澆注溫度對1種新型鑄造鎳基高溫合金組織和拉伸性能的影響

王華，楊金俠

（1.海軍裝備部，西安 710000；2.中國科學(xué)院金屬研究所，沈陽 110016）

澆注溫度對1種新型鑄造鎳基高溫合金組織和拉伸性能的影響

王華1，楊金俠2

（1.海軍裝備部，西安 710000；2.中國科學(xué)院金屬研究所，沈陽 110016）

王華（1973），男，工程師，從事航空發(fā)動機熱端部件用新材料和新工藝研究工作。

為分析澆注溫度與合金的組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能之間的變化關(guān)系，通過改變澆注溫度獲得不同枝晶組織試樣，采用金相顯微鏡和掃描電鏡來觀察和分析合金的組織結(jié)構(gòu)，結(jié)合拉伸性能測試研究了合金的組織結(jié)構(gòu)對拉伸性能的影響。結(jié)果表明：降低澆注溫度使γ'相和碳化物得到細(xì)化；降低澆注溫度提高了合金的拉伸強度，并改善了塑性。

鑄造鎳基高溫合金；組織結(jié)構(gòu)；拉伸性能；澆注溫度；γ'相；碳化物

0 引言

鎳基高溫合金是航空發(fā)動機熱端部件材料，其合金性能與組織結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，尤其是γ'相的形態(tài)，即γ'相的形狀、尺寸、分布和質(zhì)量分?jǐn)?shù)等，是決定合金強度的關(guān)鍵因素[1]。此外，試驗合金含有較多的碳化物形成元素W、Mo、Ta、Ti、Cr等,在凝固過程中形成高度合金化的MC型碳化物，其形態(tài)、分布、尺寸以及類型對提高合金性能具有較大作用[2-3]。目前關(guān)于澆注溫度對合金組織結(jié)構(gòu)和性能影響的研究較多，湯鑫、袁文明等通過降低澆注溫度，并輔以振動破碎，細(xì)化了合金晶粒和組織結(jié)構(gòu)，明顯改善了高溫合金的性能[4-9]；郭建亭等通過降低澆注溫度也使K417合金的晶粒尺寸和組織結(jié)構(gòu)變細(xì)，從而使合金的疲勞性能得到明顯改善[10]。試驗合金使用溫度為500～700℃，降低澆注溫度，可使晶粒尺寸變小，對合金在中低溫條件下的性能有利。但澆注溫度過低，會造成大面積的疏松或夾雜，使鑄造缺陷增加，從而使合金力學(xué)性能下降，必須采用熱等靜壓工藝來解決疏松問題[11-13]。

本文分析了不同澆注溫度對合金組織結(jié)構(gòu)與拉伸性能的影響。研究結(jié)果對合金的安全合理使用，以及其組織和性能的進(jìn)一步改進(jìn)都具有重要意義，并為其應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)和技術(shù)儲備。

1 試驗方法

合金的實測化學(xué)成分見表1。采用真空感應(yīng)爐熔煉母合金，并用精密鑄造工藝制備成型試樣，將母合金在真空感應(yīng)爐中重熔后，在澆注溫度分別為1500、1470、1430和1410℃下澆注，獲得試樣的有效尺寸為Φ16 mm×120 mm。經(jīng)過熱處理（熱處理制度為1120℃保溫2 h，冷卻方式為RAC）后加工成拉伸試樣。采用SANS-CMT5205電子萬能試驗機進(jìn)行拉伸試驗，檢驗標(biāo)準(zhǔn)采用GB/T228B，在每種澆注溫度條件下測試3根試樣。顯微組織觀察和斷口分析在MF-3型光學(xué)顯微鏡和配有能譜分析儀(EDS)的Cambridge-S360型掃描電子顯微鏡（SEM）上進(jìn)行。

表1 合金實測化學(xué)成分w/%

2 試驗結(jié)果與討論

不同澆注溫度下試驗合金的枝晶形貌如圖1所示。從圖1中可見，澆注溫度越高，枝晶組織越粗大。

圖1 不同澆注溫度下鑄態(tài)合金枝晶形貌

合金組織中主要包括γ、γ'和碳化物等相。不同澆注溫度下獲得的γ'相形態(tài)如圖2、3所示。當(dāng)澆注溫度為1410℃和1430℃時，枝晶干上γ'相形態(tài)差別不大（圖2（a）、（b））；但當(dāng)溫度提高到1470℃和1500℃時，γ'相已明顯變粗，而且尺寸不均勻（圖2（c）、（d））。從圖3中可見，與枝晶干上γ'相比，γ'形貌不規(guī)則，尺寸不均勻。

不同澆注溫度下碳化物形態(tài)演變?nèi)鐖D4所示。從圖4中可見，碳化物主要分布在枝晶間區(qū)，不同澆注溫度下碳化物形態(tài)有所不同。當(dāng)澆注溫度為1410℃時，碳化物呈細(xì)小顆粒狀和細(xì)短桿狀；澆注溫度提高為1430℃時，碳化物長大，多為塊狀；繼續(xù)提高澆注溫度至1470℃和1500℃時，碳化物為長條狀和較大的塊狀。

圖2 不同澆注溫度下枝晶干上γ'相形貌變化

圖3 不同澆注溫度下枝晶間區(qū)γ'相形貌變化

圖4 不同澆注溫度下碳化物形態(tài)演變

γ'相是合金在凝固結(jié)束后的連續(xù)降溫過程中，發(fā)生脫溶沉淀而析出的，其最初核心為球形[14-15]，臨界半徑rc和臨界形核功ΔGc分別為[15-16]

式中：ρ為單位面積γ'/γ相的界面能；ΔGV和ΔGε分別為析出單位體積的γ'相所引起的化學(xué)自由能和應(yīng)變能的變化；ΔT為過飽和γ固溶體的過冷度；ΔX為溶質(zhì)的過飽和度。

當(dāng)澆注溫度降低時，ΔT增大，ΔGV也增大，相應(yīng)的ΔGc和rc就減小，形成的γ'相核心數(shù)量多，尺寸小，所以γ'相顯得細(xì)小；而澆注溫度升高時，γ'相變得粗大。枝晶間區(qū)γ'相粗大主要是由ΔX引起的，γ'相形成元素Ti，Nb和Ta在枝晶間區(qū)的濃度比在枝晶干區(qū)的高，顯然，枝晶間區(qū)的比枝晶干區(qū)的大。依據(jù)式（1）～（4），ΔX越大，ΔGV越大，相應(yīng)的ΔGc和rc越小，因此，枝晶間區(qū)γ'能夠優(yōu)先形核。枝晶間區(qū)γ'相不但因先析出有更充足的長大時間，且在枝晶間區(qū)因大，γ'相的生長速度快。因此，在枝晶間區(qū)γ'相較粗大，而在枝晶干區(qū)γ'相較細(xì)小。

本試驗合金中的碳化物為MC型碳化物，主要含有Ti和Ta（如圖5所示），由液態(tài)金屬中直接析出。當(dāng)其他條件相同時，其大小和形態(tài)取決于澆注溫度。當(dāng)澆注溫度較高時，MC型碳化物析出的過冷度和過飽和度小，臨界晶核較大，且高溫時與合金體系平衡態(tài)接近，所以碳化物接近平衡生長，其形態(tài)趨于塊狀；而當(dāng)澆注溫度較低時，過冷度和過飽和度均較大，有利于碳化物形核，且低溫時金屬液中擴(kuò)散慢，碳化物長大速率小，導(dǎo)致碳化物變得細(xì)小。

合金組織結(jié)構(gòu)的差別導(dǎo)致其性能發(fā)生變化，試驗合金在室溫、550℃和700℃下的拉伸性能見表2；當(dāng)澆注溫度為1410℃時，合金室溫抗拉強度為1097 MPa，屈服強度974 MPa，延伸率為7.6%；澆注溫度升高，強度和塑性值均有所減小；至1500℃時，抗拉強度減小了51 MPa，屈服強度減小了64 MPa，延伸率減小了2.8%。同樣，在550℃和700℃時的拉伸性能也隨澆注溫度降低而提高，可見降低澆注溫度使合金的拉伸強度和塑性均得到改善。這是因為，澆注溫度較低時，生成細(xì)小γ'相和碳化物。在拉伸應(yīng)力作用下，細(xì)小的γ'相和碳化物不但不易開裂，而且比較容易協(xié)調(diào)合金變形，使合金塑性提高。

圖5 MC型碳化物EDS圖譜

3 結(jié)論

表2 不同澆注溫度下試驗合金的拉伸性能

合金的拉伸性能也隨著澆注溫度的改變而發(fā)生變化。拉伸性能的變化歸因于合金組織結(jié)構(gòu)的改變，歸納為2方面：（1）澆注溫度較低時，γ'相和碳化物變得細(xì)小，γ'相和碳化物的強化作用加強；（2）降低澆注溫度使合金的拉伸強度和塑性均得到改善。

[1]Yang J X,Zheng Q,Sun X F,et al.Morphological evolution of g γ'phase in K465 superalloy during prolonged aging[J]. MaterialsScienceandEngineering,2007,457（1-2）：148-152.

[2]S.T.基什金，G.B.斯特洛干諾夫.高溫合金中碳化物[J].航空材料學(xué)報,1991（11）：1-6.

[3]Yang J X,Zheng Q,Zhang H Y,et al.Effects of heat treatments on the microstructure of IN792 alloy[J].MaterialsScience and Engineering.2010,527（4-5）：1016-1021.

[4]湯鑫，劉發(fā)信，袁文明.鑄型攪動細(xì)晶鑄造真空爐的研制[J].冶金設(shè)備,1998,37（5）：40-42.

[5]袁文明，薛廣海，湯鑫，等.鑄型攪動法整體渦輪細(xì)晶鑄造工藝的研究[J].鑄造,1997,（2）：24-28.

[6]湯鑫，于保正，劉發(fā)信，等.鑄型攪動細(xì)晶鑄造與力學(xué)性能[J].航空材料學(xué)報,2003,23（4）：16-20.

[7]袁文明，劉發(fā)信，湯鑫.鑄型攪動法細(xì)晶鑄造對K418B合金整體渦輪組織和力學(xué)性能的影響[J].航空材料學(xué)報, 1998,18（4）：19-25.

[8]湯鑫，劉發(fā)信，袁文明.細(xì)晶鑄造真空爐的研制[J].材料工程,1998（10）：41-42.

[9]湯鑫，劉發(fā)信，楊愛德.K417合金細(xì)晶鑄造熱參數(shù)的研究[J].材料工程，1995（7）：23-25.

[10]郭建亭.高溫合金材料學(xué)：上冊[M].北京：科學(xué)出版社，2008：224-226.

[11]湯鑫，劉發(fā)信，李愛蘭，等.細(xì)晶鑄造K403合金熱等靜壓及熱處理工藝研究[J].航空材料學(xué)報,2003,23（3）：45-50.

[12]于保正，湯鑫，劉發(fā)信.細(xì)晶鑄造K418B合金熱等靜壓工藝研究[J].機械材料工程,2003,27（3）：24-26.

[13]Yang J X,Zheng Q,Sun X F,et al.Morphological evolution of MC carbide in K465 superalloy[J].Journal of Materials and Sciences，2006,41（19）：6476-6479.

[14]胡漢起.金屬凝固原理[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000：80-91.

[15]催忠沂.金屬學(xué)及熱處理[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000：39-43.

[16]肖紀(jì)美.合金與相變[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1987：66-79.

Effects of Different Pouring Temperature on Microstructure and Tensile Properties of a New Cast Nickel-based Superalloy

Wang Hua1,Yang Jin-xia2
（1.Equipment Department of the Navy，Xi＇an 710000,China; 2.Institute of Metal Research,Chinese Academy of Sciences,Shenyang 110016,China）

In order to analysis the relation of microstructure and mechanical property of superalloy with the pouring temperatures,the different dendrite structure was obtained by changing the pouring temperature.The microstructure was analysized using optic microscope and scanning electric microscope.The effect of microstructure on tensile properties of superalloy was studied combined with tensile properties test.The results show that γ'phase and carbide become fine and the tensile strength and ductility of the alloy are improved with the decreasing pouring temperature.

cast nickel-based superalloy;microstructure;tensile properties;pouring temperatures;γ'phase;carbide

2011-12-07