掺杂元素和γ稳定性对Ni-Cr-Fe基高温合金热膨胀系数的影响

池天惠，施展*，李晓菲，卢勇，杨水源，王翠萍，刘兴军

厦门大学材料学院，厦门，361005

摘要

针对700C超超临界发电机组对于低膨胀高温合金的需求，本文研究了一系列掺杂元素对γ/γ 结构Ni-Cr-Fe基高温合金热膨胀系数和强度的影响。基于实验数据，拟合了700C热膨胀系数与成分的关系。采用Thermo-Calc分析了各个合金的相稳定性，理论计算结果表明γ相稳定性与热膨胀系数有紧密的关系。相稳定性越好，合金的热膨胀系数越小。微观结构的观测很好地验证了这一结论。

实验条件

采用电弧炉熔炼30g合金锭，经过1200C/8h/AC均匀化处理后进行1100C热轧，随后进行1150C/4h/WQ+800C/12h/AC热处理。采用线切割切出长为1555mm3的热膨胀样品，采用TMA热机械分析仪测量热膨胀系数。

主要研究内容及结论

添加Cr、Fe、Co、Ta会增加Ni-Cr-Fe基高温合金的热膨胀系数，而加入的Mo、W、Nb、Al、Ti将显著降低热膨胀系数。Nb、Al、Ti是形成元素，加入后将提高体积含量而降低热膨胀系数，提高强度。Mo、W是重元素并且主要是组成元素，加入后主要通过降低晶格振动而降低热膨胀系数。700℃下热膨胀系数的参数化拟合公式为：CTE/(10-6/C)=

12.47-0.09Mo%-0.25Nb%-0.08(Al%+Ti%)+0.05Co%+0.09Cr%+0.03Fe%+0.15Ta%-0.1W%。采用Thermo-Calc软件分析了相的稳定性，分析表明拟合误差较大的样品都是γ相稳定性较差的样品，并且发现γ相稳定性越好，合金热膨胀系数越小（见图1）。不同温度下样品的微观形貌（如图2）验证了这一结论。

主要性能数据和组织图片

图1 热膨胀系数与γ相稳定性的关系 图2 加热到700C、900C、1000C淬火的SEM形貌

施展，Email:shizhan@xmu.edu.cn