Sr 和Ce 對(duì)鎳基高溫合金高溫力學(xué)及熱疲勞性能的影響

徐海峰,孔 建

煙臺(tái)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,山東 煙臺(tái) 264006

鎳基高溫合金是以鎳為基體并添加其它合金元素的一種高溫合金，具有較高的強(qiáng)度、較好的抗氧化性能和耐腐蝕性能，在農(nóng)業(yè)動(dòng)力領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。吳凱等[1]研究了固溶熱處理對(duì)新型鎳基粉末FGH981 高溫合金組織與性能的影響。何國愛等[2]探討了粉特性對(duì)鎳基粉末冶金高溫合金的顯微組織及熱變形行為影響規(guī)律。潘暉和趙海生[3]研究了鎳基釬料釬焊K465 高溫合金的大間隙接頭顯微組織以及性能。謝君等[4]分析和探討了含鉿高鎢K416B 鎳基鑄造高溫合金顯微組織及其蠕變行為。劉程鵬等[5]分析了Ni-Al 二元鎳基模型高溫合金在熱暴露實(shí)驗(yàn)時(shí)γ′相的尺寸與體積分?jǐn)?shù)變化規(guī)律。馬亞鑫等[6]分析了鎳基定向凝固高溫合金在高溫時(shí)效處理以后的顯微組織和力學(xué)性能。楊長勇等[7]研究和分析了陶瓷CBN 砂輪磨削鎳基鑄造高溫合金K418 的磨削加工性能。然而，隨著各行業(yè)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)高溫合金材料的性能提出了更好要求，K418 鎳基高溫合金在高溫力學(xué)性能和熱疲勞性能方面還存在不足，難以滿足高端市場(chǎng)的需要。研究發(fā)現(xiàn)添加適量的合金元素可以改善合金的熱疲勞性能，合金元素Sr 是一種抗高溫性能較佳的合金元素，添加Sr 有利于提高合金的熱疲勞性能；此外，稀土元素Ce 可以有效提高合金的綜合性能。為此，本文在K418 鎳基高溫合金中添加Sr 和Ce，制備了新型鎳基高溫合金K418-Sr-Ce，并對(duì)比分析了合金的鑄態(tài)高溫力學(xué)性能和熱疲勞性能。

1 材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

本文試驗(yàn)材料為K418-Sr-Ce 新型鎳基高溫鑄態(tài)合金，合金的化學(xué)成分如表1 所示。合金的制備采用真空感應(yīng)熔煉+電渣重熔方法。真空感應(yīng)熔煉采用ZG500 型真空感應(yīng)熔煉爐。合金鑄錠為棒狀，尺寸為φ80 mm×300 mm。合金試樣未進(jìn)行熱處理。

表1 合金化學(xué)成分(wt.%)Table 1 Chemical composition of the alloy

1.2 試驗(yàn)方法

高溫力學(xué)性能：用線切割方法切取棒狀拉伸試件，試件平行段尺寸為φ5 mm×35 mm、夾持段尺寸為φ20 mm×30 mm。在BZ-GD-30 型微機(jī)控制高溫拉伸試驗(yàn)機(jī)上試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為800 ℃，拉伸速度為1 mm/min，記錄試件的抗拉強(qiáng)度和收縮率，并用EVO18 型掃描電子顯微鏡記錄拉伸斷口形貌。

熱疲勞性能：先用線切割方法切取圓片狀熱疲勞試件，并在試件上切取V 型缺口以促使裂紋萌生，缺口深度2 mm、夾角60°，尺寸為φ30 mm×10 mm；接著用600#～1200#砂紙依次磨制試片；然后將試件置于箱式電阻爐中加熱至800 ℃并保溫5 min；隨后用流動(dòng)自來水冷卻至20 ℃，如此冷熱循環(huán)1000 次；最后取出試樣，經(jīng)研磨拋光后在金相顯微鏡下測(cè)量主裂紋長度和寬度。

為了盡可能減少試驗(yàn)誤差，所有的測(cè)試都進(jìn)行了三次平行試驗(yàn)，以平行試件三次測(cè)試值的算術(shù)平均值作為試樣的測(cè)試值。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 高溫力學(xué)性能

K418-Sr-Ce 新型鎳基高溫鑄態(tài)合金與K418 鑄態(tài)合金的高溫力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果，如圖1 所示。從圖1 可以看出，與K418 鑄態(tài)合金相比，K418-Sr-Ce 新型鎳基高溫鑄態(tài)合金的高溫抗拉強(qiáng)度從78 MPa 提高到112 MPa；收縮率從6.2%提高到8.1%。由此可以看出，添加合金元素Sr 和Ce 后，新型鎳基高溫鑄態(tài)合金具有更好的高溫力學(xué)性能。

圖1 試樣高溫力學(xué)性能Fig.1 Mechanical properties of the alloy at high temperature

圖2 是鑄態(tài)K418-Sr-Ce 新型鎳基高溫合金與鑄態(tài)K418 合金的拉伸斷口形貌。從圖2（a）可以看出，鑄態(tài)K418 合金在800℃高溫拉伸時(shí)斷口中存在較多的解理臺(tái)階、河流花樣和撕裂棱，表現(xiàn)出較為明顯的解理斷裂。從圖2（a）可以看出，與鑄態(tài)K418 合金相比，K418-Sr-Ce 新型鎳基高溫合金在800 ℃高溫拉伸時(shí)斷口中僅有少量的解理臺(tái)階，有較多的韌窩和撕裂棱，表現(xiàn)出較為明顯的韌脆混合斷裂特征。通過添加Sr 和Ce，改善了材料顯微組織，阻礙了裂紋的擴(kuò)展。顯著提高了材料的韌性，使得材料的耐疲勞破壞能力顯著提高。

圖2 合金拉伸斷口形貌Fig.2 Tensile fracture photos on the alloys

2.2 熱疲勞性能

鑄態(tài)K418-Sr-Ce 新型鎳基高溫合金與鑄態(tài)K418 合金的熱疲勞性能測(cè)試結(jié)果，如圖3 所示。從圖3 可以看出，與K418 鑄態(tài)合金相比，K418-Sr-Ce 新型鎳基高溫鑄態(tài)合金的主裂紋長度從26 μm減小到17 μm，減小了35%；主裂紋寬度從14 μm 減小到9 μm，減小了36%。由此可以看出，添加合金元素Sr 和Ce 后，新型鎳基高溫鑄態(tài)合金具有更好的熱疲勞性能。

圖3 合金熱疲勞性能Fig.3 Thermal fatigue property of the alloys

合金元素Sr 是堿土元素，性能活潑。在合金中添加元素Sr，在冶煉時(shí)形成彌散分布的小顆粒金屬間化合物相，這類化合物容易在合金晶界偏聚，提高合金的晶界強(qiáng)度；阻礙位錯(cuò)的滑移和攀移運(yùn)動(dòng)，從而提高合金的高溫強(qiáng)度，改善合金在高溫環(huán)境下的綜合性能。當(dāng)鎳基高溫合金中添加了稀土元素Ce 后，可以有效地促進(jìn)合金在熔煉過程中具有更好的除氣、除雜作用，并能提高合金的流動(dòng)性和晶粒細(xì)化作用，從而有效改善鎳基高溫合金的高溫力學(xué)性能和熱疲勞性能。因此，在鑄態(tài)K418鎳基高溫合金中復(fù)合添加合金元素Sr 和Ce 后，得到的鑄態(tài)K418-Sr-Ce 新型鎳基汽車高溫合金具有更好的高溫力學(xué)性能和熱疲勞性能。

3 結(jié)論

合金元素Sr 和Ce 的復(fù)合添加，改善了材料的內(nèi)部組織，提高鑄態(tài)K418 鎳基高溫合金的高溫力學(xué)性能和熱疲勞性能；

1）與鑄態(tài)K418 合金相比，鑄態(tài)K418-Sr-Ce 新型鎳基高溫合金在800 ℃測(cè)試環(huán)境下的高溫抗拉強(qiáng)度增大44%、收縮率增大31%，具有更好的高溫力學(xué)性能；

2）與鑄態(tài)K418 合金相比，鑄態(tài)K418-Sr-Ce 新型鎳基汽車高溫合金經(jīng)過1000 次800 ℃～20 ℃冷熱循環(huán)后的主裂紋長度減小35%、主裂紋寬度減小36%，具有更好的熱疲勞性能。