1.4.2　Laves相

Laves相是一种化学式主要为A₂B型的密排立方结构的金属间化合物,每个晶胞中有12个原子,是奥氏体耐热钢中最具潜力的一种强化相。大致分为三种类型:六方晶系的C14、立方晶系的C15和六方晶系的C36。通常在AFA钢中析出的Laves相为具有六方结构的C14类型,具体构成为Fe₂Nb或Fe₂Mo,而仅当两种原子的半径之比小于1.225时,Laves相才有可能析出。与含铝奥氏体耐热钢中其他第二相相比,Laves相的析出速度较缓慢,多出现于晶体内部,与奥氏体基体存在一定的位向关系。值得注意的是,高温下Laves相具有较高的粗化速率,通常认为Laves相会损害奥氏体耐热钢的高温持久性能,合金设计和热处理过程中应尽量避免Laves相的形成。

但与前面提及的大尺寸NbC第二相颗粒相比,Laves相与奥氏体基体间的晶格错配度要小得多。以六方结构为例,其与奥氏体基体间的错配度为:{111}密排面内扩张错配度为9%[1],而垂直于{111}密排面时收缩错配度为5%。在一定条件下,第二相与合金基体的错配度越低,对合金塑性方面的改善贡献越突出。这样看来,虽然Laves相这种金属间化合物常被认为是有害相,但通过引入该类低错配度的第二相,可以作为稳定的弥散强化相对强度高但塑性较差的材料的力学性能有所改善,Laves相在提高材料塑性方面的作用也吸引了一些学者的注意。

对牌号为Fe⁃20Cr⁃30Ni⁃2Nb(数字为原子百分含量)的合金进行研究的结果表明,Laves相作为强化相可以在奥氏体基体中均匀形核,且在800℃长期时效的条件下长久保持较小尺寸。在1473K下绘制了三元等温截面图如图1⁃8所示[20]。图中的富Ni区域主要由Ni₃Al和Ni₃Nb构成,这种具有GCP结构的金属间化合物为材料的主要强化相,而图中的富Fe区域主要是以过渡族金属的碳化物作为主要的强化相,以这种碳化物作为主要强化相的奥氏体钢普遍应用于商业化生产。

图1⁃8　Laves相强化奥氏体钢 Fe⁃Ni⁃Cr合金在1473K时的等温截面图[20]

Yamamoto等人就Laves相在含铝奥氏体耐热钢中作为强化相进行了研究,研究表明其单独强化的效果非常有限,但当Fe₂Nb相与纳米级别的NbC相共同析出时,能产生非常显著的强化效果[21]。含铝奥氏体耐热钢在高温蠕变过程中会二次析出大量微米级别的Fe₂Nb相和纳米级别的Ni₃Nb相,阻碍位错的移动,对位错产生钉扎作用,有效提升合金的高温蠕变强度。且在高温工作环境下,晶界是最为薄弱的部分,当Laves相在晶界上析出时,可以有效地抑制位错的运动,从而抑制晶界的变形行为,以提升材料的高温持久强度和抗蠕变能力。