浇注温度和细化剂对K4169高温合金微观组织的影响

第 21 卷 　第 4 期 2001 年 12 月 航 　空 　材 　料 　学 　报 JOURNAL OF AERONAU TICAL MA TERIAL S Vol. 21 , No. 4 December 2001 浇注温度和细化剂对 K4169 高温合金微观组织的影响 熊玉华1 , 杨爱民2 , 李培杰1 , 刘　林2 (1. 清华大学 机械工程系 , 北京 100084 ; 2. 西北工业大学 应用物理系 , 陕西 西安 710072) 摘要 : 研究了降低浇注温度或加入细化剂后 , K4169 合金晶粒细化的微观组织、夹杂及缩松等的变化。发现同样 加或不加细化剂条件下 ,浇注温度越低 ,一次枝晶主轴长度和二次枝晶臂距越小。而同一浇注温度下 ,化学法细 晶试样一次枝晶主轴长度较普通试样的短 ,而二者的二次枝晶臂距无明显差别。晶粒细化后 ,晶粒形态由普通 铸造组织中的树枝晶向细晶组织中的粒状晶转变 ,且合金中主要元素的偏析减轻 ,这均有利于提高细晶铸件机 械性能。MC 型碳化物和 Laves 相的尺寸、数量和形貌在晶粒细化前后变化不大。铸件中加入微量细化剂不形成 夹杂 , 不改变合金相组成。此外 ,加细化剂不仅可使晶粒细化 , 同时铸件中的缩松大大减少。 关键词 : 枝晶组织 ; 枝晶偏析 ; 析出相 ; 夹杂 ; 缩松 中图分类号 : TG113 　　　文献标识码 : A 　　　文章编号 : 100525053 (2001) 0420005204 　　研究发现[1 ]降低浇注温度和加入细化剂均 可使铸件中等轴晶平均尺寸减小 ,断面等轴晶比 例提高。从现有文献看 ,对细晶铸造材料力学性 能已开展了细致的研究工作 ,但细晶材料的组织 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 工作开展得较少[2 ] 。所以 ,本文在前期工作 基础上对普通和细晶铸锭微观组织进行了系统分 析 ,研究了晶粒细化后枝晶组织、元素的枝晶偏 析、析出相以及铸件中夹杂和缩松等的变化。 1 　实验方法 　　将浇注所得圆柱锭沿横截面切开 ,用煮沸的 1g KMnO4 + 10ml H2SO4 + 90mlH2O 腐蚀液腐蚀 出微观组织。在 Leica 定量金相分析仪上观察枝 晶组织 ,并测定一次枝晶主轴长度和二次枝晶臂 间距。采用 J EOL 公司的 Superprobe 733 型电子 探针测定普通与细晶试样中几种主要合金元素在 枝晶间和臂上的含量 , 以便确定偏析比。利用扫 描电镜观察铸件中的 MC 型碳化物、Laves 相和 夹杂 ,并用能谱分析仪对它们的成分进行测定。 利用 XJL202A 型立式金相显微镜对铸件中的缩 松进行观察。 2 　结果及分析 2 . 1 　枝晶组织 　　降低浇注温度或加入细化剂使晶粒细化后 , 收稿日期 : 2001207216 ; 修订日期 : 2001210220 基金项目 : 国家重点基础研究规划课 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ( G2000067202) 作者简介 : 熊玉华 (19732) , 女 , 博士后。 枝晶组织也得以细化 ,一次枝晶主轴长度 laxes (the length of the average primary dendrite axes) 变短 ,而且晶粒的形态也由枝状向粒状转变 ,即晶 粒的外形趋于圆整 ,晶粒中没有一次、二次分枝或 分枝不明显 (图 1) 。晶粒细化后 ,发生了晶粒的 粒状化或球化现象 ,这种粒状晶的形成使铸件具 有更好的冶金均匀性 ,大大提高材料的拉伸性能 和疲劳性能[3 ,4 ] 。 　　通过观察发现 , 试样 1 中的晶粒是少量枝晶 加大量粒状晶 ,边缘部位的 SDAS (secondary den2 drite arm spacing)约为 60μm。而试样 2 中的晶粒 几乎全部呈粒状。试样 4 中的 SDAS 约为 61μm。 在晶粒组织中有较多枝晶的试样 3 ,5 和 6 的中心 部位选取 10 个完整的树枝晶来测量 laxes 和 SDAS ,结果取平均值 ,列于表 1 中。 表 1 　枝晶组织特征 Table 1 　Characteristics of dendrite structures Sample No. Refiner Tp / ℃ Average grain size / mm laxes /μm SDAS /μm 1 - 1380 0. 6016 - 60 (edge) 3 - 1400 2. 25 134. 6 65. 7 4 Addition 1400 0. 2015 - 61 5 - 1420 3. 84 147. 5 81 6 Addition 1420 0. 989 103. 7 81 　　Note : Tp - melt pouring temperature. 　　从表 1 可看出 ,随着晶粒平均尺寸由试样 5 至 3 至 6 依次减小 ,一次枝晶主轴长度也逐渐减 小。这是由于晶粒细化时 ,异质核心数量增加 ,在 随后的合金液冷凝过程中 ,树枝晶生长空间变小 , 图 1 　普通铸造试样 (a)和细晶 铸造试样 (b)的枝晶组织 Fig. 1 　Dendrite structures in conventionally cast sample (a) and fine2grained sample (b) 枝晶主轴及分枝生长受到的阻碍就大。另外 ,树 枝晶生长空间变小导致成分过冷度范围小也不利 于树枝晶生长。因此 ,细晶后最终形成的树枝晶 尺寸减小。从表 1 还可发现 ,对不加细化剂的试 样 1 ,3 和 5 , 随着浇注温度升高 ,SDAS 有递增趋 势。但在同一浇注温度下 , 加细化剂的试样与普 通铸造试样的 SDAS 差别不大。这是因为当合金 成分一定时 , SDAS ( d2 ) 主要受冷却速率的影 响[5 ] ,它与冷却速率存在如下的关系 : 　　d2 =β( GR) n (1) 其中β是与合金性能有关的参数 ; n 与合金及凝 固过程有关 ,约为 - 13 ; G 为溶质界面前沿液相 温度梯度 , R 为凝固速率 ,则 G·R 为冷却速率。 　　当然 ,除冷却速率影响 SDAS 外 ,溶质浓度、 溶质平衡分配系数等都是不容忽视的因素。但在 本文试验条件下 ,合金参数一定 ,即溶质浓度等恒 定 ,故 SDAS 主要受冷却速率的影响。在本试验 中 , 由于铸模预热温度保持 900 ℃,每次使用母合 金料的重量基本相同 ;加入的细化剂数量极少 ,对 冷速的影响可忽略 ,因此 ,影响冷却速率的主要因 素是浇注温度。当浇注温度升高时 ,由于凝固需 导出的过热多 , 则冷却速率降低 ,故 SDAS 有递 增趋势。在同一浇注温度下 ,各试样冷却速率几 乎相同 ,所以它们的 SDAS 差别不大。 2 . 2 　元素枝晶偏析 　　本文对浇注温度为 1400 ℃的普通铸造试样 3 和加了细化剂的细晶试样 4 中的主要元素 Fe , Cr ,Mo ,Nb 和 Ti 在枝晶臂、枝晶间的平均成分进 行了测试 , 根据测得的结果以及合金中这几种元 素 所占的质量百分比 Fe 1 9 . 3 2 3 , Cr 1 8 . 4 , Mo3. 05 , Nb5. 3 , Ti1. 05 计算 ,所得偏析比列于 表 2 中。由表 2 可以看出 , Fe 和 Cr 的偏析比小 于 1 ,是负偏析元素 ,主要富集于枝晶臂 ; Fe 的偏 析程度大于 Cr 的偏析程度。Mo ,Nb 和 Ti 是正 偏析元素 ,主要富集于枝晶间。从总体趋势上讲 , Mo 和 Nb 的偏析程度大于 Ti 的偏析程度。 表 2 　各元素在各试样中的偏析比 Table 2 　Segregation ratio of selected elements Sample No. Average grain size / mm Segregation ratio Fe Cr Mo Nb Ti 3 2. 25 0. 775 0. 831 2. 2 3. 910 3. 571 4 0. 2015 0. 922 0. 918 2. 067 2. 085 1. 550 　　从表 2 可知 ,细晶试样 4 的元素枝晶偏析较 普通铸造试样 3 的减轻了 ,这主要是因为晶粒细 化后 , 枝晶生长的空间尺度减小 ,化学成分偏析 的距离和幅度减小。此外 ,根据上述对晶粒形貌 的观察可知 , 细晶组织中的粒状晶增多 ,枝状晶 减少。枝晶组织减少或消除后 ,由于不存在枝晶 间元素的排出 ,也有利于偏析的减轻。另外可以 看出 , 晶粒细化后 , 几种主要元素的偏析比都越 来越接近于 1。由于偏析比是主干或二次干间隙 上测得的最大 (正偏析) 或最小 (负偏析) 溶质浓 度和在枝晶臂中心测得的最小或最大溶质浓度之 比 ,故无论是正偏析还是负偏析元素 ,其偏析比越 接近于 1 ,表明元素的偏析程度越轻 ,元素的分布 越均匀。这表明晶粒细化后 ,各元素的分布趋于 均匀 ,这有利于铸件机械性能的提高[6 ] 。 2 . 3 　晶粒细化对析出相的影响 2. 3. 1 　晶粒细化对 MC 型碳化物的影响。利用 扫描电镜观察发现 ,MC 型碳化物呈不连续的小 块状或小颗粒状 ,形状较规则且大多中间是空心 的 (图 2) 。分析认为 ,之所以中间是空心的 ,原因 可能有两个 : (1) 由腐蚀引起的 ,因碳化物中心和 边缘部分的成分不完全一致 ,在深腐蚀的条件下 , 中心可能先被腐蚀掉 ; (2) 碳化物生长时形成。用 能谱仪测得 MC 型碳化物成分 (质量分数 , % ,下 6　　　　　　　　　　　　　　　　航 　空 　材 　料 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　第 21 卷 图 2 　MC 型碳化物 Fig. 2 　MC2type carbides 同) 为 : Fe 0. 25 , Cr0. 00 , ( Mo + Nb) 66. 77和 Ti 32. 99。可以看出它们富含 Nb 和 Ti ,即富集正偏 析元素 ,而几乎不含负偏析元素 Fe 和 Cr。由于 正偏析元素富集于枝晶间 ,且 C 一般也富集于枝 晶间 ,因此 MC 型碳化物一般分布于枝晶间或晶 界。MC 型碳化物在试样中的数量很少 ,尺寸也 小 ,其平均尺寸约为 3～4μm。普通与细晶铸造试 样中的 MC 型碳化物在数量、形貌和尺寸上没有 大的差别。 2. 3. 2 　晶粒细化对 Laves 相的影响。在对晶粒 及微观组织进行观察的过程中发现 ,在晶界或枝 晶间上有大量白色块状物质 ,有极少量的白块位 于晶内或枝晶臂上。从这些白块的形态和析出部 位分析可知 ,它们是 Laves 相。当合金中 Nb 和 Ti 等的含量除了形成碳化物外还超过 Laves 相溶 解度时 ,就有可能形成 Laves 相。利用电子探针 测得试样 3 中 Laves 相的元素组成为 Fe11. 525 , Ni34. 27 , Cr12. 805 , Mo 6. 12 , Nb34. 495 和 Ti0. 805。可以看出 ,Laves 相富含正偏析元素 Mo 和 Nb ,且 Nb 含量相当高 ,而贫乏 Fe 和 Cr ,这 表明该种物质是在一定量的基体形成之后 ,形成 该种物质的元素过饱和到一定程度后才在枝晶间 形成 ;或者在凝固的最后阶段形成 ,因此它们绝大 部分分布于晶界上。观察普通铸造试样 3 和细晶 铸造试样 4 中 Laves 相的形状以及分布形态后发 现 ,试样 4 上有较多分散的 Laves 相块 (图 3a) 和 部分 Laves 相聚集体。试样 3 上有大量 Laves 相 的聚集体 ,这些聚集体连成网状、片状 (图 3b) 。 即随着晶粒的细化 ,Laves 相的分布趋于分散。 另外 ,通过定量金相分析发现 ,试样 4 上的 Laves 相尺寸略大于试样 3 的 ,数量也略多于试样 3 的 , 这同所加的细化剂富含 Nb ,促进 Laves 相的析出 有关。 2 . 4 　晶粒细化对铸件夹杂和缩孔的影响 2. 4. 1 　晶粒细化对铸件夹杂的影响。高温合金 对夹杂特别敏感 ,夹杂物成为疲劳裂纹源 ,对铸件 性能产生不利影响 ,因此 ,本文对化学法获得的 K4169 合金细晶铸锭进行了夹杂 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 。通过金相 分析可知 ,细晶铸锭中没有金属氧化物和基体元 素之外的其他元素 ,且各元素含量在合金成分标 称范围内。由于本试验是在 0. 133Pa 的真空度下 进行高温熔炼合金铸锭、加入微量细化且其成分 又是基体本身所具有的元素 ,所以不形成夹杂。 图 3 　Laves 相 　　　　　　　　　　　　 　 (a)分散的 Laves 相 ; (b)网状的 Laves 相 Fig. 3 　Laves phase 　　　　　　　 (a) kispersive laves phase ; (b) netshaped laves 2. 4. 2 　晶粒细化对铸件缩松的影响。K4169 合 金属于宽结晶温度范围的合金 ,其形成分散缩松 的倾向性大 , 所以我们十分关注晶粒细化后铸件 缩松的变化。通过比较浇注温度高于合金液相线 61 ℃的不加细化剂的试样 3 和加了细化剂的细晶 铸造试样 4 中的缩松数量、尺寸及分布情况 ,可以 发现 ,试样 3 中存在数量不多但分布集中、尺寸较 大的缩孔。但在细晶试样 4 中 ,几乎看不到或在 整个试样上只有零星几处尺寸细小且形状规则的 缩松 (图4) 。这说明 ,同一浇注温度下 ,加入细化 7第 4 期 　　　　　　　　浇注温度和细化剂对 K4169 高温合金微观组织的影响 　　　　　　　　　　 图 4 　普通和细晶铸造试样中的缩松 (a)试样 3 ; (b)试样 4 Fig. 4 　Microporosity in conventional and fine2grained sampled (a) Sample No. 3 ; (b) Sample No. 4 剂使晶粒细化后可大大减少缩松。这是由于晶粒 细化后使得树枝晶细化或晶粒球化 ,晶体中液体 毛细输送管道的增多和液体流动的阻力减小 ,使 得液体的补缩能力大大增强所致。 3 　结　论 　　(1)同样加或不加细化剂条件下 ,随浇注温度 降低 , 一次枝晶主轴长度和二次枝晶臂距减小。 而同一浇注温度下 ,化学细化法所获得的细晶试 样的一次枝晶主轴长度变短 ,但二次枝晶臂距没 有明显的变化。 　　(2)晶粒细化后 ,晶粒形态由普通铸造组织中 的树枝晶向细晶组织中的粒状晶转变。另外 ,通 过测定偏析比可知 ,合金的主要元素中 Mo , Nb 和 Ti 是正偏析元素 , Fe 和 Cr 是负偏析元素 ,且 细晶试样中的元素枝晶偏析得以减轻 ,这均有利 于提高铸件的机械性能。 　　(3) MC 型碳化物和 Laves 相的尺寸、数量和 形貌在晶粒细化前后变化不大。 　　(4)微量细化剂的加入在铸件中不形成夹杂 , 不改变合金的相组成。 　　(5)加细化剂不仅可以细化晶粒 ,而且使铸件 中的缩松大大减少。 参考文献 [1 ] 熊玉华 , 杨爱民 , 李培杰 , 等. 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Effects of pouring temperature and ref iners on microstructures of superalloy K4169 XION G Yu2hua1 , 　YAN G Ai2min2 , 　L I Pei2jie1 , 　L IU Lin2 (1. Department of Mechanical Engineering , Tsinghua University , Beijing 100084 , China ; 2. Department of Applied Physics , Northwestern Polytechnical University , Xi’an 710072 , China) Abstract : In the present study , the effects of pouring temperature and refiners on dendrite structures , interdendritic segregation , precipitates , inclusion and microporosity of cast superalloy K4169 were investigated. It is found that the higher the pouring tem2 perature , the greater the length of the average primary dendrite axes ( laxes) and the secondary dendrite arm spacing (SDAS) . At the same pouring temperature , laxes was shortened with the addition of refiner. However , SDAS kept almost unchanged. Addition2 ally , the morphology of grains was transformed from dendrite in conventionally cast castings to granulation in fine2grained castings and the segregation ratios of main elements were alleviated with the decrease of grain size , which are beneficial for the improvement in mechanical properties. The size , amount and morphologies of MC2type carbides and Laves phase had no remarkable change after grain refinement . Moreover , it is also found that trace addition of refiner to the melt did not bring in inclusion and change the phase constitution of the alloy. The amount of microporosity in samples with the addition of refiner can be greatly decreased. Key words : dendrite structures ; interdendritic segregation ; precipitate ; inclusion ; microporosity 8　　　　　　　　　　　　　　　　航 　空 　材 　料 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　第 21 卷