K435鎳基鑄造高溫合金的拉伸性能研究

張學(xué)萍，肖 旋

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159)

K435鎳基鑄造高溫合金的拉伸性能研究

張學(xué)萍，肖 旋

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159)

采用真空感應(yīng)爐熔煉制備K435鎳基鑄造高溫合金并通過(guò)熱處理對(duì)該合金進(jìn)行組織優(yōu)化；系統(tǒng)研究溫度對(duì)該合金拉伸性能及斷裂過(guò)程的影響。結(jié)果表明：合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度在900℃以下變化不大，900℃以上，二者急劇下降；而塑性在室溫至800℃之間基本平穩(wěn)，溫度高于800℃塑性增加，但在900℃左右又出現(xiàn)一個(gè)低谷；合金的斷裂方式在室溫到800℃時(shí)為解理兼微孔聚集型的混合型斷裂，溫度高于800℃時(shí)，合金表現(xiàn)出微孔聚集沿晶型斷裂，呈典型的韌性斷裂狀態(tài)。

K435高溫合金；熱處理；拉伸強(qiáng)度；斷裂

高溫合金在航空發(fā)動(dòng)機(jī)和各種工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)中有廣泛的應(yīng)用。熱端零部件，即渦輪葉片、導(dǎo)向葉片、渦輪盤、燃燒室等四大零件，幾乎都由高溫合金制成。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)推力和推重比的增大，渦輪入口溫度不斷提高，要求相應(yīng)零件所用高溫合金的力學(xué)性能不斷提高，只有通過(guò)發(fā)展和改善高溫合金的成分和工藝，使高溫合金的承溫能力不斷提高，才能保證航空航天用發(fā)動(dòng)機(jī)和工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的不斷發(fā)展[1-3]。

K435鎳基鑄造高溫合金用于制造先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)的導(dǎo)向葉片,最高工作溫度可達(dá)900℃[2-4]。文獻(xiàn)[3]對(duì)K435合金室溫旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞行為進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[4]對(duì)K435合金的高溫蠕變行為及其變形機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)報(bào)道，但在較寬溫控條件下的瞬時(shí)拉伸變形特征及其斷裂機(jī)理方面的研究并不多見(jiàn)。本文研究了K435合金的鑄態(tài)組織，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)熱處理后，測(cè)定在不同溫度(室溫到950℃)下該合金的拉伸性能，并對(duì)該溫度區(qū)間的拉伸性能和斷口形貌進(jìn)行對(duì)比分析，為進(jìn)一步提高該合金性能及實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

K435母合金通過(guò)500kg真空感應(yīng)爐熔煉，其主要化學(xué)成分見(jiàn)表1。切取10kg母合金在真空條件下重熔并經(jīng)熔模澆注成直徑為14mm、長(zhǎng)為66mm、最細(xì)處直徑為5mm的漏斗形試棒用于拉伸性能測(cè)試。在進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試前需對(duì)合金進(jìn)行熱處理，工藝過(guò)程為：1160℃×4h，空冷+1050℃×4h，空冷+850℃×16h，空冷。分別采用AG-5000A型材料試驗(yàn)機(jī)和DCX-25T型高溫試驗(yàn)機(jī)對(duì)K435鎳基鑄造高溫合金進(jìn)行室溫和高溫拉伸性能測(cè)試。實(shí)驗(yàn)溫度從室溫到950℃，變形速率為2s-1。實(shí)驗(yàn)期間，爐溫精度控制在±3℃以內(nèi)。金相組織與斷口觀察在光學(xué)顯微鏡和配備能譜儀的S360型掃描電子顯微鏡(SEM)上進(jìn)行。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 熱處理對(duì)K435高溫合金組織的影響

進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試前對(duì)合金進(jìn)行熱處理。熱處理主要包括固溶處理、中間處理和時(shí)效三部分。固溶處理是為了溶解基體內(nèi)碳化物、γ′相等以得到均勻的過(guò)飽和固溶體，便于時(shí)效重新析出顆粒細(xì)小、分布均勻的碳化物和γ′等強(qiáng)化相，同時(shí)消除由于冷熱加工產(chǎn)生的應(yīng)力，避免合金發(fā)生再結(jié)晶；同時(shí)，固溶處理是為了獲得適宜的晶粒度，以保證合金高溫抗蠕變性能。中間處理即二次固溶處理或中間時(shí)效處理，其主要作用是改變晶界上析出的碳化物數(shù)量、形態(tài)和分布，其次是在合金中形成大小兩種γ′的合理分布，以顯著提高合金的持久壽命和塑性。時(shí)效處理能使合金充分而均勻析出強(qiáng)化相[4-6]。

表1 K435合金化學(xué)成分 wt.%

K435合金的鑄態(tài)組織如圖1a和1b所示，為明顯的枝晶組織，合金中共晶體的分布較多，碳化物主要以骨架狀沿晶界和枝晶間分布，其中以骨架狀居多。該合金的枝晶主要以一次枝晶和二次枝晶的生長(zhǎng)方式進(jìn)行凝固生長(zhǎng)，在枝晶間有凝固形成的顯微縮松。熱處理后的合金組織如圖1c和1d所示，也具有典型的枝晶組織，不同于鑄態(tài)組織的是，熱處理態(tài)下，枝晶分布比較均勻有序，且共晶體的量相對(duì)減少，合金的晶粒清晰可見(jiàn)，晶界區(qū)分明顯。

熱處理后合金的幾種典型相及組織形貌如圖2所示，熱處理后的K435合金中包括γ基體、γ′沉淀相、γ+γ′共晶相和碳化物。其中γ+γ′共晶相和碳化物主要沿晶界和枝晶間分布；γ′為方形，均勻分布于γ基體上，其體積分?jǐn)?shù)大約為40%。而枝晶干和枝晶間的γ′大小有明顯差別，如圖2a和2b所示，在熱處理過(guò)程中聚集長(zhǎng)大的大尺寸γ′相尺寸在0.2～0.5μm之間，在時(shí)效冷卻過(guò)程中析出的小尺寸γ′尺寸約在0.1～0.2μm之間。

2.2 K435高溫合金的拉伸性能及其變形機(jī)理

對(duì)熱處理后的K435合金進(jìn)行室溫和高溫拉伸性能測(cè)試，合金的拉伸強(qiáng)度和拉伸塑性隨溫度的變化如圖3所示，溫度低于800℃時(shí)，K435合金的抗拉強(qiáng)度(σb)變化不大，溫度超過(guò)800℃時(shí)，高溫抗拉強(qiáng)度開(kāi)始下降；在室溫到700℃溫度范圍內(nèi)，屈服強(qiáng)度(σ0.2)呈現(xiàn)微弱的線性下降趨勢(shì)，700℃至800℃之間有所提高，之后快速下降。在室溫至700℃之間，延伸率及斷面收縮率呈微弱增長(zhǎng)，但基本保持穩(wěn)定，如圖3b所示，700℃至800℃之間，塑性有所增長(zhǎng)，800℃至900℃之間，塑性又急劇下降，即900℃左右時(shí)塑性有一個(gè)低谷，900℃以后，塑性急劇增長(zhǎng)。K435合金的設(shè)計(jì)使用溫度為900℃，拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，即使在950℃的高溫下，K435合金仍具有大于500MPa的拉伸強(qiáng)度和20%的延伸率，這對(duì)K435合金的安全使用十分有利，能夠滿足使用要求。

圖1 K435合金的鑄態(tài)組織及熱處理后的組織形態(tài)

圖2 K435合金熱處理后的幾種典型相及組織形貌

圖3 K435合金的拉伸強(qiáng)度和拉伸塑性隨溫度的變化曲線圖

圖4為不同溫度下K435高溫合金拉伸后的宏觀斷口形貌。室溫至800℃，拉伸斷口均呈現(xiàn)枝晶間斷裂特征，宏觀斷口較平整、光滑，沒(méi)有發(fā)生或呈現(xiàn)輕微的縮頸現(xiàn)象，斷面為規(guī)則圓形，表明合金塑性較差，如圖4a和4b所示。隨著溫度的升高，斷口明顯收縮，宏觀斷口表面呈現(xiàn)許多大小和深淺不一的空洞，表明合金在斷裂前有較大的變形，如圖4c和4d所示，說(shuō)明高溫條件下，合金的塑性較好。總體來(lái)看，隨溫度的升高，K435合金的拉伸斷口伴隨著一個(gè)從平齊到縮頸暗灰色纖維狀的轉(zhuǎn)變過(guò)程。在高溫區(qū)域，拉伸斷口為典型的韌性斷裂，其宏觀斷口呈杯錐狀，由纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇三個(gè)區(qū)域組成。說(shuō)明溫度的升高使得合金的拉伸斷裂過(guò)程由脆性向韌性轉(zhuǎn)變，由一定程度的解理斷裂向微孔聚集型斷裂轉(zhuǎn)變。

圖4 K435高溫合金拉伸后的宏觀斷口形貌

Fiore[7]指出，導(dǎo)致高溫合金塑性降低的因素有三點(diǎn)：(1)晶界脆性；(2)變形機(jī)制；(3)γ′粗化。對(duì)于K435合金，前兩種因素比較重要，因?yàn)楹辖鸾M織中有較多的塊狀及顆粒狀的碳化物分布在枝晶間處。在碳化物與基體的界面處存在較高的應(yīng)力集中，塑性變形時(shí)，碳化物與基體界面產(chǎn)生剝離，導(dǎo)致枝晶間斷裂。變形機(jī)制不同是造成拉伸性能與溫度的依存關(guān)系的主要原因。高溫條件下，氧化、微量元素向晶界擴(kuò)散及滑移帶等其它機(jī)制有可能起作用[8]。

微孔形核長(zhǎng)大和聚合在斷口上留下的痕跡就是在電鏡下觀察到的大小不等的圓形或橢圓形韌窩。隨溫度的變化，K435合金拉斷后的微觀斷口形貌如圖5所示，隨溫度的升高，斷口上的微觀組織有很大的變化。室溫到800℃之間，組織形貌都是由一定量的解理和一定量的韌窩混合在一起，呈兼具解理與韌性斷裂的混合型斷裂。在800℃之后，微觀形貌則主要以韌窩的形式存在，且隨著溫度的升高，韌窩大小有所減小。韌窩的大小(直徑和深度)決定于第二相質(zhì)點(diǎn)的大小和密度、基體材料的塑性變形能力和形變硬化指數(shù)、外加應(yīng)力的大小及狀態(tài)等[6]。第二相質(zhì)點(diǎn)密度增大或其間距減小，則微孔的連接、聚合更容易。形變硬化指數(shù)越大的材料，越難發(fā)生內(nèi)頸縮，故微孔尺寸變小。應(yīng)力大小和狀態(tài)的改變，實(shí)際上是通過(guò)影響材料塑性變形能力而間接影響韌窩深度的。在高的靜水壓力中，內(nèi)頸縮易于產(chǎn)生，韌窩深度增加；相反，在多向拉伸應(yīng)力下或在缺口根部，韌窩則較淺。因此K435合金在室溫到800℃溫度范圍內(nèi)處于解理兼微孔聚集型斷裂，而在800℃之后，合金表現(xiàn)出微孔聚集沿晶型斷裂。在室溫到800℃之間，斷口附近仍然有少量塑性變形，實(shí)際上絕對(duì)的脆性斷裂是不存在的，裂紋的形成必然與塑性變形有關(guān)。而在800℃之上，試樣的斷裂基本由縮頸引起，縮頸使第二相質(zhì)點(diǎn)破碎或與基體脫離形成微孔核，后隨變形的增加，微孔壁變薄，各微孔通過(guò)撕裂方式相連接聚合，直至最終斷裂。綜上，溫度對(duì)K435鎳基高溫合金的拉伸斷裂過(guò)程具有較大影響，導(dǎo)致其由解理兼微孔聚集型的混合型斷裂向微孔聚集沿晶型斷裂轉(zhuǎn)變。

圖5 K435合金拉斷后的微觀斷口形貌

3 結(jié)論

(1)K435鎳基高溫合金的主要強(qiáng)化相是γ′，γ′的基本形狀呈方形。枝晶間的γ′相較枝晶干中的大，但枝晶干的γ′相排布比較緊密。合金在鑄態(tài)和熱處理態(tài)都呈典型的枝晶形貌，熱處理后枝晶分布比較均勻有序。

(2)合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度在室溫到900℃溫度范圍內(nèi)時(shí)變化不大，900℃之后，二者急劇下降。而塑性在室溫至800℃之間基本平穩(wěn)，之后塑性增加，但在900℃左右又出現(xiàn)一個(gè)低谷。

(3)隨溫度的升高，該高溫合金的斷裂方式由解理兼微孔聚集型的混合型斷裂向微孔聚集沿晶型斷裂轉(zhuǎn)變。

[1]Shi Changxu.Materials Comprehensive Dictionary [M].Beijing：Chemical Industry Press，1994.

[2]Guo Jianting.Materials Science and Engineering for superalloys [M].Beijing：Science Press，2008.

[3]郭曉光，郭建亭，周蘭章，等.鑄造鎳基高溫合金K435室溫旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞行為[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，28(3)：357-360.

[4]候介山，郭建亭，周蘭章，等.K435合金的高溫蠕變行為及機(jī)理 [A].動(dòng)力與能源用高溫結(jié)構(gòu)材料-第十一屆中國(guó)高溫合金年會(huì)論文集[C].北京：冶金工業(yè)出版社，2007.

[5]柏廣海，李金山，胡銳，等.Ni-Cr-W系高溫合金組織及高溫拉伸變形行為的研究[J].稀有金屬材料與工程，2011，40(7)：176-180.

[6]康菲菲，張昆華，管偉明，等.彌散強(qiáng)化相對(duì)PtIr5合金高溫蠕變性能的影響[J].稀有金屬材料與工程，2012，41(2)：57-61.

[7]W J Ren，T Nicholas.Effects and mechanisms of low cycle fatigue and plastic deformation on subsequent high cycle fatigue limit in nickel-base super alloy udimet 720 [J].Mater.Sci.Eng.A，2002，332 (1-2)：236-248.

[8]李嘉榮，唐定中，劉世忠，等.Re對(duì)一種單晶高溫合金蠕變斷裂壽命的影響[J].材料工程，1999，3(3)：3-7.

StudyontheTensilePropertiesoftheK435Ni-basedCastSuperalloy

ZHANG Xueping， XIAO Xuan

(Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China)

The K435 Ni-based cast superalloy was prepared by vacuum induction furnace and the structure of the alloy was optimized by heat treatment.Then,the tensile properties and the fracture process of the superalloy were investigated systemically.The results show that the tensile and yield strength changes very little when the temperature is below 900℃.However，both of them decreased rapidly at above 900℃.The plasticity of the alloy remains constant at room temperature up to 800℃ and then increases when the temperature is above 800℃，but there is a minimum value at about 900℃.The fractures modes was the mixture of cleavage and microvoid accumulation；and when the temperature is higher than 800℃，alloy exhibits a microvoid accumulation intergranular fracture，a typical ductile fracture state.

K435 superalloy;heat treatment;tensile strength；fracture

2013-11-27

張學(xué)萍(1964—)，女，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，研究方向：金屬材料及表面技術(shù).

1003-1251(2014)04-0024-06

TG146.1

A

趙麗琴)