GH145高温合金的三种强化机理
材料牌号 GH145。
相近牌号 Inconel X-750（美国）
GH145合金系仿美Inconel Allogx一750合金，又名Inconel X，是美国Inconel 系统中早期著名的镍基高温合金.它是以 Al、Ti、Nb 强化的镍基合金，在 980℃以下，具有良好的强度;它有好的抗腐蚀和抗氧化性能，也有较好的低温性能，成型性能也好，能适应各种焊接工艺。主要用作燃气轮机与汽轮机的弹簧部件材料。
GH145高温合金GH145合金主要是以γ"Ni3相进行时效强化的镍基高温合金，在高温下具有良好的耐腐蚀、抗氧化性能及较高的强度，同时还具有良好的成形性能和焊接性能。镍基高温合金是用量最大、最重要的高温合金，主要用于制造航空发动机、航天火箭发动机、工业燃气轮机等高温部件，也在能源动力、交通运输、石油化工、冶金等部门获得了广泛应用，特别是在先进的航空发动机中，高温合金的用量占发动机总材料用量的40%～60%，可以说没有高性能的高温合金就没有先进的航空工业，更无法制造先进的飞机。
G H 1 4 5 合金显微组织GH145合金是Inconel 合金系统中早期较好的合金之一，它含有的 Mn，Cr是固溶强化元素，Ni，Cb，Ti和 Al是 7'相的形成元素，决定GH145合金沉淀强化特征。而微量元素 Mg、Zr、B 的加入，起晶界强化作用，同时，Mg具有细化晶粒的作用。可以说它具备镍基高温合金的三种强化机理，即固溶强化，晶界强化，弥散强化机理。Y'相是Ni;（Al，Ti）相，空间群是LI2的面心立方结构，它具有小的质点间距，而Y'相和Y相基体的点阵常数很接近。Y'相硬度大，可以阻止
γ'相的切变，进而强制位错线沿γ'质点周围弯曲，所以Y'相具有强化作用，同时γ'相是球形的，因此表面能低，产生有利的稳定性。
在GH145合金中，因合金化程度较低，晶界附近存在 Y'贫乏区，这是由于铬向晶界扩散形成晶界富铬的碳化物，致使晶界附近铬元素贫化;从而提高这个区域镍和铬的溶解度，引起了Y'的溶解所遣成的，这种 Y'贫乏区对发挥合金的持久性能有利，在工作温度下，这个区域比周围软，可以控制滑移和晶间断裂，但当 Y'相和铬元素过度贫乏时，将对合金性能产生不利影响。
合金强化机制到底有哪些？
合金强化是一个比较大而广泛的概念，大致上可理解为在金属中加入合金元素，并提高合金的强度；具体说是提高金属抵抗范性形变能力的有效和常用方法。
合金元素可以以多种形式存在于基体中：作为溶质原子在固溶体中无序分布，与溶剂原子组成有序结构，形成在结构与成分上与基体不同的弥散质点，并形成尺寸相当的复相混合物等；它们对位错运动的不同程度的阻碍作用是使合金获得高强度的直接原因。合金元素通过改变基体点阵类型，也能使基体晶粒细化，增大基体的淬透性，间接地提高合金的强度。
不同种类的合金强化过程，有不同形式的强化机制。
一、固溶强化溶解在固溶体中的合金元素引起的强化称为 固溶强化。
最基本的情况是合金元素的原子无序地分布在基体中，构成均匀的单相固溶体。由于合金原子与位错之间存在着力学的、化学的以及电学的相互作用，而相互作用能又是位错与溶质原子相对位置的函数，因此滑移面上的位错就如同处在混乱分布的大大小小的能峰与能谷之间，构成了位错滑移的障碍，全部相互作用的统计效果决定着驱使位错运动所必须的应力。碳在钢的马氏体中的作用可以作为这种机制的一个例子。
若温度和时间条件允许，溶质原子趋向于扩散到能量最有利的位置，结果在位错周围会形成溶质原子气团，成为有成分偏聚的固溶体。在这种情况下，无论位错先从气团中挣脱出来再运动，还是拖着溶质原子气团一起运动，都需要外力做更多的功。这些过程与钢中的明显屈服点、应变时效和蓝脆现象有密切关系。
二、沉淀强化在合金中常常用弥散的第二相质点来提高强度，最高强度对应于第二相质点尺寸不大，且呈高度弥散分布的状态，这些第二相往往是金属化合物或氧化物，比基体硬得多。
如第二相质点是利用固溶体脱溶沉淀产生的，称沉淀强化。在高强度铝合金、钢、镍基高温合金中广泛地应用着这种强化方法。
沉淀化机制与产生沉淀质点的时效处理有关(见固溶体的脱溶分解)，典型的发展过程可描述如下。合金的起始强度相当于过饱和固溶体。沉淀初期新相与基体共格，尺寸很小而且弥散，屈服强度决定于位错切过沉淀相所需克服的阻力，包括共格应力、沉淀相内部结构和相界面效应等因素的贡献。随着新相的长大，以及界面和内部结构的变化，位错切割沉淀相质点逐渐困难。按奥罗万机制，当位错线能够达到的曲率半径与滑移面上粒子间距相当时,位错会以类似于弗兰克-里德源的形式绕过障碍粒子，而在第二相粒子上留下一个位错圈。这时质点间距成为控制屈服强度的主要因素，因而，在时效后期屈服强度有随时效时间延长而降低的现象。
三、弥散强化合金中的第二相质点还可以借助于内氧化、粉末烧结等方法引入，在技术上称为弥散强化。弥散硬化的质点常用高硬度氧化物。
第二相质点一般都增大合金的加工硬化率。
由于同类原子和异类原子的键合能不同，固溶体中原子分布也不是完全杂乱的，可能存在异类原子在点阵中局部地或整体地有规则排列的结构超结构即短程序或长程序(见有序-无序相变)，由这种有序结构而引起的强化称有序合金强化。
对于以尺寸相当的两相或多相混合物组成的合金，除在每一相中上述强化机制仍起作用之外，还要计入相界面对强度的贡献。
在特殊情况下，合金元素引起固溶体屈服强度降低，例如某些硅合金以及在低温下的某些铁合金，称为固溶软化效应。
铝合金强化机制有哪些？1.固溶强化
纯铝中加入合金元素，形成铝基固溶体，造成晶格畸变，阻碍了位错的运动，起到固溶强化的作用，可使其强度提高。根据合金化的一般规律，形成无限固溶体或高浓度的固溶体型合金时，不仅能获得高的强度，而且还能获得优良的塑性与良好的压力加工性能。Al－Cu、Al－Mg、Al－Si、Al－Zn、Al－Mn等二元合金一般都能形成有限固溶体，并且均有较大的极限溶解度，因此具有较大的固溶强化效果。
2．时效强化
合金元素对铝的另一种强化作用是通过热处理实现的。但由于铝没有同素异构转变，所以其热处理相变与钢不同。铝合金的热处理强化，主要是由于合金元素在铝合金中有较大的固溶度，且随温度的降低而急剧减小。所以铝合金经加热到某一温度淬火后，可以得到过饱和的铝基固溶体。这种过饱和铝基固溶体放置在室温或加热到某一温度时，其强度和硬度随时间的延长而增高，但塑性、韧性则降低，这个过程称为时效。在室温下进行的时效称为自然时效，在加热条件下进行的时效称为人工时效。时效过程中使铝合金的强度、硬度增高的现象称为时效强化或时效硬化。其强化效果是依靠时效过程中所产生的时效硬化现象来实现的。
3．过剩相强化
如果铝中加入合金元素的数量超过了极限溶解度，则在固溶处理加热时，就有一部分不能溶入固溶体的第二相出现，称为过剩相。在铝合金中，这些过剩相通常是硬而脆的金属间化合物。它们在合金中阻碍位错运动，使合金强化，这称为过剩相强化。在生产中常常采用这种方式来强化铸造铝合金和耐热铝合金。过剩相数量越多，分布越弥散，则强化效果越大。但过剩相太多，则会使强度和塑性都降低。过剩相成分结构越复杂，熔点越高，则高温热稳定性越好。
4．细化组织强化
许多铝合金组织都是由α固溶体和过剩相组成的。若能细化铝合金的组织，包括细化α固溶体或细化过剩相，就可使合金得到强化。
由于铸造铝合金组织比较粗大，所以实际生产中常常利用变质处理的方法来细化合金组织。变质处理是在浇注前在熔融的铝合金中加入占合金重量2～3%的变质剂（常用钠盐混合物：2/3NaF+1/3NaCl），以增加结晶核心，使组织细化。经过变质处理的铝合金可得到细小均匀的共晶体加初生α固溶体组织，从而显著地提高铝合金的强度及塑性。
W工大顶刊：增材制造镍基高温合金的裂纹形成机理
金属增材制造技术(AM)以其无与伦比的设计自由度、超高的材料利用率和通过逐点逐层扫描策略带来的巨大的制造灵活性而受到广泛关注。尽管该技术在生产具有复杂几何形状/定制结构和优异综合性能的零部件中表现出巨大的潜力，但裂纹等缺陷是增材制造技术面临的关键挑战，制约了增材制造技术的进一步广泛应用。研究表明，众多高性能高温合金，如CM247LC、IN939、IN738和Hastelloy X等由于严重的周期性裂纹而无法实现可靠的打印。因此，了解裂纹的形成机理及影响开裂敏感性因素是实现裂纹缺陷有效抑制的根本和关键。
近日，W北工业大学王锦程教授团队针对定向能量沉积(DED) Hastelloy X，基于微观组织分析、热力学计算结合热-力耦合模拟等研究方法，揭示了其裂纹形成机理，全面了解了不同冶金因素对裂纹敏感性的影响规律。相关研究成果以题“Cracking mechanism of Hastelloy Xsuperalloy during directed energy deposition additive manufacturing”发表在增材制造顶刊Additive Manufacturing上。论文第一作者为博士研究生郭博静，王锦程教授与何峰教授为共同通讯作者，W北工业大学为通讯单位。
论文链接：
作为一种典型的固溶强化型镍基高温合金，Hastelloy X因其优良的抗氧化、耐腐蚀性和高温强度而被广泛应用于燃气涡轮发动机等零部件，如燃烧室壳体和燃油喷嘴。由于燃油喷嘴等几何形状极其复杂，采用增材制造技术制备Hastelloy X合金构件展现出显著优势，因而引起了工程和科学领域的关注。不幸的是，Hastelloy X合金在增材制造过程中极易开裂。长期以来，关于增材制造Hastelloy X合金的裂纹形成机理一直存在争议，其开裂敏感性影响因素也尚不清晰。
本研究发现DED-Hastelloy X合金中的裂纹为凝固裂纹，其产生主要C、Mo元素显微偏析 (促进低熔点液态膜产生)、晶界特征(晶界能和晶界密度)以及高的热应力/应变水平相关。当增材制造工艺条件(能量密度)改变时，凝固末期的塑性应变率是影响开裂敏感性的关键因素之一。首次发现了S-HAGB(易裂大角度晶界)占比是影响裂纹敏感性的重要因素，DED-Hastelloy X合金临界开裂晶界取向差角为θ*>18o，超过75%的裂纹优先发生在晶界取向差角为25o-45o的范围内(定义为S-HAGB)，进一步证实了高的晶界能对开裂敏感性的重要影响。此外，晶界密度可通过调节热应变/应力水平和易裂大角度晶界占比来影响开裂敏感性。
摘要图：定向能量沉积增材制造Hastelloy X合金中产生了沿大角度晶界和以液态薄膜为主要特征凝固裂纹。当增材制造热输入(线能量密度)改变时，凝固末期塑性应变率水平以及易裂大角度晶界(S-HAGB)占比是影响凝固开裂敏感性的关键因素。通过降低塑性应变率并同时控制易裂大角度晶界占比可有效地解决增材制造过程中开裂的瓶颈问题。优化合金成分调整偏析也是实现无裂纹零件制备的一条有前途的方法。上述研究成果可用于指导增材制造过程中无裂纹金属及合金的制备。
*感谢论文作者团队对本文的大力支持
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