Mar M247合金透平葉片異常組織分析及原因討論

楊啊濤，李應平，何磊，徐鵬，李海松，郭雄

（1.東方電氣集團東方汽輪機有限公司，四川 德陽，618000；2.長壽命高溫材料國家重點實驗室，四川 德陽，618000）

0 引言

熔模鑄造能實現高精度無余量精密鑄造，在燃氣輪機透平高溫葉片的精確成形中具有舉足輕重的作用[1-3]。高溫合金成分復雜，通常含有十多種元素，這些元素在合金中起的作用不同，對合金組織的影響也各有差異。Mar M247合金是一種典型的鎳基高溫合金，由于其良好的高溫力學性能和抗熱腐蝕性能，被廣泛應用于燃氣輪機透平高溫葉片[4-7]。葉片組織的優劣決定葉片性能的優劣，優良的葉片性能是機組安全運行的必要條件，因此對葉片組織的檢測也是一項關鍵的檢驗項目。

本文以某燃機透平實心動葉片為研究對象，采用熔模鑄造工藝，其結構包括葉根、葉身及葉頂，在對葉片截面組織檢測時，發現葉頂和葉身交接處有異常組織出現，這個部位屬于葉片的關鍵部位，為了找出異常組織出現的原因，解決實際工程問題并提出工藝改進，借助光學顯微鏡和電子顯微鏡檢測，結合數值模擬對這種異常組織形貌特征、位置分布及產生原因進行了分析。

1 試樣制備與方法

通過熔模精密鑄造方法成型燃機透平葉片，并對異常組織區域進行解剖制樣，取得的切割試樣共2件，長40 mm，厚5 mm，解剖部位如圖1所示。圖中顯示的截面1緊貼葉頂截面，是評估異常組織分布大小的重要截面。采用鉬酸試劑浸蝕試樣3～5 s，并置于光學顯微鏡下觀察異常組織在不同散熱工藝下的形貌及分布狀態，同時，使用電子顯微鏡對組織的成分進行掃描分析，以及結合PROCAST軟件模擬葉片凝固過程及溫度場分布，闡述異常組織的形成原因。Mar M247高溫合金的成分見表1。

圖1 某燃機透平動葉片及解剖部位示意圖

表1 Mar M247高溫合金化學成分wt%

2 試驗結果和分析

2.1 異常組織的形貌特征及成分分析

從圖2（a～b）看到試樣截面經鉬酸腐蝕后，中間區域和周邊組織有一個明顯的顏色差異，經光學顯微鏡觀察，異常組織腐蝕效果更嚴重，枝晶間黑色區域比正常組織要更為顯著。而圖2（c～d）的顯微組織則顯示，異常組織析出的共晶和碳化物明顯多于正常組織。

圖2 異常組織的形貌特征

使用電子顯微鏡對異常組織、過渡區域及正常組織進行面掃描能譜分析，結果如圖3～4所示。結果顯示：異常組織Hf元素的含量是正常組織的3倍， Ti、Mo含量也明顯高于正常區域，而W元素則低于正常區域。從元素分布圖可以直觀看到，Hf元素在異常區域分布廣泛，且明顯多于正常區域。由于Hf元素是強烈偏析元素，其常偏析于枝晶間，而異常組織的出現明顯是1種嚴重的成分偏析現象[8-11]。于洵[12]等對K4750高溫合金的偏析研究發現，合金中W、Fe、Cr的溶質分配系數大于l，富集于枝晶干，為負偏析元素；Ti、Nb、C、Mo富集于枝晶間的液相中，為正偏析元素，和本文中元素偏析有類似的發現。

圖3 異常組織及周邊組織能譜分析

圖4 異常組織Hf元素分布圖

安寧[13]等以Mar-M247合金為對象，通過熱力學模擬計算，研究結果發現：合金的主要平衡析出相為γ′相、MC、M6C、M23C6型碳化物、μ相及MB2、M3B2型硼化物，合金凝固過程中Hf和Ta元素偏析比較嚴重；Hf、Ti、Ta含量提高有利于MC型碳化物析出；Cr含量提高有利于M23C6型碳化物析出；而W和Mo含量的提高則有利于M6C型碳化物的析出；μ碳相主要受Mo和W元素影響，并隨著二者含量的升高，μ相的析出溫度和質量分數均升高；Al、Ti和Ta含量變化均會影響合金中γ′相的析出量及析出溫度，并且三者對于γ′相的影響程度依次減弱；組織出現嚴重偏析現象，一般都被認為存在潛在的風險，為了解決實際工程問題并提出工藝改進，避免工藝大改從而增加研發周期，在不改變頂注澆注系統及其他基礎工藝的前提下，僅對異常組織部位的散熱工藝進行改變，通過模組冷卻速率控制，嘗試消除這種偏析組織。

2.2 不同散熱工藝下對異常組織的影響

在異常組織部位使用型殼減薄、隨形冷鐵及緩冷等工藝，通過改變散熱條件達到改變冷卻速率的目的，將試制出的葉片在葉頂和葉身交接處解剖并制樣，不同試樣編號對應的散熱工藝見表2。熱處理態葉片異常組織部位冷卻速率V#3＞V#1＞V#4＞V#2，鑄態葉片異常組織部位冷卻速率V#6＞V#5。以緊貼葉頂截面1為參照截面，經鉬酸腐蝕后，檢查該截面上異常組織區域顯示大小并標記，如圖5所示。結果表明：鑄態時已存在異常組織，經熱等壓和熱處理后，這種組織也很難消除。無論鑄態和熱處理態的葉片解剖結果都顯示散熱工藝稍快的葉片，同一截面處異常組織區域有變小趨勢，說明散熱冷卻對異組織效果顯著。另外5號樣品鑄態射線檢測沒有發現內部缺陷，發現了異常組織，6號樣品在葉頂和葉身交接R角位置發現4級疏松，經取樣腐蝕檢查金相，發現有異常組織和疏松一起存在，這說明異常組織的產生不是由于縮松或縮孔壓合后產生的，在葉片鑄態時就產生了這種異常組織。

表2 不同試樣編號對應的散熱工藝

圖5 不同散熱工藝下對異常組織的影響

2.3 對澆注系統疏松、縮孔部位進行解剖取樣分析

為了驗證合金液補縮和這種異常組織的產生是否有關聯，對澆注系統口進行解剖，對含有疏松和縮孔的部位進行取樣、制樣腐蝕觀察，在疏松、縮孔周邊均沒有出現異常組織。結合5、6號試樣結果，有疏松的葉片異常組織較小，無內部缺陷的葉片異常區域更大，這說明補縮不足不是產生異常組織的直接因素。

圖6 澆注系統疏松、縮孔部位取樣

2.4 對異常組織區域分布

通過解剖取樣5、6號樣品的異常組織周邊位置（紅色標記解剖切割區域），6號試樣的異常組織較大。具體為葉頂位置以及葉身部分查看異常組織的分布情況。經過金相觀察，除去之前解剖的異常區域（40 mm×10 mm），葉身方向和葉頂位置分別有約3 mm和2 mm的異常組織，均在圖上綠色標記出來，如圖7所示?？梢钥闯霎惓＝M織高度方向總計約15 mm，其中葉身13 mm，葉頂部位深度2 mm。結合之前截面分析結果可知寬度方向約30 mm，因此異常組織分布如圖8所示。

圖7 異常組織及周邊位置解剖

圖8 異常組織區域分布

2.5 溫度場模擬及澆注系統改進

通過模擬溫度場，結合葉片結構，葉根和葉身交接R角位置的溫度場凝固特點與發現異常組織的葉頂和葉身交接R角位置有類似熱節，這種熱節位置由于截面突變，容易補縮不足，是缺陷的易發區域。通過實物解剖，制樣腐蝕觀察，沒有出現異常組織，結合溫度場模擬可知，葉根對該部位R角補縮充分，從葉身向葉根順序凝固，因此沒有造成偏析，相比而言葉頂R角由于自身結構，葉頂處的補縮不夠充分，補縮通道易于堵塞，另外該部位凝固緩慢，導致出現嚴重偏析現象。

由于之前沒改變澆注系統，僅改變局部散熱冷卻條件，如#5試樣冷卻較快，最終是減小異常組織區域，不能百分百有效消除異常組織。強軍鋒[14]等提出適當提高固溶溫度，延長固溶時間，增加固溶處理步驟可以顯著減少合金元素的偏析，但是得在沒有初熔組織存在的條件下，目前熱處理溫度已經沒有上升空間，再上升會出現初熔組織。因此考慮改變澆注系統設計，在葉頂處增加底注內澆口，后續加工去除多余金屬，從圖9模擬結果可以看出澆注系統改進后葉頂縮孔縮松缺陷預測下移，此處補縮增強，經過澆注系統改進，另外結合葉頂R角冷卻加快工藝措施，完全解決了凝固后期出現補縮通道堵塞、凝固緩慢而發生偏析的問題。

圖9 澆注系統改進前后縮孔縮松缺陷分布預測

3 結論

提出工藝改進，借助光學顯微鏡和電子顯微鏡檢測，結合軟件模擬對這種異常組織形貌特征、分布及產生原因進行分析，得到如下結論：

（1）異常組織位于葉片的熱節部位，在鑄態時已經產生，不是縮松或縮孔壓合后產生的。

（2）異常組織產生的原因本質上是1種嚴重偏析，主要是富高熔點元素Hf/Ti等。

（3）在不改變頂注澆注系統及其他基礎工藝的前提下，僅對異常組織部位的散熱工藝進行改變，發現冷卻較快的工藝可以使異常區域變小。

（4）單純補縮不足不是產生異常組織的直接因素，和熱節部位的結構密切相關，熱節部位補縮不足及凝固緩慢共同導致凝固后期發生偏析。

（5）通過解剖異常組織及周邊部位，基本可以得到異常組織的縱向和橫向分布情況，異常組織主要分布在靠近葉頂R角附近偏葉身一側。

（6）結合數值模擬以及試驗驗證，葉片結構不變的情況下，最終消除這種異常組織的有效果辦法是改進澆注系統，增加底注內澆口，給異常部位提供充足的補縮，保持補縮通道通暢，并且對熱節部位減薄型殼或者其他增強冷卻的工藝措施即可消除這種異常組織。