熔體處理對(duì)DZ483合金凝固組織的影響

王歡 王韋 秦學(xué)智 周蘭章

(1.四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 德陽(yáng) 618000；2.中國(guó)工程物理研究院材料研究所，四川 綿陽(yáng) 621700；3.中國(guó)科學(xué)院金屬研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110016)

大量的研究表明[1-7]，金屬或合金的熔體中包含著不同的原子團(tuán)簇，其具體特征不僅與金屬的種類和合金的成分有關(guān)，而且還與熔體的溫度及熱歷史有關(guān)。基于上述思想，提出了熔體處理的概念，即根據(jù)材料的熔體結(jié)構(gòu)與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系及其在冷卻和凝固過(guò)程中的演化規(guī)律，借助于一定的熱作用來(lái)人為地改變?nèi)垠w結(jié)構(gòu)及其變化進(jìn)程，從而改善材料的鑄態(tài)組織、結(jié)構(gòu)和性能的工藝。

俄羅斯廣泛應(yīng)用高溫熔體處理的方法對(duì)鎳基高溫合金進(jìn)行處理[8-9]，研究表明，熔體處理能明顯降低合金枝晶間距，細(xì)化枝晶組織；減少碳化物數(shù)量并改變碳化物形態(tài)[10]，降低合金元素的偏析系數(shù)，使合金元素分布更為均勻；穩(wěn)定γ′強(qiáng)化相的尺寸，增加γ′相數(shù)量并改變其分布[11]，明顯改善了鑄件的性能。

綜上所述，通過(guò)熔體過(guò)熱處理可以顯著改善金屬材料的組織和性能，為挖掘材料的性能潛力開(kāi)辟了一條有效的新途徑。本文研究了恒溫過(guò)熱法高溫熔體處理對(duì)DZ483合金組織的影響，為后續(xù)合金力學(xué)性能的研究奠定理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)采用真空感應(yīng)爐熔煉的DZ483母合金，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 DZ483合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of DZ483 alloy(mass fraction, %)

采用國(guó)產(chǎn)單晶/定向結(jié)晶爐拉制DZ483合金試棒。普通樣品不經(jīng)過(guò)熔體處理直接在1520℃澆鑄。而熔體處理工藝為：將三組合金熔體分別加熱到1560℃、1600℃、1640℃并電磁攪拌保溫2 min，然后降溫到1520℃，澆鑄時(shí)中頻送電保溫功率18～20 kW，澆鑄后靜置時(shí)間30 s，抽錠速率為7 mm/min。澆注得到三種不同熔體處理制度的合金。

所有微觀組織觀察用鑄態(tài)樣品均取自試棒頂部(冒口附近)，用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡(SEM)觀察合金的微觀組織，用掃描電鏡EDS測(cè)定元素偏析?；瘜W(xué)腐蝕所用的腐蝕劑為4g CuSO4+20 ml HCl+20 ml H2O。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 熔體處理對(duì)枝晶組織的影響

圖1給出了不同熔體處理溫度的枝晶組織，結(jié)合圖2給出的結(jié)果可以看出，在1560℃熔體處理時(shí)其一次和二次枝晶間距(分別為276 μm和57.4 μm)相比于1520℃(分別為267 μm和59.4 μm)時(shí)差別不大。但當(dāng)熔體處理溫度達(dá)到1600℃時(shí)其一次和二次枝晶間距卻突然增大到369 μm和64.1 μm。熔體處理溫度再升高達(dá)到1640℃時(shí)，枝晶臂間距又開(kāi)始下降到272 μm和52.9 μm。且在1600℃時(shí)候，三次枝晶組織較為發(fā)達(dá)，這主要是由于一二次枝晶臂的粗大使得三次枝晶的長(zhǎng)大有了較大的空間。

圖2 不同熔體處理溫度與枝晶間距的關(guān)系Figure 2 Relationship between melt treatment temperatures and dendrite spacing

在溫度梯度和抽拉速率保持恒定的情況下，合金的熔體特征將會(huì)對(duì)凝固過(guò)程的形核產(chǎn)生主要影響，從而影響合金凝固后的枝晶組織。而金屬或合金的熔體特征不僅與其成分和相組成有關(guān)，而且與其所經(jīng)歷的熱歷史有密切聯(lián)系。王震等[12]通過(guò)對(duì)鎳基單晶高溫合金熔體結(jié)構(gòu)的研究發(fā)現(xiàn)，在剛剛?cè)刍逆嚮邷睾辖鹑垠w中存在著Ni3Al型原子團(tuán)之間相互作用形成的三維結(jié)構(gòu)、碳化物難熔質(zhì)點(diǎn)和類似于γ′固溶體結(jié)構(gòu)的中程有序原子團(tuán)。殷鳳仕等[11]采用高溫X射線衍射儀研究了熔體熱歷史對(duì)M963合金熔體結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)熔體溫度為1500℃的合金熔體中存在Ni3Al型中程有序原子團(tuán)和碳化物質(zhì)點(diǎn)。隨著熔體溫度升高到1600℃，Ni3Al型中程有序原子團(tuán)和碳化物質(zhì)點(diǎn)的衍射峰消失。

俄羅斯研究人員[13]通過(guò)對(duì)合金熔體結(jié)構(gòu)的研究發(fā)現(xiàn)，鎳基合金熔體結(jié)構(gòu)隨溫度的變化存在兩個(gè)反常溫度taH1和taH2。當(dāng)熔體溫度低于taH1時(shí)，合金熔體中存在類固型原子團(tuán)簇和難熔質(zhì)點(diǎn)(碳化物或碳氮化物)。在taH1和taH2溫度之間，隨著熔體處理溫度的提高，這種類固性原子團(tuán)簇和難熔質(zhì)點(diǎn)逐漸熔解而變小變少。當(dāng)熔體溫度大于taH1時(shí)，合金熔體中Ni3Al型團(tuán)簇分解并形成以難熔化合物質(zhì)點(diǎn)為核心，以Ni3Al型微組合物圍繞周圍的新結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步升高熔體溫度到大于taH2時(shí)，這種微組合結(jié)構(gòu)開(kāi)始分解。此外，還有一些學(xué)者認(rèn)為，高溫合金的熔體是由顯微團(tuán)簇和無(wú)序區(qū)域構(gòu)成，顯微團(tuán)簇具有類固型結(jié)構(gòu)。顯微團(tuán)簇的形成過(guò)程是動(dòng)態(tài)過(guò)程，在溫度為taH1時(shí)發(fā)生分解，溫度高于taH1時(shí)原子隨機(jī)堆垛排列，合金熔體無(wú)序度增加。

(a)1520℃ (b)1520℃ (c)1560℃ (d)1560℃

γ相可以在未完全溶解的碳化物或氮化物上形核，因此，當(dāng)合金熔體最高加熱溫度較低(1520℃和1560℃)的時(shí)候，合金熔體中存在的Ni3Al型中程有序原子簇和碳化物或氮化物將有利于γ相形核，從而可以得到較細(xì)化的枝晶組織。當(dāng)熔體過(guò)熱溫度升高到達(dá)1600℃時(shí)合金熔體中Ni3Al型團(tuán)簇分解并形成以難熔化合物質(zhì)點(diǎn)為核心，以Ni3Al型微組合物圍繞周圍的新結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)使碳化物和氮化物等難熔質(zhì)點(diǎn)不能再成為形核質(zhì)點(diǎn)，因此，γ相形核率急劇下降，枝晶組織粗化。進(jìn)一步增加過(guò)熱溫度到1640℃，這種新結(jié)構(gòu)逐漸分解，碳化物和氮化物難熔質(zhì)點(diǎn)再次成為形核質(zhì)點(diǎn)，γ相形核率再次加大，枝晶組織又傾向于細(xì)化。

2.2 熔體處理對(duì)枝晶偏析的影響

熔體處理對(duì)DZ483合金枝晶偏析的影響見(jiàn)表2。隨著熔體處理溫度的提高，Al、Ta元素的偏析系數(shù)先減小后增大，也就是說(shuō)Al、Ta向枝晶間的偏析先增大后減小，并在1600℃時(shí)偏析最嚴(yán)重，而Cr、Co、Mo則情況正好完全相反。由前面的描述可知熔體過(guò)熱溫度較低時(shí)熔體中存在著Ni3(Al,Ti,Ta)型原子團(tuán)簇，也就是說(shuō)熔體過(guò)熱溫度較低的時(shí)候，有較多的Al、Ta元素以這種原子團(tuán)簇形式存在，這就限制了Al、Ta在熔體中的擴(kuò)散速度，而且這種原子團(tuán)簇也比較容易被固液界面所捕獲，這些都限制了Al、Ta向枝晶間富集偏析。而隨著過(guò)熱溫度的提高，這種結(jié)構(gòu)開(kāi)始逐漸熔解，更多的Al、Ta原子被釋放出來(lái)，其擴(kuò)散更為容易，也不容易被固液界面捕獲，所以其向枝晶間偏析加劇。而Al、Ta在枝晶間的富集也限制了Cr、Co、Mo等向枝晶間擴(kuò)散，從而使得Cr、Co、Mo更傾向于富集在枝晶干，所以偏析比變大。

表2 不同熔體處理溫度合金的偏析系數(shù)(K=Cd/Ci)Table 2 Segregation coefficients of alloys treated at different melt temperatures(K=Cd/Ci)

還有一個(gè)較為明顯的現(xiàn)象是，1600℃熔體處理之后，除Ta外，Cr、Co、Mo、W等高熔點(diǎn)元素向枝晶間的偏析是最輕的，而Al、Ta則相反。而由前面的描述提及到，那些難熔化合物質(zhì)點(diǎn)通常是由這些高熔點(diǎn)元素組成，也就是說(shuō)1600℃時(shí)這些難熔元素相當(dāng)多的是以這種微觀有序結(jié)構(gòu)形式存在，同樣的原理，這種結(jié)構(gòu)限制了這些難熔元素在熔體中的擴(kuò)散速度，減弱了其向枝晶間偏析。而且相似的，在凝固過(guò)程中，這些含有難熔元素的有序的原子團(tuán)簇同樣很容易被固液界面所捕獲，從而進(jìn)一步限制了其向枝晶間的偏析。而到了1640℃時(shí)這種結(jié)構(gòu)分解，這種影響不復(fù)存在。因此1600℃熔體處理后，Cr、Co、Mo、W在枝晶干濃度最高。相對(duì)地，Cr、Co、Mo、W在枝晶干的富集就排擠Al、Ta，使其向枝晶間偏析，因此1600℃時(shí)Al、Ta在枝晶間的偏析最嚴(yán)重。

2.3 熔體處理對(duì)共晶的影響

熔體處理對(duì)合金中的共晶形態(tài)影響如圖3。由圖可見(jiàn)熔體處理使得共晶組織含有粗大γ′相的共晶冠部分顯著增大，并且含有粗大γ′相的篩網(wǎng)狀共晶增多。

由圖4(a)可知，在1560℃熔體處理時(shí)，共晶含量有所下降，但當(dāng)熔體處理溫度達(dá)到1600℃時(shí)，共晶含量明顯增多，而當(dāng)熔體處理溫度高達(dá)1640℃時(shí)，共晶含量又開(kāi)始下降。

(a)1520℃ (b)1560℃ (c)1600℃ (d)1640℃

由圖4(b)可知，當(dāng)熔體處理溫度為1600℃時(shí)，共晶的平均尺寸是最大的，這應(yīng)該是1600℃時(shí)共晶含量明顯增多的原因。而由圖2可知，熔體處理溫度為1600℃時(shí)枝晶間距是最大的，較大的枝晶間距給了共晶長(zhǎng)大的空間條件，導(dǎo)致共晶尺寸增大，從圖4和圖5的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可見(jiàn)，熔體處理溫度為1600℃時(shí)，有更多的大尺寸共晶生成，而小尺寸共晶較少。

盡管表2表明，Al、Ta因?yàn)槿垠w處理的原因傾向于向枝晶間偏析，原則上應(yīng)該造成共晶數(shù)量的增多。但是統(tǒng)計(jì)結(jié)果卻顯示，單位體積共晶的個(gè)數(shù)隨著熔體處理溫度的提高反而下降，見(jiàn)圖4(c)。這可能跟共晶區(qū)域的成分差別有關(guān)系。測(cè)定的不同合金的枝晶干和共晶區(qū)域的平均成分見(jiàn)表3。從中可以看出，盡管熔體處理使得合金枝晶間區(qū)域的Al+Ti+Ta含量有所提高，但是熔體處理樣品的共晶區(qū)域的Al+Ti+Ta含量比普通樣品(1520℃)也有很大提升。這表明熔體處理造成的偏析只是造成了共晶中Al+Ti+Ta含量的提高，而并沒(méi)有增加其體積或者個(gè)數(shù)，反而因?yàn)樯蓡蝹€(gè)共晶需要更多的Al+Ti+Ta而造成了了共晶個(gè)數(shù)的減少。由于1560℃和1640℃熔體處理時(shí)共晶尺寸與普通樣品相當(dāng)，個(gè)數(shù)下降，導(dǎo)致了這兩個(gè)溫度下共晶體積分?jǐn)?shù)要少于普通樣品。

表3 不同熔體處理溫度下的合金化學(xué)成分(原子分?jǐn)?shù)，%)Table 3 Chemical composition of alloy at different melt treatment temperatures(atom fraction,%)

至于為什么熔體處理樣品中共晶成分所含Al+Ti+Ta含量更高，表4的進(jìn)一步研究表明，共晶組織共晶冠區(qū)域的粗大γ′相所含Al+Ti+Ta含量明顯高于共晶核區(qū)域的含量。由于熔體處理造成共晶組織含有粗大γ′相的共晶冠區(qū)域以及篩網(wǎng)狀共晶明顯增大增多，導(dǎo)致了熔體處理樣品的共晶平均成分所含Al+Ti+Ta含量更高。

(a)共晶含量體積分?jǐn)?shù) (b)共晶平均尺寸 (c)共晶數(shù)量

(a)1520℃ (b)1560℃

表4 不同熔體處理溫度合金共晶區(qū)域γ′相成分(原子分?jǐn)?shù)，%)Table 4 γ′ phase composition in eutectic region of alloy at different melt treatment temperatures(atom fraction,%)

3 結(jié)論

(1)隨著熔體處理溫度的提高，DZ483合金枝晶尺寸先變大后減小，在1600℃左右出現(xiàn)峰值。

(2)隨著熔體處理溫度的提高，Al、Ta元素的偏析系數(shù)先減小后增大，并在1600℃時(shí)向枝晶間偏析最嚴(yán)重，而Cr、Co、Mo情況正好相反。

(3)熔體處理造成合金中含有大尺寸γ′相的共晶冠區(qū)域和篩網(wǎng)狀共晶增大增多，共晶成分中所含Al+Ti+Ta含量明顯增多。