GH3625鎳基合金的鑄態(tài)組織及均勻化處理工藝研究

寇金鳳 聶義宏 白亞冠 朱 琳

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

燃煤發(fā)電是我國電力資源的重要組成部分，我國大約60%的電力都來自于火力發(fā)電。煤炭是一種不可再生資源，且火力發(fā)電對環(huán)境的污染也比較嚴重。當(dāng)前隨著能源危機的日益嚴重和環(huán)保意識的不斷加強，迫切需要發(fā)展一種高效的、清潔的火力發(fā)電機組。歐洲、日本、美國在20世紀90年代末相繼提出了先進超超臨界火電機組研發(fā)計劃，并且將蒸汽參數(shù)提高到了700℃35 MPa[1-2]。這些國家和地區(qū)都將鑄造GH3625高溫合金作為超超臨界火電機組缸體、閥體的候選材料進行研發(fā)，并且已經(jīng)進行了比例件試制。國內(nèi)在超超臨界火電機組大型鑄件用鎳基合金方面基礎(chǔ)薄弱、研究較少，本文利用真空感應(yīng)熔煉得到的GH3625鎳基合金的電極錠，開展了鑄態(tài)組織和均勻化工藝研究，從而為大型化鎳基合金鑄件研制提供數(shù)據(jù)積累。

1 試驗材料及方法

本試驗研究的GH3625鎳基合金試樣取自于利用真空感應(yīng)熔煉工藝得到的150 kg電極錠，其長度為1200 mm，直徑為145 mm，電極錠冒口端的化學(xué)成分見表1。先從電極錠冒口端切下60 mm厚的盤片，然后再切取15 mm厚的盤片，從該盤片上半徑以內(nèi)的位置切取若干?15 mm×15 mm的塊狀試樣進行鑄態(tài)組織分析和均勻化工藝研究。機械打磨拋光后，用10%的磷酸水溶液電解侵蝕(電壓為30 V)，利用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡觀察組織形貌，每個試樣采集5張照片，每張照片選取3個位置進行枝晶間距的測量，最后取平均值，利用能譜儀(EDS)分別在枝晶間和枝晶干處取點測量元素含量，每個試樣取兩個視野，每個視野中測10點取平均值，并測定了析出相。在高溫?zé)崽幚頎t內(nèi)對鑄態(tài)試樣進行均勻化熱處理，均勻化熱處理采用正交試驗法，溫度分別為1140℃、1160℃、1180℃、1200℃、1220℃，保溫時間分別為2 h、4 h、8 h、16 h、32 h，出爐后水冷，隨后打磨拋光、電解腐蝕后進行金相觀察，以便分析不同區(qū)域和析出相的成分。

表1 GH3625電極錠冒口端化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 Chemical compositions ofGH3625 electrode ingot riser(mass fraction,%)

2 結(jié)果與討論

2.1 鑄態(tài)組織

圖1為試驗合金的鑄態(tài)組織。從金相顯微鏡和掃描電鏡下都觀察到了非常明顯的樹枝晶，照片中淺色區(qū)域為枝晶間，深色區(qū)域為枝晶干，主枝晶干上長出了大量的二次枝晶臂，發(fā)達的枝晶組織說明合金在冷卻凝固時發(fā)生了成分偏析。利用能譜儀測量了枝晶間和枝晶干的成分，并計算了不同元素在枝晶間和枝晶干的比值，即偏析系數(shù)，然后通過多組數(shù)據(jù)求出平均偏析系數(shù)K，見表2，Nb、Mo、Ti的偏析系數(shù)依次為2.01、1.26、1.33，表現(xiàn)為明顯的正偏析，均偏析于枝晶間，偏析程度Nb>Ti>Mo。由于Nb元素熔點高、密度大，在合金中具有最高的質(zhì)量分數(shù)，因此偏析程度相對最大。圖2為析出相形貌及EDS分析結(jié)果，合金鑄態(tài)組織中只有沿晶界析出的塊狀碳化物，未觀察到其它晶內(nèi)析出相。參照GH3625合金凝固時析出相的熱力學(xué)計算結(jié)果，結(jié)合EDS結(jié)果可知，該析出相主要是NbC，分布于晶界上。CNb比值決定了GH3625合金的結(jié)晶方式和組織結(jié)構(gòu)。CNb比值較高時，凝固組織為γ基體和NbC；CNb比值適中時，先形成γ基體和NbC隨后又析出laves相；CNb比值較低時，只形成γ基體和laves相。另外，結(jié)晶方式還與化學(xué)成分和結(jié)晶速率有關(guān)，Si元素含量高，可以偏析于枝晶間，促進laves相的形成[3]。本試驗所用GH3625合金中CNb比值及較低的Si含量都導(dǎo)致其凝固過程中只形成γ基體和NbC。

圖1 GH3625合金鑄態(tài)組織Figure 1 As-cast microstructure of GH3625 alloy

表2 GH3625合金中Nb、Mo、Ti的偏析系數(shù)KTable 2 The segregation coefficient K ofNb、Mo、Ti of GH3625 alloy

圖2 GH3625合金析出相及其成分分析Figure 2 Precipitates and composition analysis of GH3625 alloy

2.2 均勻化處理工藝研究

合金在冷卻凝固過程中的溶質(zhì)再分配是產(chǎn)生偏析的根本原因，而均勻化熱處理的目的是為了盡可能的減少元素偏析，使其從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)擴散，最后達到均勻、一致的狀態(tài)。為了清晰、明了地表達擴散效果，利用殘余偏析指數(shù)δ來量化合金中某元素的偏析情況，δ越小(理想情況下最小值為0)，說明元素的濃度起伏越小，偏析程度越輕，δ的表達式為：

(1)

式中，Cmax和Cmin為經(jīng)過某種均勻化工藝處理后元素的最大濃度值與最小濃度值，C0max和C0min分別為鑄態(tài)下該元素的最大濃度值和最小濃度值，對于正偏析元素而言，最大濃度即是枝晶間區(qū)域的濃度，最小濃度就是枝晶干區(qū)域的濃度，D為原子在基體中的擴散系數(shù)，t為均勻化保溫時間，L為鑄態(tài)平均枝晶間距。從式(1)可以看出，殘余偏析指數(shù)δ與原子擴散系數(shù)D、均勻化保溫時間t和鑄態(tài)平均枝晶間距L呈冪指數(shù)相關(guān)[4]。

眾所周知，在均勻化處理中，溫度是最主要的影響因素。擴散系數(shù)隨溫度的升高而增大，而殘余偏析指數(shù)又隨擴散系數(shù)增大而減小，所以提高均勻化溫度可以有效地提高元素在基體中的擴散速度，從而加速均勻化。但溫度并不是越高越好，一方面會造成能源的浪費，另一方面過高的溫度可能會導(dǎo)致晶界發(fā)生初熔，因此均勻化溫度必須選擇在初熔溫度以下。均勻化過程中，另一個影響元素擴散的參數(shù)是保溫時間。在相同的溫度下，殘余偏析指數(shù)隨保溫時間的延長而逐漸趨于0[5]。理想情況下，經(jīng)合適的均勻化處理后，殘余偏析指數(shù)會變?yōu)?，即合金中的所有元素都處于完全均勻分布的狀態(tài)，區(qū)域之間沒有濃度差異，但實際上這種情況幾乎不存在。工業(yè)上給出的依據(jù)是δ降至0.2時就算擴散均勻[6]，并且過長時間的保溫也會增加生產(chǎn)成本。

經(jīng)不同均勻化熱處理后的顯微組織見圖3，光學(xué)顯微鏡下的顯微組織見圖4。對比經(jīng)不同均勻化工藝處理后的枝晶形貌可以看出：相同溫度下隨著時間的延長，枝晶不斷消除，偏析明顯減輕；在8 h、16 h、32 h的保溫時間下，隨著溫度的升高，枝晶也不斷消除，偏析明顯減輕。相同溫度下隨著時間的延長，枝晶形貌逐漸變得模糊，枝晶得到了明顯的消除；在16 h、32 h的保溫時間下，隨著溫度的升高，枝晶也不斷消除，偏析明顯減輕。從圖5元素殘余偏析指數(shù)來看，隨著溫度的升高和時間的延長，易偏析元素Nb、Mo、Ti的殘余偏析指數(shù)都逐漸減小，即這些元素在枝晶間和枝晶干的分布越來越均勻，尤其是在較長的保溫時間下，例如32 h后，隨著溫度升高至1220℃，這三種元素殘余偏析指數(shù)明顯趨于0.2或以下。同一溫度下，隨保溫時間的延長，殘余偏析指數(shù)是逐漸減小的，剛開始隨時間的延長而急劇減??；一定長的時間后，隨著時間的延長，減小的趨勢逐漸變慢。這是因為均勻化初期比較接近于原始鑄態(tài)組織，元素偏析比較嚴重，濃度梯度較大，擴散動力大，擴散相對比較容易，偏析消除得也比較快，而到了均勻化后期，濃度梯度逐漸變小，擴散動力減小，原子擴散變得越來越慢，偏析減小的趨勢也越來越慢。從枝晶形貌、殘余偏析指數(shù)變化情況來看，1200～1220℃保溫32 h的均勻化處理工藝為最佳，而對于大錠型或是大尺寸試制件，需要在該保溫時間的基礎(chǔ)上加上熱透所需的時間。

圖3 GH3625合金經(jīng)不同均勻化熱處理后組織Figure 3 Microstructure of GH3625 ingots after different homogenization heat treatments

圖4 GH3625合金經(jīng)不同均勻化熱處理后的枝晶間距Figure 4 Dendritic spacing of GH3625 ingots after different homogenization heat treatments

圖5 GH3625合金經(jīng)不同均勻化熱處理后Mo、Nb、Ti元素的殘余偏析指數(shù)Figure 5 The segregation coefficient of Mo、Nb、Ti of GH3625 alloy after different homogenization treatments

3 結(jié)論

(1)GH3625真空感應(yīng)熔煉電極錠的鑄態(tài)組織中存在明顯的偏析，其中Mo、Nb、Ti元素在枝晶間為正偏析，偏析程度為Nb>Ti>Mo，較高的CNb比值及較低的Si含量都導(dǎo)致其凝固過程中主要析出相是塊狀NbC，其均勻地分布于枝晶間。

(2)均勻化熱處理后，通過枝晶形貌、殘余偏析指數(shù)的變化來看，1200～1220℃保溫32 h可以作為GH3625小錠型合金的均勻化處理工藝，而對于大錠型或是大尺寸試制件，需要在該保溫時間的基礎(chǔ)上加上熱透所需的時間。