高温合金晶界强化(grain boundary strengthening of superalloy)

添加微量元素改善晶界状态达到高温合金强化的目的。晶界的晶体结构不规则，原子排列混乱，晶格歪扭，又存在各种晶体缺陷(如位错、空洞等)，因此晶界在高温变形时是一个薄弱环节。在高温蠕变时，晶界形变量占总形变量的50％，因此强化晶界就成为高温合金强化的一个重要部分。一些有害杂质元素的溶解度很小且往往偏析于晶界，生成低熔点共晶化合物。硫在γ—Fe中的溶解度只有0.015％。因此合金中所含的硫在铁中易形成熔点为988C的Fe+FeS低熔点共晶。硫在镍中会形成熔点只有644℃的Ni+Ni₃S₂共晶。这些低熔点共晶在晶界的形成会大大恶化合金的热加工性能和高温热强性。通常高温合金中的硫含量控制在0.015％以下，优质高温合金控制在0．005％～0.007％以下。美国宇航材料标准AMS2280规定镍基高温合金必须满足杂质控制标准，要求铋、铊、碲、铅、硒5个元素含量分别在(0.5～5)×10^-6以下，同时对锑、砷、镉、镓、锗、金、铟、汞、钾、钠、钍、银、锡、铀、锌等15个微量杂质元素的含量分别控制在50×10^-6以下，其总和还不允许超过4O0×10^-6为了消除有害杂质和气体的不利作用，进一步净化和强化晶界，可以加入一些微量元素，诸如硼、锆、铪、镁、钙、钡、镧和铈等。硼在晶界偏聚，形成M₃B₂硼化物(见高温合金材料的间隙相)进行强化。硼能抑制晶界片层状、胞状析出相以及改善碳化物密集不均匀分布的状态，因而对热强性有利。铁、镍基高温合金中硼含量总在0.05％以下，通常控制在0.01％～0.02％左右。铸造高温合金中硼含量略高，一般可达0.02％～0.03％左右。锆和硼有类似作用，但其效果不如硼大。镁是晶界偏聚元素，使晶界碳化物呈颗粒状分布，因而阻止沿晶裂纹的快速扩展，有利于热强性。镁使高温合金的蠕变第二阶段延长，第三阶段扩展，因而获得高的塑性和长的断裂寿命。由于镁使持久断裂塑性提高，可以大大改善持久缺口敏感性。镁还有去除杂质元素的洁净作用。镁、钙、钡、镧和铈等元素由于化学性活泼，与氧有很大的亲和力，可以在冶炼过程中起良好的脱氧去气作用，又能和一些低熔点杂质生成密度较小的难熔化合物，消除有害杂质在晶界的不利作用。这些微量元素的加入量都有一个最佳量，过量加入反而会使热强性下降。