高性能合金/创新合金/未来合金

1 概述

气阀在高温气体腐蚀、高应力作用等恶劣环境下工作，排气阀承受的温度高达600-800℃。常用的气阀合金有两种，一种是ALLOY 80A，一种是ALLOY 751，随着ALLOY 80A的大量使用，其高温性能得到越来越多的关注。经对ALLOY 80A合金组织性能进行了研究发现，Ti/Al比的增加显著提高室温力学性能，当 Ti/Al比较低时，晶内有β-NiAl相析出，会导致材料高温断裂。

由于国家对于减排的要求不断提高，导致对发动机效率的要求不断提高，燃烧室温度也进一步提高。根据目前对气阀合金的高温性能研究，发现ALLOY 80A和ALLOY 751可以在700℃左右使用,但当温度达到750℃时,这类合金高温性能显得不足，还往往造成工作时气阀失效。因此为了适应不断升高的排气阀工作环境温度，需要开发一种在750℃左右工作，其性能要优于ALLOY 80A的新型气阀合金。

ALLOY LF8是以ALLOY 80A合金为基础研发出来的一种新型气阀合金，金相试验和力学实验的数据表明，ALLOY LF8的稳定性、力学性能强度和硬度均优于ALLOY 80A，有希望成为750℃环境下气阀合金的优选材料。

2 应用

ALLOY LF8主要应用于750℃左右高温工作温度环境下的高性能内燃机排气阀。由于ALLOY LF8气阀合的金室温和高温强度以及硬度均高于ALLOY 80A，有希望成为750℃气阀合金的优选材料。

3 化学成份(wt%)

表1

4 金相

图1为 LF8 合金热处理后的扫描电镜照片

图2为透射电镜照片

表2 合金热处理后的析出相

图1 实验合金热处理后的扫描电镜图片及对应能谱

( a) 显微组织扫描; ( b) 晶界碳化物形貌; ( c) M23C6能谱; ( d) MC 能谱

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

表2 合金热处理后的析出相

由图1 和图2看出实验合金热处理后的显微组织为奥氏体基体并伴有大量的退火孪晶， 晶粒尺寸在20-150μm之间，析出相有γ'、M23C6和TiC相。根据热力学计算结果，γ'相是ALLOY LF8 合金中主要的强化相，起到沉淀强化的作用，γ'相长大时会增加界面能，使系统的不稳定性增加，γ'相在耐热合金中的时效过程中析出受到温度和时间的双重作用。对于ALLOY LF8合金，经过760℃ / 5小时时效后，γ'相十分细小，在图1扫描电镜下无法分辨，在图2中可以清晰的看到基体中细小的γ'相。ALLOY LF8合金中的 γ'相呈近球形，弥散分布在晶内，尺寸大约在20nm。由于ALLOY LF8时效时间短，γ'相尺寸细小含量较少属于析出初期，尚未发生粗化长大。表2是ALLOY LF8合金热处理后进行化学萃取和 X射线衍射相分析定性结果，从表中可见γ'的点阵常数ɑ0 = 0.357-0.358nm，合金中的Cr溶入γ'，Cr含量增加使γ'相数量稍有增加。由图1( b) 扫描照片和图1( d) 能谱照片看出，Cr23C6为主要析出碳化物，呈不连续椭圆状，长度为 400-800nm，部分分布在晶内的Cr23C6呈圆点状，从表5中看出点阵常数ɑ0 = 0.430-0.431nm，合金中的Cr和Ni溶入M23C6形成Cr23C6。晶界处分布的Cr23C6相对晶界起到钉扎作用，有效增加合金的高温强度，连续分布的Cr23C6相会减小界面能， 但不连续分布对晶界的钉扎效果更好，尺寸不宜过大，如果时效时间过长Cr23C6相容易发生聚集长大，影响合金的高温性能。由图1( a) 扫描照片和图1( c) 能谱照片看出，晶内析出碳化物为MC，呈小块状，数量较少，尺寸在 500-1000nm，从透射照片( 图2b) 中还可以清楚的观察到晶内呈短棒状的TiC。从表2中看MC相点阵常数为ɑ0 = 1.060-1.062nm，点阵常数较大。TiC可分为初生和次生两种，初生TiC碳化物是在凝固过程中形成的，多分布在晶内及晶界处，平均尺寸较大; 次生TiC 在热加工后的合金冷却、热处理或者长期使用过程中由γ基体中析出或者由其他相转变而成。初生的TiC由于尺寸较大而且析出和溶解温度较高，因此在热加工和热处理过程中比较稳定。从热力学软件中看在760℃平衡相中并没有TiC平衡相析出，热力学软件计算出的析出相都是平衡析出相并不包括未溶或者其他转变相，合金中存在的TiC应该是溶解度较高未回溶那部分少量初生TiC。

5 力学性能

图3为ALLOY LF8和ALLOY 80A在室温环境下的拉伸性能和硬度对比图

图4为ALLOY LF8和 ALLOY 80A高温拉伸性能对比图

图5 合金平衡态热力学相图

图3 ALLOY LF8和ALLOY 80A的拉伸性能、硬度对比图

图4 常规热处理实验后Alloy LF8的高温力学性能 (a) 抗拉强度; (b) 屈服强度

图5 合金平衡态热力学相图 (a) ALLOY LF8合金平衡态热力学相图; (b) ALLOY 80A合金平衡态热力学相图

从图3中可以看出ALLOY LF8的抗拉强度和屈服强度分别为1307MPa和973MPa，硬度为40.8HRC，ALLOY 80A在室温条件下的抗拉强度和屈服强度分别为1194MPa和776MPa，硬度为37.6HRC，分别比ALLOY 80A高8.6%、20%和7.9%。

从图4(a)、5(b)中可以看出ALLOY LF8和ALLOY 80A的抗拉强度和屈服强度随着温度的升高而降低，ALLOY LF8在 750℃时抗拉强度和屈服强度为845MPa和750MPa，而ALLOY 80A在750℃时的抗拉强度和屈服强度只有802MPa和657MPa，ALLOY LF8的抗拉强度和屈服强度明显高于ALLOY 80A，分别高5.0%和12.4%。

金属材料中时效态析出相的含量、尺寸以及分布对其强度有较大的影响，合金时效后微观结构的稳定性也会对其力学性能产生影响。γ'和碳化物是镍基合金中的重要强化相，在镍基耐热合金中γ'与基体之间为共格关系存在，LI2型结构的 γ'在时效后与基体的的错配度增大，易转变为更加稳定的立方结构。在760℃/5小时时效后，γ'相以及晶界上碳化物析出都增加了ALLOY LF8的强度，图5是 Thermo-calc 热力学软件计算结果，从平衡相图中我们看出ALLOY LF8合金的γ'相在760℃平衡相析出含量为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℃时ALLOY LF8的γ'相析出含量大于80A析出含量，从而在理论上验证了ALLOY LF8的强度高于ALLOY 80A。同时，合金中加入了Co元素增加了固溶强化的作用，减少γ'相的溶解。高温下晶界的裂纹往往是导致合金提前失效的主要原因，碳在高温下容易向晶界扩散，使晶界处富Cr的碳化物聚集长大，最终形成片层状的脆性相降低合金的高温强度和韧性。与ALLOY 80A、ALLOY 751、ALLOY 617 等镍基耐热合金相比，ALLOY LF8合金热处理过后，晶界碳化物为不连续分布，这种形貌的碳化物能有效的钉扎晶界，提高合金晶界结合力增加晶界滑移的阻力，减少晶界裂纹源的形成，从而提高了晶界对拉伸的抗性。经过力学实验的数据分析，ALLOY LF8合金的强度和硬度高于ALLOY 80A，有希望成为750℃ 气阀合金的优选材料。

6 产品

棒材和条杆：交货状态有轧制、热处理、氧化、除鳞、车光、磨光、抛光。

其它：盘件、无缝管、筒件、锻件、锻坯等。