晶粒細(xì)化劑對(duì)K403合金返回料微觀組織及持久性能的影響

李子航，喻石亞2，鄭行2，劉鋒，吳凱西，譚黎明，譚詩(shī)薪2，郝新2，黃嵐

（1.中南大學(xué) 粉末冶金研究院，長(zhǎng)沙 410083；2.中國(guó)航發(fā)南方工業(yè)有限公司，湖南 株洲 412000）

鎳基高溫合金是主要應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)以及燃?xì)廨啓C(jī)中核心熱端部件的關(guān)鍵材料，具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，包括優(yōu)異的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、持久蠕變性能、抗疲勞性能以及抗腐蝕性能[1]。K403合金是一種沉淀相強(qiáng)化等軸晶高溫合金，主要應(yīng)用于服役溫度為1000 ℃以下的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)向葉片及其他零件。K403合金具有成本低、較好的高溫強(qiáng)度、抗疲勞性能等特點(diǎn)，因此應(yīng)用廣泛。由于合金鑄造生產(chǎn)過(guò)程中易因精鑄件葉片的成品率低而產(chǎn)生大量廢料，對(duì)K403合金返回料的微觀組織和力學(xué)性能研究具有重要意義。

近年來(lái)針對(duì)高溫合金返回料的研究主要集中于返回料比例、回熔次數(shù)、澆注溫度、造型方式對(duì)合金微觀組織及性能的影響以及成分調(diào)控與凈化等方面[2—7]。目前晶粒細(xì)化劑的相關(guān)研究建立了細(xì)化劑的細(xì)化作用機(jī)理[8—10]。文中主要研究了晶粒細(xì)化劑對(duì)晶粒K403合金返回料微觀組織及持久性能的影響，同時(shí)篩選最佳的澆注工藝參數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)

選用K403合金50%返回料母合金，合金成分如表1所示。合金通過(guò)真空感應(yīng)爐進(jìn)行重熔，并澆注成熔模鑄造試棒，根據(jù)澆注工藝的不同（澆注溫度為1420，1460，1490，1520 ℃）、晶粒細(xì)化劑（有與無(wú)），制備了8組合金鑄件。采用空殼造型，型殼的面層為鋯英石粉+硅溶膠的漿料，掛剛玉砂，而第2—6層為莫來(lái)石粉+硅溶膠的漿料，掛莫來(lái)石砂，填砂材料為鋁礬土熟料砂。

表1 K403合金化學(xué)成分表（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical composition of K403 alloy (mass fraction) %

合金鑄件采用線切割取樣，經(jīng)過(guò)180，400，800，1200，1500，2000目砂紙的打磨，再用0.3 μm氧化鋁拋光液進(jìn)行拋光至無(wú)劃痕完成金相試樣制備，使用金相顯微鏡觀察合金宏觀晶粒及碳化物的形貌和分布。同時(shí)通過(guò)精加工制備標(biāo)準(zhǔn)持久試樣，樣品示意圖如圖 1所示。持久試樣在萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行975 ℃/195 MPa持久試驗(yàn)，并以同工藝條件的兩根試樣持久時(shí)間的平均值為最終持久壽命。將975 ℃持久實(shí)驗(yàn)后斷裂的樣品在距離斷口3 mm處沿應(yīng)力加載方向即縱截面切取試樣制成金相試樣，并使用掃描電子顯微鏡及能譜儀表征觀微組織。

圖1 持久試樣示意圖Fig.1 Schematic diagram of permanent sample

2 結(jié)果與分析

2.1 晶粒細(xì)化劑在不同澆注工藝下對(duì)微觀組織的影響

通過(guò)對(duì)不同澆注工藝制備的合金試樣進(jìn)行金相以及SEM表征，獲得了合金澆注工藝與微觀組織之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，不同澆注工藝下的宏觀晶粒金相見(jiàn)圖2，可以發(fā)現(xiàn)隨著澆注溫度的升高，晶粒尺寸有明顯的增大趨勢(shì)。這是由于澆注溫度越高，熔體內(nèi)部溫度越高，這能夠抑制形核過(guò)程。當(dāng)澆注溫度為1420 ℃和1420 ℃時(shí)，大部分晶粒為柱狀晶；當(dāng)澆注溫度達(dá)到1490 ℃時(shí)，形成了較為粗大的等軸晶組織。此外可以發(fā)現(xiàn)澆注溫度為1420 ℃和1460 ℃時(shí)，晶粒細(xì)化劑對(duì)合金晶粒的形貌及尺寸有一定影響。當(dāng)澆注溫度達(dá)到1490 ℃和1520 ℃時(shí)，隨著合金凝固時(shí)間的延長(zhǎng)，晶粒得到明顯細(xì)化，晶粒細(xì)化劑的作用效果更加明顯。不同澆注工藝下初生碳化物的形貌及分布情況見(jiàn)圖3，可以發(fā)現(xiàn)碳化物呈細(xì)小的顆粒狀彌散分布于枝晶間與晶界處，并且隨著晶粒細(xì)化劑的添加情況以及澆注溫度的變化，碳化物的形貌及分布沒(méi)有發(fā)生明顯的變化，因此晶粒細(xì)化劑以及澆注溫度對(duì)初生碳化物的形貌與分布沒(méi)有明顯關(guān)系，因此合金的澆注工藝與微觀組織的關(guān)系為：隨著澆注溫度的降低，晶粒尺寸變小，而碳化物的形貌與分布沒(méi)有明顯變化；加入晶粒細(xì)化劑可進(jìn)一步獲得細(xì)晶組織，并且在較高的澆注溫度下細(xì)化作用更為明顯，而碳化物的形貌與分布同樣沒(méi)有明顯變化。

圖2 澆注工藝對(duì)晶粒的影響Fig.2 Influence of pouring process on grain

圖3 澆注工藝對(duì)初生碳化物形貌及分布的影響Fig.3 Influence of pouring process on the morphology and distribution of primary carbides

2.2 晶粒細(xì)化劑在不同澆注工藝下對(duì)持久壽命的影響

通過(guò)對(duì)不同澆注工藝制備的合金試樣進(jìn)行持久性能表征，獲得了合金澆注工藝與合金持久壽命之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。不同澆注工藝下合金的持久壽命見(jiàn)圖4，可以發(fā)現(xiàn)晶粒細(xì)化劑的添加在一定程度上影響了持久壽命隨澆注溫度的變化規(guī)律。不添加晶粒細(xì)化劑時(shí)，制備合金的持久壽命隨著澆注溫度的升高有下降的趨勢(shì)，最大持久壽命為71 h并在澆注溫度1420 ℃下獲得；添加晶粒細(xì)化劑時(shí)，合金的持久壽命隨著澆注溫度的升高，變化趨勢(shì)發(fā)生了改變，其中澆注溫度為1490 ℃和1520 ℃的合金持久壽命比低澆注溫度1420 ℃和1460 ℃合金的持久壽命更高，最大持久壽命為65.8 h，并在澆注溫度為1490 ℃下獲得。出現(xiàn)這種變化的原因?qū)⒃谙乱恍」?jié)中闡述。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以初步獲得最優(yōu)的澆注工藝，即澆注溫度為1420 ℃，無(wú)晶粒細(xì)化劑。

圖4 不同澆注工藝下合金的持久壽命Fig.4 Stress rupture life of alloys under different casting processes

2.3 晶粒細(xì)化劑對(duì)持久壽命的影響機(jī)制

觀察合金斷口下方3 mm處縱截面的組織形貌，合金斷口附近組織根據(jù)裂紋的有無(wú)分為了兩種，有裂紋如圖5a所示，無(wú)裂紋如圖5b所示，其中只有澆注溫度為1420 ℃和1460 ℃且添加晶粒細(xì)化劑的試樣為有裂紋類型，其余試樣均為無(wú)裂紋類型。可以發(fā)現(xiàn)有裂紋的試樣內(nèi)裂紋沿著晶界擴(kuò)展并且晶界處有大量碳化物分布。根據(jù)如圖6所示的能譜檢測(cè)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)合金晶界處的碳化物主要為富含Cr，W，Mo的M6C型、M23C6型碳化物以及富含W，Mo，Ti的MC型碳化物。根據(jù)文獻(xiàn)研究，在高溫服役下，晶界上的初生 MC型碳化物會(huì)發(fā)生退化反應(yīng) MC+γ→M6C+γ'與MC+γ→M6C+M23C6+γ'[11]，在晶界處形成M6C型和M23C6型碳化物，碳化物的分布情況與晶界的特征有關(guān)[12]，而當(dāng)M23C6型碳化物呈連續(xù)的鏈狀分布于晶界時(shí)，會(huì)造成應(yīng)力集中，使晶界在服役中成為薄弱環(huán)節(jié)，因此在晶界處產(chǎn)生裂紋。由2.1節(jié)可知，在澆注溫度為1420 ℃和1460 ℃且添加晶粒細(xì)化劑的合金具有較小的晶粒尺寸，初生碳化物的形貌、分布與澆注工藝變量沒(méi)有明顯關(guān)系的情況下，晶粒越小晶界上碳化物的密度也越高，使其持久壽命比較高澆注溫度的合金更短。另外，有研究觀察到了GH141合金的高溫強(qiáng)度與晶粒尺寸的關(guān)系符合霍爾佩奇關(guān)系的現(xiàn)象，并指出一定的晶界強(qiáng)化是長(zhǎng)持久壽命的重要因素之一[13]?；魻柵迤骊P(guān)系由式（1）給出[14—16]：

圖5 斷口下方3 mm處縱截面的微觀組織Fig.5 The microstructure photos of the longitudinal section 3 mm below the fracture

圖6 試樣在晶界處元素分布Fig.6 Element distribution of the sample at the grain boundary

式中：kHP為霍爾佩奇常數(shù)；D為平均晶粒尺寸。晶界上碳化物密度相對(duì)較低的情況下，較小的晶粒尺寸帶來(lái)的晶界強(qiáng)化效果有利于獲得長(zhǎng)持久壽命，于是不加晶粒細(xì)化劑時(shí)，出現(xiàn)了合金的持久壽命隨澆注溫度的升高，或者說(shuō)晶粒尺寸的增大而下降的現(xiàn)象，因此晶粒細(xì)化劑可以通過(guò)改變晶粒尺寸從而對(duì)合金持久壽命產(chǎn)生影響。當(dāng)加入晶粒細(xì)化劑時(shí)，晶粒尺寸整體偏小，晶界上的碳化物密度高，晶界成為裂紋源，此時(shí)較小的晶粒尺寸不利于持久壽命的提高，因此出現(xiàn)了高澆注溫度、大尺寸晶粒的合金試樣持久壽命更長(zhǎng)的現(xiàn)象；當(dāng)不加入晶粒細(xì)化劑時(shí)，晶粒尺寸相對(duì)偏大，晶界上的碳化物密度低，此時(shí)仍有一定的晶界強(qiáng)化作用，更大的晶粒尺寸使持久壽命變短，因此出現(xiàn)了高澆注溫度、大尺寸晶粒的合金試樣持久壽命更短的現(xiàn)象。澆注工藝為不加晶粒細(xì)化劑、澆注溫度1420 ℃制備的合金擁有合適的晶粒尺寸，以至于晶界上碳化物密度不高的同時(shí)具有一定的晶界強(qiáng)化效果，這使得由此工藝制備的合金具有最好的持久性能。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)設(shè)計(jì)不同的澆注成形工藝，制備了8組50%返回料的K403合金試樣，通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，獲得了K403合金澆注工藝與微觀組織和持久壽命的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并得到以下結(jié)論。

1）晶粒細(xì)化劑的加入對(duì)K403合金的晶粒組織有細(xì)化作用，在較高澆注溫度下的細(xì)化作用更為顯著。晶粒細(xì)化劑的加入對(duì)碳化物的形貌、分布及尺寸沒(méi)有明顯影響。

2）最優(yōu)澆注工藝為澆注溫度為1420 ℃、無(wú)晶粒細(xì)化劑，975 ℃/195 MPa，持久壽命為71 h。

3）晶粒細(xì)化劑的加入對(duì)合金持久壽命影響顯著。加入晶粒細(xì)化劑時(shí)，合金的晶粒尺寸整體偏小，低澆注溫度獲得細(xì)晶組織時(shí)，晶界上有大量碳化物分布不利于合金的持久性能，此時(shí)高澆注溫度獲得的較大晶粒尺寸有利于合金的持久性能；不加入晶粒細(xì)化劑時(shí)，合金的晶粒尺寸整體偏大，晶界強(qiáng)化仍然存在，此時(shí)低澆注溫度獲得的較小晶粒尺寸有利于合金的持久性能。