Ausscheidungs---härtende Legierungen auf Nickel---Basis sind mit einem bestimmten Gehalt an ausscheidungs-- bildenden Elementen (wie Al, Ti, Nb) in ihrer Zusammensetzung konzipiert. Der Alterungsprozess gliedert sich in zwei Kernphasen:
Zuerst Lösungsbehandlung: Die Legierung wird auf eine hohe Temperatur (normalerweise 980–1150 Grad) erhitzt und über einen bestimmten Zeitraum gehalten. Dadurch können sich die Niederschlags---bildenden Elemente gleichmäßig im FCC-Gitter auf Nickel---Basis auflösen und eine übersättigte feste Lösung bilden. Anschließend wird eine schnelle Abkühlung (Abschrecken mit Wasser oder Luftkühlung) durchgeführt, um die Ausfällung zweiter Phasen bei Raumtemperatur zu unterdrücken und so den metastabilen übersättigten Zustand der festen Lösung aufrechtzuerhalten.
Anschließende Alterungsbehandlung: Die übersättigte feste Lösung wird auf eine mittlere Temperatur (normalerweise 600–850 Grad) erhitzt und mehrere bis Dutzende Stunden lang gehalten. Bei dieser Temperatur nimmt die Löslichkeit der Niederschlags---bildenden Elemente in Nickel stark ab. Die übersättigten Atome (Al, Ti, Nb) diffundieren und aggregieren in der Matrix und reagieren mit Nickelatomen unter Bildunggeordnete intermetallische Verbindungsphasen(Die häufigsten sind die Phase Ni₃(Al,Ti) und die Phase Ni₃Nb). Diese Phasen sind kohärent oder semi-- kohärent mit der Matrixgrenzfläche, was die Bewegung von Versetzungen behindern und somit die Zugfestigkeit der Legierung verbessern kann.
Die Verbesserung der Zugfestigkeit durch Alterungsbehandlung wird hauptsächlich durch die folgenden drei Versetzungs---Blockierungseffekte erreicht:
Die Gitterparameter der Phasen ' und '' unterscheiden sich geringfügig von denen der auf Nickel - basierenden Matrix. Wenn sich diese Verstärkungsphasen in der Matrix niederschlagen, bildet sich um die Phasen herum ein lokales elastisches Spannungsfeld. Wenn sich die Versetzung in der Matrix bewegt, muss sie den Widerstand des Spannungsfeldes überwinden, was den Verformungswiderstand der Legierung erhöht und somit die Zugfestigkeit verbessert. Je kleiner die Partikelgröße der Verstärkungsphase ist, desto gleichmäßiger ist die Verteilung und desto stärker ist der Dehnungsfeldeffekt.
Wenn die Größe der Partikel der Verstärkungsphase ein bestimmtes Niveau erreicht (normalerweise 10–50 nm), können die Versetzungen die Partikel nicht durchschneiden, sondern nur an ihnen vorbeigehen, wodurch Versetzungsschleifen um die Partikel herum zurückbleiben. Die Bildung dieser Schleifen erfordert zusätzliche Energie, was die Schwierigkeit der Versetzungsbewegung erhöht und die Festigkeit der Legierung weiter erhöht. Bei Legierungen auf Nickel---Basis mit hoher --Temperatur spielt dieser Mechanismus eine dominierende Rolle in der Alterungsphase bei mittlerer --Temperatur.
Während der Alterungsbehandlung werden Spuren von Karbidelementen (z. B. C) in der Legierung auch entlang der Korngrenzen ausgeschieden und bilden feine Karbidpartikel (z. B. TiC, NbC). Diese Partikel können die Korngrenzen fixieren, das Verrutschen der Korngrenzen während des Zugvorgangs verhindern und interkristalline Brüche verhindern. Gleichzeitig entmischen sich der Legierung zugesetzte Spurenelemente wie B und Zr an den Korngrenzen, was die Bindungsfestigkeit der Korngrenzen verbessert und indirekt zur Verbesserung der Zugfestigkeit beiträgt.
Die Auswirkung der Alterungsbehandlung auf die Festigkeit ist kein einfacher linearer Zusammenhang, sondern hängt eng mit der Temperatur und der Haltezeit zusammen:
Alterungstemperatur: Wenn die Temperatur zu niedrig ist, ist die Diffusionsrate der Atome langsam und die Ausfällung der Festigungsphasen ist unzureichend, was zu einer geringen Festigkeit führt; Wenn die Temperatur zu hoch ist, wachsen die Partikel der Verstärkungsphase schnell (vergröbern), die Grenzflächenkohärenz mit der Matrix geht verloren, der Dehnungsfeldeffekt wird schwächer und die Festigkeit nimmt deutlich ab.
Haltezeit: Mit der Verlängerung der Haltezeit steigt zunächst die Niederschlagsmenge der Verstärkungsphasen und geht dann tendenziell in die Sättigung über. Eine zu lange Haltezeit führt zu einer Vergröberung der Partikel und verringert die Verstärkungswirkung.
Am Beispiel der Inconel 718-Legierung ist normalerweise das optimale Alterungssystemdoppelte --stufige Alterung: Erhitzen auf 720 Grad für 8 Stunden, Abkühlen auf 620 Grad mit einer Geschwindigkeit von 55 Grad pro Stunde und Halten für 8 Stunden. Nach dieser Behandlung wird eine große Anzahl feiner Phasen in der Matrix ausgefällt, und ihre Zugfestigkeit kann mehr als 1300 MPa erreichen, was dem Zwei- bis Dreifachen des abgeschreckten --Zustands entspricht.
Es ist zu beachten, dass die Stärkung im Alter nur wirksam istAusscheidung - härtende Legierungen auf Nickelbasis -enthält niederschlagsbildende --Elemente. Bei lösungshärtenden --Legierungen auf Nickel---Basis (wie Hastelloy C276, Alloy 600) ohne Al, Ti und Nb kann die Alterungsbehandlung keine Verstärkungsphasen ausscheiden und somit ihre Zugfestigkeit nicht verbessern. Darüber hinaus verringert der Alterungsprozess die Plastizität der Legierung geringfügig und verbessert gleichzeitig die Festigkeit. Daher muss das Alterungssystem entsprechend den tatsächlichen Anwendungsanforderungen optimiert werden, um Festigkeit und Plastizität in Einklang zu bringen.
