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新型细化剂对 K4169 高温合金
晶粒组织的影响α
熊玉华1, 2, 李培杰1, 杨爱民2, 严卫东2, 曾大本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: 研究了新型细化剂对 K4169 高温合金晶粒组织的影响, 提出了晶粒细化的机理。结果表
明: 加入新型细化剂不仅使凝固后基体的晶粒尺寸减小, 而且可提高铸件断面等轴晶的比例。在通
常浇注温度 1 400℃下, 加入由两种三元金属间化合物所制成的复合细化剂, 对合金熔体进行、不进
行均匀化处理时, 可使圆柱锭的晶粒分别细化至A STM 1. 7 级和A STM 3. 2 级; 断面等轴晶的比例
从 56% 分别提高到 96% 和 99%。研究还发现细化剂加入工艺如加入单一或复合细化剂、细化剂的
种类和粒度等的不同会产生不同的细化效果, 本文对这些现象进行了解释。
关 键 词: 高温合金, 晶粒细化, 晶粒细化机理
中图分类号: T G113 文献标识码: A 文章编号: 100022758 (2002) 0420594205
航空发动机的某些部件如低压涡轮叶片和涡轮
盘等结构件的使用温度在等强温度以下, 因而希望
其铸造组织为整体均匀细小的等轴晶以提高其抗疲
劳性能。近年来, 整体细晶铸造技术得以发展[1 ] , 工
业上常用的 3 种晶粒细化方法为热控法、振动法和
化学法[2 ] , 其中由于化学法具有操作简便、不改动设
备和细化效果显著等突出的特点而日益受到重视。
但是, 由于高温合金对夹杂特别敏感, 所以对细化剂
的选择必须慎重。本文在前期工作的基础上[3 ] , 利用
所研制的新型 K4169 高温合金细化剂[4 ] , 使主要用
于生产中温以下工作的压气机盘和涡轮盘等的
K4169 合金的晶粒组织更进一步地细化。
1 实验方法
实验所用母合金是 Fe2N i 基高温合金 K4169,
其化学成分 (质量分数, % ) 为: C 0. 05, Co 0. 01,
N i 52, M o 3. 05, N b 5. 3, C r 18. 4, A l 0. 55,
T i 1. 05, Fe 余量。采用 SD T 2960 差热、热重联用分
析仪测得该合金的液、固相线温度分别为 1 339℃和
1 254℃。
将两种二元金属间化合物A l2Co、Fe2N b 和两
种三元金属间化合物Co2N b2N i、Co2M o2N b 按一定
的粒度和比例混合制成复合细化剂[5 ]。将一定量的
细化剂放在炉内特制的加料斗内。采用 ZG200 型真
空中频感应电炉熔铸尺寸为 <35 mm ×80 mm 的圆
柱锭, 每炉母合金的质量约为 1 kg。如果要对熔体
进行均匀化处理, 则先将合金料过热至 1 550℃, 保
温约 2~ 3 m in, 随后将熔体降温至浇注温度 T p。如
果不进行均匀化处理, 则将合金加热至 T p , 保温约
2~ 3 m in。之后, 对于普通铸造试样 (不加细化剂) ,
则熔体降温至浇注温度后就浇注到由刚玉砂和硅溶
胶制成的模壳中。对于细晶铸造试样, 加入细化剂并
对熔体搅拌均匀后便浇注。浇注温度和模壳预热温
度分别为 1 400℃和 900℃。
根据国标 GB 6394- 86 金属平均晶粒尺寸测定
法的截点法[5 ]来测定圆柱锭横截面的晶粒尺寸, 并
换算到AN S IöA STM E112- 80 标准的A STM 晶
粒度级别; 选用面积计量法测定断面等轴晶比例。利
用 JEOL 公司的 JSM - 840 型扫描电镜 (SEM )和能
谱分析仪 (EDX ) 对细晶试样中心的小颗粒进行观
察和分析, 以探索化学法晶粒细化的机理。
2002年11月
第20卷第4期
西 北 工 业 大 学 学 报
Journal of N o rthw estern Po lytechn ical U niversity
N ov. 2002
V o l. 20 N o. 4
α 收稿日期: 2001- 10- 30 基金项目: 国家重点基础研究发展规划课题 (G2000067202)
作者简介: 熊玉华 (1973- ) , 西北工业大学博士, 现清华大学博士后, 主要从事高温合金晶粒细化的研究。
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2 实验结果及分析
2. 1 晶粒组织
表 1 所示为不同工艺条件下所获得的圆柱锭的
晶粒组织特征参数, 其中晶粒尺寸和断面等轴晶比
例是两次实验结果的平均值。图 1 所示为圆柱锭的
宏观晶粒组织, 可以看出: 加入细化剂以及不对熔体
进行均匀化处理均可使圆柱锭中的晶粒尺寸减小,
断面等轴晶的比例提高。其中, 所加细化剂的单一
或复合情况、种类和粒度均影响晶粒细化效果。
表 1 不同细化工艺下晶粒组织的特征参数
试样号 细化剂 粒度
均匀化处理
温度 T sö℃ 平均晶粒尺寸 römm A STM晶粒度级别 断面等轴晶比例 p ö%
1 —— —— —— 2. 25 M 8 56
2 1# B 1 550 0. 201 5 1. 7 96
3 1# S —— 0. 489 5 M 12. 5 93
4 2# B —— 1. 581 M 9 83
5 1# B —— 0. 115 8 3. 2 99
6 3# B —— 1. 598 M 9 86
注: (1) 1# 细化剂是指由 Co2N b2N i 和Co2M o2N b 组成的复合细化剂, 2# 是指单一的Co2N b2N i, 3# 是指由
A l2Co 和 Fe2N b 组成的复合细化剂; (2) 粒度一栏中, B 和 S 分别指细化剂颗粒尺寸较大和较小两种情况。
图 (a)~ (f)分别对应于试样编号 1~ 6
图 1 不同细化工艺下圆柱锭的宏观晶粒组织
2. 2 晶粒细化的机理
2. 2. 1 细化剂的影响
加了细化剂之后, 晶粒尺寸明显减小, 现分析晶
粒细化的机理。根据非均匀形核的概念知, 非均质形
核的临界形核功 ∃G 30 是均质形核的 f (Η) 倍, 其中 Η
为球冠晶胚或基体与外来固相衬底之间的接触角,
co sΗ= ΡL C - ΡS CΡL S , 式中L 指液体, C 指夹杂或形核衬 底, S 指晶胚, 且 f (Η) 值随 Η角的减小而降低。虽然对某一个给定系统中两个固相接触角大小的了解还很少, 甚至还没有一个可靠的方法来测量它, 但有一点是可以肯定的: 要想使 Η角减小, 则需减小 ΡS C。而形核衬底与晶胚之间错配度 ∆越小, 那么二者之间的界面能ΡS C 也越小, 则Η角也越小, 使∃G 30 也越小,表明此时形核衬底促进非均匀形核的作用就越强。根据B ram fit t 提出的二维点阵错配度∆的计算
·595·第 4 期 熊玉华等: 新型细化剂对 K4169 高温合金晶粒组织的影响
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模型[6 ] , 计算所得细化剂A l2Co 与基体在 (001)晶面
上的错配度是 12. 4%。Fe2N b、Co2N b2N i 和Co2M o2
N b 在 (0001) 晶面与基体 (111) 晶面的点阵错配度 ∆
分别为 5. 01%、5. 03% 和 3. 77% , 在 (1010) 晶面与
基体 (011) 晶面的点阵错配度 ∆ 分别为 4. 96%、
4. 93% 和 5. 36%。因此, 这 4 种同基体有良好点阵
匹配关系的细化剂颗粒可作为非均匀形核的衬底,
通过减小 f (Η) 值来降低 ∃G 30 , 从而促进了非均匀
晶核数量的增加。另外, 由于晶核数量的增加, 则在
每一个晶粒明显长大之前, 其周围有足够多的晶粒
来制约它的生长, 则晶粒在互相碰撞接触之前没有
足够的时间长大, 因而可获得细晶组织。
通过 SEM 和 EDX 的观察和分析发现, 在加入
了复合细化剂的 5 号试样的一些晶粒中心或靠近晶
粒中心的部位分布有富含N b 和 Co 的小颗粒 (图 2
白线框内的白色颗粒即为其中的一个) , 部分小颗粒
和其附近基体的成分列于表 2。由于所加的复合细
化剂富含N b 和 Co, 而基体含N b 较少且几乎不含
Co, 因此晶粒内部的富含N b 和Co 的小颗粒就是细
化剂颗粒, 可认为晶粒就是以它们为核心并在其上
外延生长得到的。
图 2 作为非均质核心的细化剂颗粒
表 2 细化剂颗粒与基体成分的差异
元素 基体 1 颗粒 1 基体 2 颗粒 2
N b 4. 00 7. 97 4. 82 7. 13
T i 0. 89 1. 45 1. 06 1. 23
C r 26. 95 27. 04 29. 25 30. 46
Fe 19. 33 22. 30 23. 25 23. 83
Co 0. 00 3. 69 0. 50 1. 13
N i 48. 83 37. 55 41. 12 36. 20
另外, 从图 2 可大概估计出凝固后细化剂颗粒
的尺寸约为 0. 4~ 0. 8 Λm , 而 5 号试样中所加的细
化剂颗粒的尺寸远大于这个值; 最初所加的细化剂
颗粒表面粗糙, 呈不规则的多面体状, 有棱有角, 但
现在这些颗粒的边界变得比较光滑。细化剂颗粒的
尺寸和形状的变化表明它们在熔体中存在一个溶解
过程, 因此, 细化剂颗粒在合金熔体中的保持时间会
影响细化效果。
2. 2. 2 均匀化处理的影响
在其它工艺参数相同条件下, 不进行均匀化处
理的试样 5 的晶粒尺寸较进行了均匀化处理的试样
2 的稍小一些, 这主要是因为初生碳化物和难熔质
点起到了一定的细化作用。
镍基高温合金中的M C 型碳化物是直接从液
态析出的初生相[7 ] , 它们的熔点均高于合金的液相
线温度。在对合金进行重熔时, 如果不进行均匀化处
理, 则上次母合金冷凝形成的初生碳化物就不会完
全溶解, 部分M C 型碳化物的颗粒就能保留在熔体
中成为凝固时基体相的结晶核心, 因此提高了凝固
过程中的形核率, 从而使晶粒的尺寸得以减小。
另外, 在液相线温度以上的液相中存在着难熔
质点, 它们可能是熔体中的某些非金属杂质或夹杂。
虽然这些难熔质点和合金基体的晶体结构相差甚
远, 不具备作为晶核基底的匹配条件, 但是由于其表
面凹凸不平或在裂缝及微孔中有时能残留未熔金
属, 也能强烈地促进非自发核心的形成。不进行均匀
化处理时, 难熔质点突起的部分溶解得少, 则保留下
来的裂缝及微孔的数量就多。
总之, 合金液不进行均匀化处理时, 部分初生碳
化物和难熔质点就会起到作为晶核或形核衬底的作
用, 从而使结晶后的晶粒尺寸要小一些。
2. 3 细化剂加入工艺对细化效果的影响
其它熔铸工艺参数相同时, 加入单一细化剂的
试样 4 的晶粒尺寸大于加入复合细化剂的试样 3 和
5 的晶粒尺寸, 单一和复合细化剂所产生的细化效
果的不同可归因于特征过冷度的影响。液态金属的
深过冷不易获得, 主要是由于液态金属中存在少量
夹杂或能作为形核剂的颗粒, 这些物质促进合金形
核的特征过冷度 (∃T c) 不同[8 ] , 即不同种类的细化
剂在不同的 ∃T c 下被激活。由于复合细化剂具有两
个不同的特征过冷度, 故有效的形核温度范围被加
宽, 形成的晶核数量就越多, 因此最终的晶粒就较
细。
另外还可以看出, 加了由两种三元金属间化合
物组成的复合细化剂的 2 号试样, 甚至在进行均匀
化处理之后, 其凝固后的晶粒尺寸也明显小于加了
由两种二元金属间化合物组成的复合细化剂的 6 号
·695· 西 北 工 业 大 学 学 报 第 20 卷
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试样。由非均匀形核的理论知, 形核衬底与基体之间
的界面能影响着形核功。分析认为三元金属间化合
物多含一种元素, 可能会使其与基体元素之间的静
电引力产生变化, 从而影响界面能和形核功。
从实验结果还可以看出, 其它工艺参数相同时,
细化剂粒度不同则细化效果也不同。试样 3 中所加
细化剂粒度小于试样 5 的, 由图 1 比较发现前者的
晶粒尺寸大于后者的, 且晶粒分布的均匀程度也较
后者的低。在细化剂加入量占合金质量百分比相同
的情况下, 细化剂粒度小时, 则单位质量中加入的颗
粒数更多一些。但是, 当细化剂颗粒小时, 由于比表
面积增大, 则比表面能也随之提高, 由于细小颗粒的
聚集可降低表面能, 故细小的颗粒有自发聚集的倾
向, 所以能起到异质核心作用的颗粒数目反而减少。
另一方面, 由于颗粒聚集的随机性引起颗粒聚集体
的尺寸大小不同, 即产生了非均匀形核核心尺寸的
不同, 最终, 晶粒尺寸的均匀程度也略有降低。因此,
细化剂粒度应控制在合适的范围内。
3 结 论
(1) 单一或复合细化剂均能使铸件中等轴晶的
平均尺寸减小, 断面等轴晶的比例提高。当浇注温度
高于合金液相线 61℃时, 加入所研制的由两种三元
金属间化合物所组成的复合细化剂, 对合金熔体进
行、不进行均匀化处理时, 可使圆柱锭的晶粒分别细
化至A STM 1. 7 级和A STM 3. 2 级; 断面等轴晶的
比例分别达 96% 和 99% 以上。
(2) 化学法晶粒细化的机理是细化剂颗粒可作
为非均匀形核的衬底, 降低了形核功, 从而促进晶粒
细化。
(3) 熔体不进行均匀化处理时, 其晶粒组织较
经均匀化处理时的细小, 这是因为初生碳化物和其
它难熔质点可起到一定的细化作用。
(4) 细化剂加入工艺如加入单一或复合细化
剂、细化剂种类和粒度等不同时产生的细化效果也
不同。复合细化剂较单一细化剂的效果好可归因于
特征过冷度的影响。
参考文献:
[1 ] N azm y M , W eiss B , Stick ler R. T he Effect of A dvanced F ine Grain Casting T echno logy on the Stat ic and Cyclic P ro
pert ies of IN 713L C. In: Bachelet E, et a l. H igh T emperatu re M ateria ls fo r Pow er Engineering (Ê ). N etherlands:
K luw er A cadem ic Publishers, 1990, 1397~ 1404
[ 2 ] M ondo lf L F. Grain R efinem ent in the Casting of N on2Ferrous A lloys. In: A ddacsh ian G T , et a l. Grain R efinem ent in
Casting and W elds. W arrendale, Pa: T he M etallu rgical Society of A IM E, 1983, 3~ 50
[3 ] 熊玉华, 柳 伟, 杨爱民, 张 蓉, 刘 林. N i2A l2T i 细化剂对 K4169 高温合金铸态组织及性能的影响 1 金属学报, 1999,
35 (7) : 689~ 692
[4 ] 熊玉华. K4169 高温合金化学法晶粒细化工艺及机理的研究: [博士
论文
政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载
]. 西安: 西北工业大学, 2000
[5 ] 中华人民共和国国家标准. 金属平均晶粒度测定法. GB 6394- 86, 716~ 730
[ 6 ] B ram fit t B L. T he Effect of Carb ide and N itride A ddit ions on the H eterogeneous N ucleation Behavio r of L iqu id Iron.
M etal T rans, 1970, 1: 1987~ 1995
[7 ] 蔡玉林, 郑运荣. 高温合金的金相研究. 北京: 国防工业出版社, 1986
[8 ] 胡汉起. 金属凝固原理 (第二版). 北京: 机械工业出版社, 2000
·795·第 4 期 熊玉华等: 新型细化剂对 K4169 高温合金晶粒组织的影响
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Effects of New Ref iners on Gra in Structures of
Cast Supera lloy K4169
X iong Yuhua1, 2, L i Peijie1, Yang A im in2, Yan W eidong2,
Zeng D aben1, L iu L in 2
1. D epartm ent of M echan ical Engineering, T singhua U niversity, Beijing 100084
2. D epartm ent of A pp lied Physics, N o rthw estern Po lytechn ical U niversity, X i′an 710072
Abstract: Effects of new refiners on gra in st ructu res of cast supera lloy K4169 have been invest iga ted. It is
show n that the addit ion of new refiners cou ld lead to reduct ion in average equ iaxed gra in size and increase
in the p ropo rt ion of equ iaxed gra in s a t cro ss2sect ion. U nder the sam e condit ion s of adding m ixed refiner
con sist ing of tw o ternary in term eta llic compounds and pou ring at a conven t ional pou ring temperatu re of
1 400℃, the average equ iaxed gra in s (r) cou ld be refined to the o rder of A STM 1. 7, the p ropo rt ion of e2
qu iaxed gra in s a t cro ss2sect ion (p ) cou ld be imp roved from 56% to 96% if the m elt w as homogeneou sly
trea ted. If the m elt w as no t homogeneou sly trea ted, r cou ld be refined to 0. 115 8 mm , i. e. A STM 3. 2,
and p cou ld be imp roved to 99%. M o reover, gra in refinem en t m echan ism s w ere p ropo sed. Experim en ta l
resu lts a lso indica te that the difference in addit ion techno logy of refiner, such as single o r m ixed refiners,
and the difference in the k ind and granu larity of ref iners resu lt in d ifferen t ref in ing effect.
Key words: supera lloy, gra in refinem en t
1998- 2001 年 4 年《国际航空宇航摘要》
收录麻省理工学院等 5 校 15 行以上论文 137 篇
行数
篇数 大学 麻省理工 成 功 西北工业
北京航空
航天
南京航空
航天
5 校
15 行 43 10 4 3 2 62
16 行 31 3 1 3 0 38
17 行 14 0 1 0 1 16
18 行以上 14 4 3 0 0 21
共计 102 17 9 6 3 137
西工大、北航、南航被《国际航空宇航摘要》收录在 16 行以上的论文共 9 篇: 西工大 5 篇 (苏超伟 C32
A 00- 42162, 21 行; 李杰 C02 A 00- 29966, 20 行; 贺家驹 C99 A 98- 15026, 19 行; 阎云聚 C31 A 00- 35433,
17 行; 朱惠人 C34 A 99- 40392, 16 行) ; 北航 3 篇 (C39 A 00- 33356, 16 行; C71 A 00- 49874, 16 行; C64 A 01
- 17431, 16 行) ; 南航 1 篇 (C39 A 01- 37473, 17 行)。
胡沛泉
2002 年 11 月 1 日
·895· 西 北 工 业 大 学 学 报 第 20 卷