Hf對(duì)IC10高溫合金凝固特性的影響

王艷麗， 趙希宏， 范映偉， 黃朝暉， 王 祺

(1.北京航空材料研究院先進(jìn)高溫結(jié)構(gòu)材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095;2.北京航空材料研究院，北京 100095)

高溫合金渦輪葉片是先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零部件之一［1，2］。自從20世紀(jì)90年代以來，北京航空材料研究院自主研制了新型的IC10高溫合金葉片材料，它具有良好的抗氧化、抗腐蝕性能，能滿足高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)葉片材料的需求，并被選為某先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪導(dǎo)向葉片材料［3］。

合金的化學(xué)成分直接影響著其微觀組織形態(tài)、尺寸、分布以及鑄造性能，研究元素對(duì)高溫合金凝固過程的影響對(duì)弄清合金中相的析出規(guī)律，揭示元素作用以及評(píng)定鑄造高溫合金的可鑄性等很有幫助［4～6］。以往的研究表明，Hf元素對(duì)定向凝固高溫合金鑄造性能影響很大［7，8］。加 Hf能改進(jìn)晶界結(jié)構(gòu)，在不損害抗蠕變性能的前提下，在晶粒尺寸允許范圍內(nèi)調(diào)節(jié)合金局部的塑性變形。添加Hf能提高合金的中溫橫向性能而不損害合金的縱向性能。Hf在γ'相中的溶解度比在γ相中大，因此更能強(qiáng)化γ'相;同時(shí)Hf又是極強(qiáng)的碳化物形成元素，Hf元素會(huì)影響合金的初熔溫度。

目前關(guān)于Hf對(duì)IC10合金凝固特性的影響還沒有相關(guān)研究。因此，本工作研究了Hf含量對(duì)定向凝固柱晶IC10高溫合金凝固特性的影響，分析了合金在不同溫度等溫凝固條件下固-液兩相比例變化、初生相的析出順序以及其析出的溫度范圍，確定了合金在凝固過程中常涉及的參數(shù) TL，T1，TS，ΔT，ΔT1，ΔT2和F。

1 實(shí)驗(yàn)過程

IC10合金名義成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)):Ni-11.5/12.5Co-6.5/7.5Cr-6.5/7.5Ta-5.6/6.2Al-4.7/5.2W-1.0/2.0Hf-1.0/2.0Mo-0.01/0.02B-0.07/0.12C。為考察Hf對(duì)IC10合金的影響，采用真空感應(yīng)爐熔煉了三爐不同Hf含量的合金。Hf含量分別為0.8%(低于 IC10 合金 Hf含量范圍)、1.5%(IC10合金Hf的中值含量)和2.0%(IC10合金中Hf含量的上限)。在相同工藝條件下，采用ISP2/Ш-DS型真空定向凝固爐制備定向試棒，合金成分如表1所示。

從三種合金鑄態(tài)試棒各切取2.5mm×2.5mm×5mm的小塊，同時(shí)在20mm×30mm×40mm的石墨塊的20mm×30mm面打一盲孔(孔徑為10mm，深度為15mm)，孔中填充由剛玉粉和硅溶膠組成的料漿，然后把切好的小塊試樣浸沒在料漿中，干燥后便制成等溫凝固試樣。將試樣放入硅碳棒管式加熱爐內(nèi)，加熱至1400℃，保溫15min使試樣處于完全熔化狀態(tài)，然后冷卻至不同溫度等溫凝固，15min后淬入水中。等溫凝固的溫度范圍為1380～1150℃，一般等溫凝固溫度間隔為20℃，在相變敏感區(qū)(由DSC測試結(jié)果確定)，間隔為5～10℃。

表1 合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Compositions of alloys(mass fraction/%)

差熱分析在NETZSCH STA 409C型綜合差熱分析儀上進(jìn)行，升溫和降溫速率均為10℃/min。采用光學(xué)金相、定量金相、掃描電鏡及X射線能譜儀等方法分析了鑄態(tài)和等溫凝固試樣，以確定固/液兩相的比例及各相的析出溫度和析出順序。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 合金的鑄態(tài)組織

如圖1所示，IC10合金的鑄態(tài)組織由基體γ、在γ基體上分布著的細(xì)小γ'相、枝晶間大量(γ+γ')共晶、MC碳化物以及微量的Ni5Hf相組成［9］。碳化物分為MC(1)和MC(2)兩種，骨架狀和點(diǎn)條狀分布于枝晶間的為MC(1)碳化物，而在共晶邊緣的是小塊狀MC(2)碳化物。(γ+γ')共晶呈葵花狀，具有明顯的花瓣和花心特征。Hf含量變化時(shí)合金的組織組成沒有改變，但與0.8%Hf合金相比，2.0%Hf合金中共晶的尺寸更大、數(shù)量更多。

圖1 鑄態(tài)合金的共晶組織 (a)0.8%Hf合金;(b)含1.5%Hf的IC10合金;(c)2.0%Hf合金Fig.1 Microstructures of as-cast alloys (a)alloy of 0.8%Hf;(b)alloy of 1.5%Hf;(c)alloy of 2.0%Hf

2.2 合金的差熱分析

三種合金冷卻過程中的差熱分析曲線如圖2所示。三種合金試樣的DSC冷卻曲線上，皆有三個(gè)明顯的放熱峰P1，P2和P3。這三個(gè)峰分別代表如下反應(yīng)，P1:L→γ，P2:L→γ +MC，P3:L→γ +γ'，各相析出溫度如表2所示?？梢钥闯?，Hf含量增加，降低了合金的液相線溫度和MC碳化物析出溫度，提高了共晶析出溫度。

圖2 合金的差熱分析曲線 (a)0.8%Hf合金;(b)含1.5%Hf的IC10合金;(c)2.0%Hf合金Fig.2 DSC curves of alloys (a)alloy of 0.8%Hf;(b)alloy of 1.5%Hf;(c)alloy of 2.0%Hf

表2 合金的DSC實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 DSC result of alloys

2.3 合金的等溫凝固組織

合金經(jīng)過1400℃重新加熱熔化后，在1380℃等溫15min后淬火的金相組織分析表明，淬火前三種合金全部處于液態(tài)，尚未發(fā)生結(jié)晶轉(zhuǎn)變，等溫淬火后得到尺寸細(xì)小的枝晶組織。1370℃等溫15min后，0.8%Hf合金析出大量初生 γ相，液態(tài)金屬約占35vol% ，含1.5%Hf的 IC10合金和2.0%Hf合金仍處于液態(tài)，如圖3所示。1365℃等溫15min后，含1.5%Hf的IC10合金析出少量的初生γ相，但大部分金屬仍為液態(tài)，2.0%Hf合金為液態(tài)。在1360℃等溫凝固時(shí)，2.0%Hf合金開始析出γ相。

圖3 1370℃等溫時(shí)的凝固組織 (a)0.8%Hf合金;(b)含1.5%Hf的IC10合金;(c)2.0%Hf合金Fig.3 Isothermal microstructures at 1370℃ (a)alloy of 0.8%Hf;(b)alloy of 1.5%Hf;(c)alloy of 2.0%Hf

隨著凝固溫度降低，凝固的枝晶發(fā)展很快，當(dāng)?shù)葴販囟认陆抵?350℃時(shí)，枝晶骨架已完全“搭好”，三種合金均有少量MC碳化物析出。能譜分析結(jié)果表明，三種Hf合金析出的MC相中金屬元素以 Ta為主(約為85%)，其次為 Hf(約為15%)。所不同的是0.8%Hf合金液相含量驟降，而含1.5%Hf的 IC10 合金和2.0%Hf合金液池很寬，如圖4所示。

圖4 1350℃等溫時(shí)的凝固組織 (a)0.8%Hf合金;(b) 含1.5%Hf的 IC10 合金;(c)2.0%Hf合金Fig.4 Isothermal microstructures at 1350℃ (a)alloy of 0.8%Hf;(b)alloy of 1.5%Hf;(c)alloy of 2.0%Hf

1340℃等溫凝固時(shí)，三種合金絕大部分初晶γ相析出，粗大的不規(guī)則塊狀MC碳化物明顯增多，MC碳化物骨架也開始形成，液池明顯變細(xì)變少，0.8%Hf合金有一小部分液池已斷開呈孤島狀，含1.5%Hf的 IC10合金和2.0%Hf合金剩余的液體絕大部分仍呈連通狀態(tài)。

等溫溫度降至1260℃時(shí)，2.0%Hf合金首先在枝晶間近鄰液池處析出少量共晶(γ+γ')相，這說明合金的共晶析出溫度為1260℃，見圖5a。在1250℃等溫凝固時(shí)，0.8%Hf合金和含 1.5%Hf的IC10合金在枝晶間近鄰液池處有少量個(gè)別共晶(γ+γ')相開始析出，說明這兩種合金的共晶析出溫度為1250℃;2.0%Hf合金開始析出枝晶間次生γ'1，如圖5b所示。1240℃等溫凝固時(shí)，含1.5%Hf的IC10合金(γ+γ')共晶析出量明顯增多，枝晶間析出少量的次生γ'1相。在1230℃等溫凝固時(shí)，0.8%Hf合金開始析出枝晶間次生γ'1;2.0%Hf合金枝晶干析出次生γ'2，如圖5c所示。1220℃等溫凝固時(shí)，含1.5%Hf的IC10合金枝晶干少量次生γ'2開始析出;1210℃等溫凝固時(shí)，0.8%Hf枝晶干開始析出次生γ'2。1150℃等溫凝固時(shí)，三種合金的液相消失，標(biāo)志著合金的凝固過程結(jié)束。

圖5 2.0%Hf合金不同等溫溫度時(shí)的凝固組織(a)1260℃;(b)1250℃;(c)1230℃Fig.5 Microstructures at various isothermal temperatures of 2.0%Hf alloy(a)1260℃;(b)1250℃;(c)1230℃

根據(jù)等溫凝固實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將各相析出順序和析出溫度匯于表3。對(duì)比DSC和等溫凝固實(shí)驗(yàn)結(jié)果測得的合金中各相析出溫度可知，DSC測得的各種初生相的析出溫度結(jié)果比對(duì)應(yīng)相的等溫凝固測得溫度低。這是由于DSC結(jié)果是一個(gè)宏觀值，僅當(dāng)析出相達(dá)到一定數(shù)量、相析出時(shí)的放熱量較大時(shí)，在DSC曲線上才可以反映出來［10］。

3 分析與討論

在等溫凝固實(shí)驗(yàn)過程中，當(dāng)溫度降至1280℃等溫凝固時(shí)，0.8%Hf合金絕大部分液池已完全斷開，呈孤島狀分布在初生γ枝晶中間;等溫溫度降到1260℃時(shí)，含1.5%Hf的IC10合金剩余液相量為2.6vol%，液池?cái)嚅_;1250℃等溫凝固時(shí)發(fā)現(xiàn)，2.0%Hf合金中的微液池已完全斷開，液相含量已非常少，僅為1vol%，由此確定了三種合金枝晶間通路被堵塞的溫度T1。根據(jù)等溫凝固實(shí)驗(yàn)結(jié)果，把有關(guān)凝固參數(shù)匯總于表4。

表3 三種合金各相析出溫度(℃)Table 3 Precipitation temperature of phases of three alloys(℃)

用定量金相法測定不同溫度下等溫凝固試樣的液體含量，并用液相線溫度與等溫溫度之差作得合金的凝固特性圖，如圖6所示。可以看出，在凝固開始的30℃內(nèi)，三種合金的凝固速率非常快，液體量銳減，以后凝固速率趨于平緩。0.8%Hf合金在1375℃開始析出 γ，到1350℃時(shí)析出的 γ已達(dá)到90 vol%;含1.5%Hf的IC10合金在1365℃開始析出γ，到1350℃時(shí)析出的γ已達(dá)到80 vol%;2.0%Hf合金從1360℃開始析出γ，到1350℃時(shí)γ已經(jīng)達(dá)到70 vol%。當(dāng)?shù)葴販囟认陆抵?350℃時(shí)，0.8%Hf合金液相含量為13 vol%，而含1.5%Hf的IC10合金和2.0%Hf合金液池很寬，液相含量較0.8%Hf合金高出很多。在相同的凝固溫度下，Hf含量增加，合金保持更多的液體量。

另一方面，在1280℃等溫凝固時(shí)，0.8%Hf合金保持6vol%的液體，合金枝晶間通路已被堵塞。但等溫溫度降到1260℃時(shí)，2.0%Hf合金剩余液相量僅為1.6 vol%，枝晶間的熔體仍保持連通狀態(tài)。隨Hf含量增加，合金保持枝晶間液體成連通狀態(tài)所需的液體量減小。對(duì)1260℃時(shí)三種合金液池進(jìn)行能譜分析，發(fā)現(xiàn)0.8%Hf合金熔體中 Hf濃度約為13%，而含 1.5%Hf的 IC10 合金和 2.0%Hf合金熔體中Hf濃度分別為22%和29%。Hf含量增加，液池中Hf含量也增加。這說明，較少的液相含量卻能保證液池具有良好連通性的特性與合金凝固過程殘余液體中Hf含量不斷升高有關(guān)，富Hf熔體具有良好的流動(dòng)性。

圖6 三種合金的等溫凝固特性Fig.6 Characteristic of isothermal solidification for three alloys

由表3和表4可知，隨著Hf含量增加，合金的液相線及固相線溫度均降低，凝固溫度范圍擴(kuò)大，γ+γ'共晶析出溫度由1250℃提高到1260℃。這是由于Hf降低了合金初生γ相的析出溫度，改變了合金的凝固特性。Hf既是在枝晶間強(qiáng)烈偏析的元素，又是γ'的形成元素，促進(jìn)晶界和枝晶間γ+γ'共晶形成。Hf含量增加，使合金中γ+γ'共晶相尺寸增大，數(shù)量增多。同時(shí)，γ+γ'共晶形成溫度與合金中(Ti+Al+Hf+Ta+Nb)的原子分?jǐn)?shù)近似呈線性關(guān)系［11］。因此Hf含量增加，導(dǎo)致共晶析出溫度升高。

研究表明，ΔT2和F的大小對(duì)合金的凝固特性和鑄造性能有決定性的影響，ΔT2和F越小，越有利于合金鑄造性能的改善［12］。從表4可知，Hf含量增加，合金的ΔT2和F值都減小。這是因?yàn)樵黾親f含量可明顯增加液池中Hf含量，富Hf溶液流動(dòng)性極好，即使較少的液相含量，也能保證液池具有良好的連通性［13］。Hf使合金凝固后期的補(bǔ)縮得到改善，減小疏松的傾向性，特別是在定向凝固制造復(fù)雜薄壁鑄件時(shí)，富Hf溶液可以彌補(bǔ)由于型芯材料在合金凝固時(shí)產(chǎn)生的塑性變形而造成的縱向晶界裂紋，提高合金的抗開裂傾向性和可鑄性。因此，Hf含量增加，提高了IC10合金的鑄造性能。

4 結(jié)論

(1)Hf含量增加，合金中γ+γ'共晶尺寸增大，數(shù)量增多，固相線和液相線溫度均降低，共晶析出溫度由1250℃提高到1260℃。

(2)Hf含量增加，減小了使合金枝晶間不連通時(shí)的溫度與固相線之間的溫度范圍及不可補(bǔ)縮區(qū)的液相量，富Hf熔體具有良好的流動(dòng)性，提高IC10定向凝固柱晶高溫合金的可鑄性。

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