第 39 卷 2010 年 稀有金属材料与工程 第8期 8月 Vol.39, No.8 August 2010 RARE METAL MATERIALS AND ENGINEERING 熔体过热处理温度对铸态镍基高温合金K417返回料 组织和力学性能的影响 董加胜，曲文生，王大勇，楼琅洪，杨 柯，孙晓峰 (中国科学院金属研究所，辽宁 沈阳 110016) 摘 要：用金相显微镜和扫描电镜研究了镍基高温合金K417返回料在1530, 1650, 1700, 1800 ℃下进行5 min熔体处理后 显微组织以及碳化物尺寸、分布和形态的变化，并研究了熔体过热处理后组织变化对合金室温拉伸性能和高温拉伸性 能的影响。结果表明，在相同铸造条件下，熔体高温处理能使碳化物由块状向骨架状转变并有效阻止裂纹的扩展，从 而使合金得到良好的室温和高温强度及塑性。 关键词：熔体过热处理；碳化物形态；力学性能；高温塑性；镍基高温合金 中图法分类号：TQ146.1+5；TG132.3+2 文献标识码：A 文章编号：1002-185X(2010)08-1480-04 熔体高温处理是当前改善铸造高温合金性能的有 (SEM)观察铸态试样的显微组织及断口形貌。金相深 效手段之一。现今国际上对熔体高温处理研究得比较 腐蚀剂为：盐酸:双氧水:水＝2:1:2，宏观腐蚀剂为： 成熟的是俄罗斯。其研究表明，经过合适的熔体处理 硫酸铜:盐酸:硫酸:水＝4:20:1:20。用 TC-436 氧氮测定 的多晶铸造高温合金的瞬时强度、高温塑性、冲击韧 仪分析熔体处理后样品中的气体含量。 [1] 性以及持久性能都可以大幅提高 。但是国际上利用 高温合金返回料进行熔体过热处理的研究还未见报 道。K417合金是我国最早研制的第一代空心叶片用镍 2 结果与讨论 2.1 熔体高温处理对合金化学成分的影响 基铸造高温合金，适用于950 ℃以下工作的燃气轮机 经不同温度熔体过热处理样品中的碳和氧、氮气 零件及高温转动件，目前仍然得到广泛应用。因此 体含量的变化如表1所示。可见，适当温度的熔体过热 K417合金返回料的再利用具有重大的经济价值。高温 处理起到了精炼合金的作用，气体含量略有降低。随 塑性是制约K417合金返回料再利用的瓶颈问题。为 着过热度的增加，合金中碳元素烧损有加剧的倾向， 此，本实验为提高合金返回料高温塑性，研究在相同 其他合金元素除铬略有烧损外其余变化不大。 时间内不同过热温度的熔体处理对K417合金返回料 2.2 熔体高温处理对合金宏观组织及碳化物形态的 影响 组织及主要力学性能的影响。 1 实 验 随着熔体处理温度的提高合金铸态组织的晶粒度 呈变大的趋势，这与提高浇注温度，降低壳型温度， 采用 ZG50 型真空感应炉，氧化钙坩埚，将报废发 动机叶片和熔炼冒口经低温重新熔炼(脱除废叶片中 的陶瓷型芯)，浇注成 33 kg 的 K417 返回料母合金锭， 化学成分如表 1 所示。然后在 10 kg 真空感应炉中用 单壳重熔浇注试棒。熔炼过程采用熔体处理，处理温 度为 1530, 1650, 1700, 1800 ℃，处理时间为 5 min， 壳型预热温度为 960 ℃，浇注温度为 1420 ℃。取不 表1 Table 1 熔体过热处理对K417返回料合金化学成分的影响 Effect of melt superheat treatment temperature on the chemical composition of recycled K417 (ω/%) Treatment temperature/℃ C Cr Al Ti Mo O N K417 master alloy 0.16 9.06 5.30 4.70 3.12 0.0011 0.0015 1530 0.16 8.95 5.30 4.70 3.12 0.0006 0.0010 试性能，取其平均值。拉伸试样工作部位尺寸为 φ 5 1650 0.15 8.90 5.30 4.69 3.12 0.0006 0.0009 mm×25 mm，试验在大气下进行。金相试样均在试棒 1700 0.15 8.85 5.29 4.69 3.12 0.0005 0.0009 1800 0.13 8.75 5.25 4.68 3.10 0.0005 0.0008 同熔体处理下的试样于高温、室温各拉伸两支试棒测 的相同部位获取，用金相显微镜和扫描电子显微镜 收到初稿日期：2009-08-27；收到修改稿日期：2009-12-30 作者简介：董加胜，男，1973 年生，工程师，中国科学院金属研究所，辽宁 沈阳 110016，电话：024-23971712，E-mail: djs@imr.ac.cn 第8期 董加胜等：熔体过热处理温度对铸态镍基高温合金 K417 返回料组织和力学性能的影响 ·1481· 增加枝晶间距有同等效果 [2](图1)。K417返回料合金铸 图可见，合金熔体经高温处理后高温塑性显著提高， 态显微组织见图2。经不同熔体过热处理的K417返回 而室温拉伸性能变化不大，抗拉强度略有波动，但变 料合金均由γ固熔体基体、γ′析出相、分布在枝晶区间 化不大。 [3] 的γ＋γ′共晶和MC碳化物组成 。随着熔体处理温度的 提高，一次、二次枝晶间距变宽，共晶减少，并变大； 2.4 分析和讨论 铸造高温合金中碳化物非常稳定。有实验表明[4-6]， 铸态K417返回料经常规熔体精炼后的MC碳化物呈现 在液相线以上高温合金熔体中存在 Ni3Al 的中程有序 细小颗粒状，大部分分布在晶界和枝晶界上(图2a1， 原子团簇和残余 MC 碳化物颗粒(或 MC 碳化物结构的 2a2；图4a1, 4a2)，但经高温熔体处理后MC碳化物随 中程有序原子团簇)。合金的熔体结构与熔体热历史密 着熔体处理温度的提高，形态由颗粒状逐渐向棒状及 切相关，Ni3Al 型原子团簇的结构与 γ 相的结构相近， 骨架状转变，并向晶内转移，碳化物的尺寸也由小变 是随后结晶过程中 γ 相的结晶核心。另一种多元原子 大(图2b1、2b2；图4b1, 4b2)。到1800 ℃熔体处理后 团簇的结构与 MC 碳化物的结构相近，是随后结晶过 的初生MC碳化物完全成汉字骨架状，尺寸相当10个二 程中 MC 碳化物的结晶核心。因此，这些原子团簇的 次枝晶臂厚(图2c1, 2c2)。 存在与否必然会影响到随后的凝固过程。合金凝固过 2.3 熔体高温处理对拉伸性能的影响 程是先从液相中析出 γ 枝晶，然后发生 γ＋MC 的共晶 熔体经不同温度过热处理的 K417 返回料合金在 反应形成骨架状的 MC 碳化物 [7,8]。当熔体过热度较低 900 ℃下的高温力学性能和室温力学性能见图 3。由 时，也就是传统意义上的熔炼时(对于高温合金而言精 a b c 4 mm 图 1 Fig.1 Grain size of samples after melt superheat treatment at: 1530 ℃ (a), 1700 ℃ (b), and 1800 ℃ (c) a1 b1 c1 100 µm 100 µm 100 µm a2 b2 c2 50 µm 50 µm 50 µm 图 2 Fig.2 合金熔体过热处理后的晶粒度 熔体过热处理后的组织及碳化物形态变化 Microstructure evolution and carbides morphology of the samples after melt superheat treatment at：1530 ℃(a1, a2), 1700 ℃ (b1, b2), and 1800 ℃ (c1, c2) * a1, b1, c1－OM; a2, b2, c2－SEM ·1482· 第 39 卷 稀有金属材料与工程 炼温度低于 1550 ℃)，这些未熔化的残余碳化物成为 在此种情况下的高温塑性也是最佳的。熔体过热处理 初生 MC 碳化物的形核核心，促进 MC 碳化物以接近 改善K417返回料高温塑性可归功于MC碳化物形貌的 平衡方式长大，因而得到块状的形貌特征 [9-14], 并且在 改变以及其对裂纹的有效阻碍作用。 γ 枝晶长大的过程中被排斥到晶界和枝晶间处。同时， 由于K417铸造高温合金铸态组织中MC型碳化物 由于熔体中成分不均匀及 Ni3Al 型原子团簇的存在， 占合金2%(质量分数)以上，因此当合金成分基本一致 促进了凝固时的不均匀形核，以致当合金不进行熔体 时，铸造缺陷(宏观疏松、夹杂等)成为室温性能的主 过热处理时，得到的晶粒比较细小。随着过热温度的 要影响因素，而碳化物形态对室温性能的影响不大， 提高，残余碳化物溶解及有序化原子团簇结构破坏， 因此在相同浇注工艺下的合金室温性能基本上相近。 成分均匀化，不利于 MC 碳化物的形核。在这种情况 汉字骨架形貌特征 [15,16] σb/MPa 下，MC 碳化物以 γ＋MC 共晶的方式形成，因而具有 。熔体过热温度越高，成分越 均匀，形核率越低，结晶过冷度越大，γ＋MC 共晶组 织中组成骨架状碳化物的单个 MC 变得细小, 但骨架状 δ,ψ/% MC 群团变大, 铸态组织晶粒也越大。 K417返回料高温拉伸试棒在高温下的断裂首先是 由共晶、晶界以及碳化物处的疏松开始的，并且沿着晶 σb/MPa 界及碳化物处延伸[17]。图4为熔体过热处理后断口形貌 及碳化物立体形貌。由图4a1, 4b1, 4c1断口扫描照片可 见，高温断口处往往有大量的疏松存在，并且有碳化物 δ,ψ/% 存在于裂纹带上。图4a1中的碳化物尺寸很小且呈块状， 其周围有显微疏松存在。当裂纹扩展到碳化物时基本上 没有形成有效阻碍。图4b1中碳化物呈棒状，与图4a1 中的碳化物相比尺寸略大，当裂纹扩展到碳化物时，碳 化物会在长度方向上对裂纹形成一定的阻碍作用。而图 4c1中的碳化物呈现巨大的汉字骨架状，在不同的方向 上都会对裂纹形成有效的阻碍作用。并且由于此时组 1100 1080 1060 1040 1020 1000 16 12 8 4 0 1500 treatment: 很好，起到了钉扎及强化基体的作用(见图4c1)。因此， temperature a1 图 4 Fig.4 δ 1600 1700 1800 合金经熔体过热处理后的性能 (a) high temperature, b1 10 µm a2 20 µm ψ Mechanical properties of the samples after melt superheat 成骨架状碳化物的单片碳化物很细小，与基体结合得 10 µm σb 1100 b 1080 1060 σb 1040 1020 1000 ψ 16 12 δ 8 4 0 1500 1600 1700 1800 Treatment Temperature/℃ 图 3 Fig.3 b (b) room c1 10 µm b2 20 µm and c2 50 µm 熔体过热处理后断口形貌及碳化物的立体形貌 Fracture morphologies and 3-dimension morphologies of carbides of samples after melt superheat treatment at 1530 ℃ (a1, a2), 1700 ℃ (b1, b2), and 1800 ℃ (c1, c2) 第8期 3 结 董加胜等：熔体过热处理温度对铸态镍基高温合金 K417 返回料组织和力学性能的影响 ·1483· Progress(材料科学进展)[J], 1989, 3(5): 396 论 [6] Burton C J, Boech W J. Met Prog[J], 1975, 10: 121 1) 在一定温度范围内，随着熔体过热处理温度的 [7] Yin Fengshi(殷风仕), Sun Xiaofeng(孙晓蜂), Hou Guichen 提高，K417返回料合金的高温拉伸塑性呈上升趋势， (侯贵臣) et al. Rare Metal Materials and Engineering(稀有金 抗拉强度变化不大，合金气体含量略有下降。 属材料与工程)[J], 2004, 33(6): 659 2) K417返回料经熔体高温处理后，在相同浇注条 件下，合金晶粒度呈变大的趋势，一次枝晶距、二次 [8] Sun Xiaofeng(孙晓峰), Yin Fengshi(殷凤仕). Acta Metall Sinica (金属学报)[J], 2003, 39(1): 27 枝晶距变宽，共晶组织变粗大；随着熔体处理温度的 [9] Liu L, Sommer F, Fu H Z. Scr Metall[J], 1994, 30: 587 提高，碳化物形态由颗粒状向棒状及汉字骨架状转变， [10] Fernandez R, Lecomte J C, Kattamis T Z. Metall Trans[J], 尺寸由小变大。 l978, 9A: 1381 3) K417返回料合金经熔体过热处理后高温塑性 的提高主要是由于碳化物形态的转变，对裂纹和基体 起到了钉扎作用，阻碍了裂纹的扩展。 [11] Liu L, Fu H Z, Shi Z X. Acta Metall Sin(Eng Lett)[J], 1990, 3: 46 [12] Wang H M, Shang J H, Tang Y J et al. Mater Sci Eng[J], 1992, A156: 109 参考文献 [13] Sun W R, Lee J H, Seo S M et al. Mater Sci Eng[J], 1999, References [1] Gui Zhonglou(桂忠楼). Aviat Prod Eng(航空制造工程)[J], 1995(4): 12 A271: l43 [14] Chen J, Lee J H, Jo C Y et al. 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Special Steel(特殊钢)[J], 2008, 29(3): 27 Effect of Temperature of Melt Superheat Treatment on Microstructure and Mechanical Properties of Recycled Ni-Base Superalloy K417 Dong Jiasheng, Qu Wensheng, Wang Dayong, Lou Langhong, Yang Ke, Sun Xiaofeng (Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China) Abstract: Microstructure evolution of recycled nickel-base superalloy K417 after melt superheat treatment at different temperatures of 1530, 1650, 1700 and 1800 oC for 5 min were investigated using optical microscope (OM) and scanning electronic microscope (SEM). The size, distribution and morphology of carbides were studied. The effect of microstructure change after melt superheat treatment on tensile properties at room and elevated temperatures was analyzed. Results show that the propagation of cracks is prevented effectively due to the morphology changes of carbides from block to script during the melt high temperature treatment, which results in higher strength and ductility of K417 alloy at room and elevated temperatures. Key words: melt superheat treatment; morphology of carbide; mechanical property; high temperature ductility; Ni-base superalloy Corresponding author: Dong Jiasheng, Engineer, Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, P. R. China, Tel: 0086-24-23971712, E-mail: djs@imr.ac.cn