2.1 Nb、Ta对微观组织的影响

图2为A1～A5合金的ＳＥＭ图，图3为相应的γ'相尺寸和体积分数统计结果。从图2（A）可以观察到，当Ta、Nb无添加时，A1合金中的γ'相大多为球形形态（见圆圈所示）。部分γ'相处于一种球形到立方形的过渡阶段，呈现带有圆角的立方形形态（见椭圆所示），此时γ'相具有最小的尺寸和体积分数，分别为54.7nm和60.5%。由图2（ｂ，ｃ）可见，随着Nb元素和Ta元素的添加，A2、A3合金中γ'相的分布较为均匀，球形γ'相的数量减少，带有圆角立方形的γ'相增多，与A1合金相比，γ'相的尺寸分别增大到57.1nm和58.0nm，体积分数分别提高到68.3%和73.5%。当合金中同时添加Nb、Ta元素时（见图2（ｄ）），A4合金中γ'相的分布更加均匀，球形γ'相的数量明显减少，带有圆角立方形的γ'相明显增多，γ'相的尺寸和体积分数分别为57.3nm和72.9%。同时添加Nb、Ta元素且通过Ti替换部分Mo元素时（见图2（ｅ）），A5合金中的γ'相基本上呈现为带有圆角的立方形形态，球形γ'相几乎消失不见，γ'相的尺寸和体积分别为56.9nm和72.7%。

研究发现，γ'相的形貌变化与错配度密切相关［20］，当错配度的绝对值较小时，界面能发挥主要作用，使得γ'相形貌呈现为球形；而当错配度的绝对值较大时，应变能占主导，促使γ'相的形貌向立方形转变。因此，为了对固溶时效后A1～A5合金的错配度变化进行研究，采用分峰拟合的方法对（111）面进行分峰处理，如图4所示，并进一步得到γ和γ'相的晶格常数（见图5）。随着Nb、Ta元素的添加，γ相的晶格常数越来越大，而γ'相的晶格常数先增大后减小。这是因为Nb、Ta具有比Ti更大的原子半径，使得合金产生较大的晶格畸变，导致晶格常数的增大。然而，同时添加Nb、Ta元素会促进Cr、Mo、W等元素向γ相的偏聚［21］，其原子半径均大于Ni，从而进一步提高了γ相的晶格常数，使得γ'相的晶格常数降低。图6是A1～A5合金的形状参数及错配度。当Nb、Ta无添加时，A1合金的错配度绝对值为0.33%，在界面能作用下γ'相呈球形，此时η为0.305。随着Nb、Ta元素的添加，A2和A3合金的错配度绝对值分别增大到0.35%和0.41%，使得γ'相形貌开始从球形向立方形转变，η也相应地分别增大到0.329和0.334。当合金中同时添加Nb、Ta元素时，A4合金的错配度绝对值进一步增大到0.43%，带有圆角立方形的γ'相明显增多，η达到0.341。当同时添加Nb、Ta元素且通过Ti替换部分Mo元素时，A5合金的错配度绝对值达到最大，为0.67%，γ'相基本上呈带有圆角的立方形形态，球形γ'相几乎消失不见，此时η达到0.344。

2.2 Nb、Ta对力学性能的影响

图7所示为A1～A5合金的硬度统计图。从图7可以看出，Ta、Nb替代Ti元素后均提高了合金的硬度。当Nb、Ta无添加时，A1合金硬度最小，为410HV5。随着Nb元素和Ta元素的添加，A2和A3合金的硬度值分别提高到413HV5和427HV5。当合金中同时添加Nb、Ta元素时，与A1合金相比，A4合金的硬度值大幅度提升到440HV5。同时添加Nb、Ta元素且通过Ti替换部分Mo元素时，A5合金的硬度值达到最高，为464HV5。

图8是A1～A5合金室温下的压缩应力-应变曲线及屈服强度、抗压强度。可以发现，Ta、Nb替换Ti元素后，合金的压缩性能均得到了提升，尤其是屈服强度呈规律性增加。对于A1合金，当Nb、Ta无添加时，合金具有最小的屈服强度（892MPa）和最小的抗压强度（1847MPa）。随着Nb、Ta元素的添加，A2和A3合金的屈服强度分别提高到907MPa和947MPa，抗压强度分别提高到2023MPa和2319MPa。同时添加Nb、Ta元素时，A4合金的屈服强度增大到964MPa；同时添加Nb、Ta元素且通过Ti替换部分Mo元素，A5合金的屈服强度大幅度提升并达到最大值，为1043MPa。

镍基高温合金的力学性能与γ'相的尺寸和体积分数密切相关，这是因为较大体积分数的γ'相会增强合金的沉淀强化效果，提升力学性能［22-23］。一方面，Nb、Ta元素的添加增大了γ'相的尺寸和体积分数，使得合金具有较强的沉淀强化作用，导致合金硬度的增大以及压缩性能的提升。另一方面，Nb、Ta元素的添加也会对γ／γ'两相的错配度产生影响，错配度绝对值的增大提高了合金对位错运动的阻碍，有利于合金性能的提升。由图6可知，合金的错配度绝对值随着Nb、Ta元素的添加而增大，当同时添加Nb、Ta元素且通过Ti替换部分Mo元素时（A5合金），合金具有最大的错配度绝对值0.67%，此时合金的硬度和屈服强度也均达到最大值，分别为464HV5和1043MPa。

3 结论

1）随着Nb、Ta元素的添加，试验合金中γ'相的形貌由球形向带圆角的立方形转变，γ'相的尺寸和体积分数先增大后减小。

2）随着Nb、Ta元素的添加，γ相的晶格常数越来越大，γ'相的晶格常数先增大后减小，且错配度绝对值也变得越来越大。

3）试验合金的硬度和屈服强度随着Nb、Ta元素的添加而增大，当同时添加Nb、Ta且通过Ti替换部分Mo时（Ti／Al＝1、Mo／W＝0.5），合金具有最优的力学性能，硬度和屈服强度均达到最大值，分别为464HV5和1043MPa。

参考文献：鹿超，等：Nb、Ta对镍基高温合金组织与性能的影响

中图分类号：TG113.2文献标志码：A文章编号：0254-6051（2025）07-0193-06

ＤＯＩ：10.13251／ｊ.ｉｓｓｎ.0254-6051.2025.07.027

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