高性能合金/創新合金/未來合金

1 概述

氣閥在高溫氣體腐蝕、高應力作用等惡劣環境下工作，排氣閥承受的溫度高達600-800℃。常用的氣閥合金有兩種，一種是ALLOY 80A，一種是ALLOY 751，隨著ALLOY 80A的大量使用，其高溫性能得到越來越多的關注。經對ALLOY 80A合金組織性能進行了研究發現，Ti/Al比的增加顯著提高室溫力學性能，當 Ti/Al比較低時，晶內有β-NiAl相析出，會導致材料高溫斷裂。

由于國家對于減排的要求不斷提高，導致對發動機效率的要求不斷提高，燃燒室溫度也進一步提高。根據目前對氣閥合金的高溫性能研究，發現ALLOY 80A和ALLOY 751可以在700℃左右使用,但當溫度達到750℃時,這類合金高溫性能顯得不足，還往往造成工作時氣閥失效。因此為了適應不斷升高的排氣閥工作環境溫度，需要開發一種在750℃左右工作，其性能要優于ALLOY 80A的新型氣閥合金。

ALLOY LF8是以ALLOY 80A合金為基礎研發出來的一種新型氣閥合金，金相試驗和力學實驗的數據表明，ALLOY LF8的穩定性、力學性能強度和硬度均優于ALLOY 80A，有希望成為750℃環境下氣閥合金的優選材料。

2 應用

ALLOY LF8主要應用于750℃左右高溫工作溫度環境下的高性能內燃機排氣閥。由于ALLOY LF8氣閥合的金室溫和高溫強度以及硬度均高于ALLOY 80A，有希望成為750℃氣閥合金的優選材料。

3 化學成份(wt%)

表1

4 金相

圖1為 LF8 合金熱處理后的掃描電鏡照片

圖2為透射電鏡照片

表2 合金熱處理后的析出相

圖1 實驗合金熱處理后的掃描電鏡圖片及對應能譜

( a) 顯微組織掃描; ( b) 晶界碳化物形貌; ( c) M23C6能譜; ( d) MC 能譜

圖2 析出相透射照片和衍射花樣 ( a) γ'相; ( b) TiC 相; ( c) M23C6相

表2 合金熱處理后的析出相

由圖1 和圖2看出實驗合金熱處理后的顯微組織為奧氏體基體并伴有大量的退火孿晶， 晶粒尺寸在20-150μm之間，析出相有γ'、M23C6和TiC相。根據熱力學計算結果，γ'相是ALLOY LF8 合金中主要的強化相，起到沉淀強化的作用，γ'相長大時會增加界面能，使系統的不穩定性增加，γ'相在耐熱合金中的時效過程中析出受到溫度和時間的雙重作用。對于ALLOY LF8合金，經過760℃ / 5小時時效后，γ'相十分細小，在圖1掃描電鏡下無法分辨，在圖2中可以清晰的看到基體中細小的γ'相。ALLOY LF8合金中的 γ'相呈近球形，彌散分布在晶內，尺寸大約在20nm。由于ALLOY LF8時效時間短，γ'相尺寸細小含量較少屬于析出初期，尚未發生粗化長大。表2是ALLOY LF8合金熱處理后進行化學萃取和 X射線衍射相分析定性結果，從表中可見γ'的點陣常數ɑ0 = 0.357-0.358nm，合金中的Cr溶入γ'，Cr含量增加使γ'相數量稍有增加。由圖1( b) 掃描照片和圖1( d) 能譜照片看出，Cr23C6為主要析出碳化物，呈不連續橢圓狀，長度為 400-800nm，部分分布在晶內的Cr23C6呈圓點狀，從表5中看出點陣常數ɑ0 = 0.430-0.431nm，合金中的Cr和Ni溶入M23C6形成Cr23C6。晶界處分布的Cr23C6相對晶界起到釘扎作用，有效增加合金的高溫強度，連續分布的Cr23C6相會減小界面能， 但不連續分布對晶界的釘扎效果更好，尺寸不宜過大，如果時效時間過長Cr23C6相容易發生聚集長大，影響合金的高溫性能。由圖1( a) 掃描照片和圖1( c) 能譜照片看出，晶內析出碳化物為MC，呈小塊狀，數量較少，尺寸在 500-1000nm，從透射照片( 圖2b) 中還可以清楚的觀察到晶內呈短棒狀的TiC。從表2中看MC相點陣常數為ɑ0 = 1.060-1.062nm，點陣常數較大。TiC可分為初生和次生兩種，初生TiC碳化物是在凝固過程中形成的，多分布在晶內及晶界處，平均尺寸較大; 次生TiC 在熱加工后的合金冷卻、熱處理或者長期使用過程中由γ基體中析出或者由其他相轉變而成。初生的TiC由于尺寸較大而且析出和溶解溫度較高，因此在熱加工和熱處理過程中比較穩定。從熱力學軟件中看在760℃平衡相中并沒有TiC平衡相析出，熱力學軟件計算出的析出相都是平衡析出相并不包括未溶或者其他轉變相，合金中存在的TiC應該是溶解度較高未回溶那部分少量初生TiC。

5 力學性能

圖3為ALLOY LF8和ALLOY 80A在室溫環境下的拉伸性能和硬度對比圖

圖4為ALLOY LF8和 ALLOY 80A高溫拉伸性能對比圖

圖5 合金平衡態熱力學相圖

圖3 ALLOY LF8和ALLOY 80A的拉伸性能、硬度對比圖

圖4 常規熱處理實驗后Alloy LF8的高溫力學性能 (a) 抗拉強度; (b) 屈服強度

圖5 合金平衡態熱力學相圖 (a) ALLOY LF8合金平衡態熱力學相圖; (b) ALLOY 80A合金平衡態熱力學相圖

從圖3中可以看出ALLOY LF8的抗拉強度和屈服強度分別為1307MPa和973MPa，硬度為40.8HRC，ALLOY 80A在室溫條件下的抗拉強度和屈服強度分別為1194MPa和776MPa，硬度為37.6HRC，分別比ALLOY 80A高8.6%、20%和7.9%。

從圖4(a)、5(b)中可以看出ALLOY LF8和ALLOY 80A的抗拉強度和屈服強度隨著溫度的升高而降低，ALLOY LF8在 750℃時抗拉強度和屈服強度為845MPa和750MPa，而ALLOY 80A在750℃時的抗拉強度和屈服強度只有802MPa和657MPa，ALLOY LF8的抗拉強度和屈服強度明顯高于ALLOY 80A，分別高5.0%和12.4%。

金屬材料中時效態析出相的含量、尺寸以及分布對其強度有較大的影響，合金時效后微觀結構的穩定性也會對其力學性能產生影響。γ'和碳化物是鎳基合金中的重要強化相，在鎳基耐熱合金中γ'與基體之間為共格關系存在，LI2型結構的 γ'在時效后與基體的的錯配度增大，易轉變為更加穩定的立方結構。在760℃/5小時時效后，γ'相以及晶界上碳化物析出都增加了ALLOY LF8的強度，圖5是 Thermo-calc 熱力學軟件計算結果，從平衡相圖中我們看出ALLOY LF8合金的γ'相在760℃平衡相析出含量為27.21%，ALLOY 80A只有18.60%，ALLOY LF8比ALLOY 80A的γ'平衡析出相含量高8.61%。表明在760℃時ALLOY LF8的γ'相析出含量大于80A析出含量，從而在理論上驗證了ALLOY LF8的強度高于ALLOY 80A。同時，合金中加入了Co元素增加了固溶強化的作用，減少γ'相的溶解。高溫下晶界的裂紋往往是導致合金提前失效的主要原因，碳在高溫下容易向晶界擴散，使晶界處富Cr的碳化物聚集長大，最終形成片層狀的脆性相降低合金的高溫強度和韌性。與ALLOY 80A、ALLOY 751、ALLOY 617 等鎳基耐熱合金相比，ALLOY LF8合金熱處理過后，晶界碳化物為不連續分布，這種形貌的碳化物能有效的釘扎晶界，提高合金晶界結合力增加晶界滑移的阻力，減少晶界裂紋源的形成，從而提高了晶界對拉伸的抗性。經過力學實驗的數據分析，ALLOY LF8合金的強度和硬度高于ALLOY 80A，有希望成為750℃ 氣閥合金的優選材料。

6 產品

棒材和條桿：交貨狀態有軋制、熱處理、氧化、除鱗、車光、磨光、拋光。

其它：盤件、無縫管、筒件、鍛件、鍛坯等。