什么是固溶？镍基高温合金为什么需要固溶处理？

什么是固溶？镍基高温合金为什么需要固溶处理？

固溶处理是镍基高温合金制造过程中的关键环节，它通过将其他金属元素溶解到镍中，实现对合金的强化。本文将从固溶体的定义出发，深入探讨固溶处理的微观机制、常见固溶强化元素及其作用，并介绍固溶热处理的参数和常见固溶强化合金。

什么是固溶体？

主要金属元素晶体结构的原子排列如下图所示，所有的镍基高温合金都具有面心立方晶体结构。

图1 铁镍钴钛铜的同素异构

图2 简单立方、体心立方、面心立方结构（三维）

图3 面心立方单一晶格的原子排列 顶视图（二维）

图4 面心立方多晶格原子排列 顶视图（二维）

从宏观角度来看，固溶过程是将其他金属元素（如铁、铬、钼等）溶解到镍中的过程。类似于将盐溶解到水中的过程。但就像它的名字一样，固溶体是固体物质的溶解。由于固体原子的运动速度非常慢，一般固溶体需要将金属加热到一定温度，使原子运动更加自由，从而达到溶解其他元素的目的。其中，基体金属称为溶剂，其他金属称为溶质。

从微观角度来看，固溶体是其他金属元素进入镍晶体形成新的面心立方结构的过程。固溶后的面心立方晶体被称为奥氏体。固溶过程如下图所示：

图5 固溶原理示意图

固溶为什么能强化？

（1）原子半径差引起的强化——长程应力

我们通常所说的合金强度，其实就是合金抵抗变形的能力，而变形的微观本质就是原子的位移。并且由于金属的原子是按照一定的规律排列的，金属内部的位移是通过层间滑动来实现的。如下图所示:

图6 原子在层间滑动

固溶后，溶质原子与镍的原子半径之差会造成晶格畸变，从而阻碍晶体层间的滑移。这使得合金更难变形并达到更高的强度。如下所示：

图7 固溶之后产生长程应力

（2）由原子间作用力引起的强化-短程应力

原子间的斥力随着原子间距离的减小而增大，引力随着原子间距离的增大而增大。固溶后，原子间的距离发生变化，在位移过程中需要克服更多的力。这也是固溶体能强化合金的另一个原因。具体原理如下:

图8 短程应力

（3）原子堆垛层错能量不均匀分布引起的强化

固溶后，合金内部的原子会分布不均匀。在这种情况下，溶质原子聚集的区域会产生缺陷，称为堆垛层错，位移的原子需要更多的能量才能通过堆垛层错。这有效地防止了原子的位移。从而提高合金的强度。

实验表明，原子中电子空穴的数量越多，克服堆垛层错所需的能量就越大，合金的强度也就越大。

图9 堆垛层错能

（4）由原子间力的差异引起的强化-短程有序

不同类型的原子之间有不同的力。在大量溶质原子的情况下，相同溶质原子聚集的地方会出现短程有序现象。当通过短程有序区域时，其他原子需要克服该区域所有原子的作用力，增加了位移的难度，合金在宏观上得到强化。

图10 短程有序

常见的固溶强化元素

以下是一些常见的固溶强化元素及其强化的主要原因。

（1）钴

钴的原子半径与镍的相差不大，因此在合金中添加钴主要是增加堆垛错误的概率，从而实现固溶强化。

（2）铁

铁的主要固溶强化因素是与镍原子的半径差异，但这种强化效果并不像其他元素那样明显。向合金中添加更多的铁主要是可以节省成本。

正如前些天分享的高温合金材料学专题文章中所说：铁基高温合金是我国高温合金体系的一大特色。【3】 中国的高温合金体系

（3）铬

铬的主要功能是增加合金的耐腐蚀性。在机械性能方面，铬会产生堆垛层错。另外，当铬的含量为20% ~ 25%时，可以产生短程有序强化的效果。

关于铬的深度理解，可以参考625和718的故事

（4）钨

钨的原子半径很大，这是它能强化合金的主要原因。同时，钨也会产生堆垛层错。

（5）钼

钼的原子半径也很大，这使得它可以添加到合金中，有效地防止位移，增加原子之间的作用力。同时，钼还可以细化奥氏体的晶粒，也可以增加合金的强度。

（6）铌

铌的原子半径大于钼和钨，也能起到很好的固溶强化作用。但一般来说，铌更多地用于沉淀强化机制。

（7）钽

钽和铌一样，原子半径大，但主要用于沉淀强化。而且这种元素价格很高，一般控制用量。

（8）钒

钒的原子半径比镍大，可以细化晶粒，强化合金。

固溶热处理

固溶处理是高温合金最重要的热处理手段，基本上所有的高温合金都必须进行固溶处理。

（1）固溶处理的目的

• 固溶处理的最终目的是充分溶解强化相，并且有助于合金元素的均匀分布，达到固溶强化的效果。高温合金在高温下工作，需要承受复杂的热力循环和应力状态。固溶处理可以优化合金的微观结构，从而确保合金在高温下具有更好的稳定性和一致性。
• 固溶处理可以获得均匀合适的晶粒尺寸。通过不同的固溶方法，可以控制晶粒的大小来实现不同的功能。
• 通过固溶处理，可以消除合金中的偏析和某些有害相，减少晶界上的脆性相，提高合金的整体韧性。

（2）固溶处理参数

一般来说，热处理需要确定三个参数：温度、时间和冷却速度。

1.温度

选择依据：固溶处理的温度应根据合金的具体成分和所需的强化效果来确定
高于溶解温度：温度应足够高，以确保合金中的强化元素能够充分溶解到基体中。
低于熔化温度：同时，温度必须低于合金的初始熔化温度，以防止合金熔化。
晶粒生长温度：对于某些合金，还需要考虑晶粒开始生长的温度。如果希望获得更细的晶粒结构，固溶温度应保持在晶粒生长温度以下。

图11 固溶处理温度

2.时间

固溶时间通常为1至8小时。固溶处理的时间与固溶处理的温度密切相关。如果温度高于晶粒生长温度，固溶处理时间将决定晶粒的大小。否则，固溶时间对晶粒大小没有显著影响。

3.冷却方式

固溶冷却方法分为炉冷、空冷、油冷和水冷。固溶的冷却速率显著影响合金的晶粒大小。如果需要更细的晶粒大小，应选择冷却速率较快的油冷和水冷。否则，使用炉冷和空冷。

常见固溶强化合金

国外

常见的高温合金中，所有等级的哈氏合金都是固溶强化合金。因此，可以观察到几乎所有的哈氏合金都含有相对大量的钼或钨。
哈氏合金(Hastelloy alloy)就是美国哈氏合金国际公司所生产的镍基耐蚀合金的商业牌号的统称。包括镍钼系哈斯特洛伊(Hastelloy)B-2，镍铬钼系哈斯特洛伊(Hastelloy)C-4等。
我国增材领域常见的GH3536对应Hastelloy X。

国内

GHXXXX （X代表数字，第一位X的含义如下），
1—表示铁或铁镍(镍小于50%)为主要元素的固溶强化型合金类；
2—表示铁或铁镍(镍小于50%)为主要元素的时效强化型合金类；
3—表示镍为主要元素的固溶强化型合金；
4—表示镍为主要元素的时效强化型合金；
5—表示钴为主要元素的固溶强化型合金；
6—表示钴为主要元素的时效强化型合金；
7—表示铬为主要元素的固溶强化型合金；
8—表示铬为主要元素的时效强化型合金；
1、3、5、7，分别为镍基、钴基、铬基固溶强化合金，比如增材领域常见的GH3625、GH3536、GH3230、GH5188等，都是固溶强化合金，最终状态的热处理都是固溶热处理。

结论

固溶是将其他金属元素溶解到特定金属中的过程。
固溶体从四个方面影响高温合金的强度（取决于不同的固溶元素）。
因此，所有的高温合金都需要固溶处理。
有些合金只能通过固溶处理来强化，这些合金被归类为固溶强化高温合金。
虽然固溶处理是高温合金的必要热处理，但仍有一些厂家为了更高的利润而跳过固溶处理；也有些厂家分不清热等静压（HIP）和固溶热处理的先后顺序；还有些觉得HIP温度和固溶温度一样，所以HIP后就不用再做固溶处理，等等，这些都会导致最终产品的性能不达标。