一種鑄造鎳基高溫合金的顯微組織和沖擊性能

周麗，逯紅果，馬中鋼，劉洪平，殷鳳仕，李道乾

(1.山東理工大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院, 山東 淄博 255049; 2.山東瑞泰新材料科技有限公司，山東淄博256100;3.山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 山東 淄博 255049 )

K4648是高鉻鑄造鎳基高溫合金，主要應(yīng)用于制造900 ℃以下要求抗氧化能力很強(qiáng)的先進(jìn)燃?xì)鉁u扇發(fā)動(dòng)機(jī)的擴(kuò)壓器、燃燒室和矢量噴口等航空材料部件，基體顯微組織由α-Cr、γ'、MC型碳化物、M23C6型碳化物和硼化物組成[1]。K4648合金中鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)32%～35%時(shí)，析出相出現(xiàn)α-Cr，而關(guān)于α-Cr相析出對(duì)K4648合金力學(xué)性能的影響，相關(guān)學(xué)者作了大量的研究[2～8]。王改蓮等[2]研究了中溫長(zhǎng)期時(shí)效處理后α-Cr析出相對(duì)合金沖擊性能的影響；董建新等[3-4]研究了不同Cr含量的K4648合金中α-Cr相的析出行為和存在方式；鄭亮等[5-6]研究了不同熱處理方式及凝固方式對(duì)α-Cr相分布和析出的影響；史世鳳等[7-8]研究了不同C、Cr 含量對(duì)K4648組織和力學(xué)性能的影響及不同形態(tài)的α-Cr相對(duì)合金性能的影響。然而，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，采用真空感應(yīng)熔煉爐制備沖擊試棒時(shí)，常常出現(xiàn)沖擊吸收功低的現(xiàn)象。本文對(duì)K4648合金沖擊吸收功低的原因進(jìn)行了研究，為后續(xù)的生產(chǎn)提供理論支持。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

采用20 kg真空感應(yīng)爐重熔K4648母合金錠，澆注成φ22～25 mm指型試棒(圖1)，澆注溫度為1 480 ℃。試驗(yàn)K4648母合金的化學(xué)成分見(jiàn)表1。試棒經(jīng)1 180 ℃×4 h空冷固溶處理+900 ℃×16 h空冷時(shí)效處理后加工成標(biāo)準(zhǔn)V型沖擊試樣。采用JBS-300B 型沖擊試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試沖擊吸收功。采用金相顯微鏡和FEI Quanta 250型掃描電子顯微鏡分析熱處理后的顯微組織，金相試樣采用15% (體積分?jǐn)?shù))硫酸-甲醇溶液電解腐蝕。

表1 K4648母合金的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

圖1 指型模殼照片

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 顯微組織

圖2為K4648合金金相照片。由圖2可以看出，在晶界和枝晶間分布著呈鏈條狀分布的較大尺寸(約10 μm)顆粒狀初生α-Cr相[5]。

(a) 低倍

圖3為K4648合金掃描電鏡照片及大尺寸顆粒的能譜分析結(jié)果。由圖3可以看出，除呈鏈狀分布的較大尺寸顆粒狀初生α-Cr相外，在?鎳基體上析出了大量捆編織針狀α-Cr組織和細(xì)小顆粒狀M23C6型碳化物[5-6]。初生α-Cr相的能譜分析結(jié)果顯示成分主要是Cr，另外還有W、Mo和Ni。

(a)二次電子像 (b) 背散射電子像 (c) 箭頭所指顆粒能譜分析結(jié)果

2.2 沖擊性能

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/S10-0215—2004要求，K4648合金經(jīng)熱處理后沖擊吸收功>20 J，而試驗(yàn)K4648合金經(jīng)熱處理后兩次沖擊試樣的沖擊吸收功僅為11 J和12 J，遠(yuǎn)低于該合金的標(biāo)準(zhǔn)要求(大于20 J)。

2.3 斷口分析

圖4為試驗(yàn)K4648合金沖擊試樣斷口掃描電鏡照片。低倍照片顯示斷裂是沿枝晶間斷裂的，從高倍照片可以看出斷口表面存在大量的斷裂的塊狀組織，尺寸與分布在枝晶間的鏈狀α-Cr相一致。能譜也顯示這些斷裂的塊狀組織組成主要是Cr。

3 討論

K4648合金鑄態(tài)組織主要存在γ基體、初生α-Cr相、MC型碳化物[5]。固溶處理過(guò)程中，MC型碳化物溶解，析出細(xì)小顆粒狀的M23C6型碳化物，部分初生大塊α相直接轉(zhuǎn)變?yōu)閹в欣饨堑腗23C6碳化物，時(shí)效處理過(guò)程中基體析出捆編織針狀次生α-Cr相[6]。從圖2和3以及能譜分析結(jié)果可以看出，分布在晶界和枝晶間的鏈狀較大顆粒尺寸析出相是α-Cr相,基體中分布的捆編織針狀析出相主要為α-Cr相[6-9]。本試驗(yàn)K4648合金的試樣沖擊吸收功小于20 J，不滿足要求。研究表明[8]：α-Cr析出相的形態(tài)、分布和大小對(duì)合金的沖擊性能影響較大。從沖擊斷口(圖4)形貌可以看出，斷口表面存在大量斷裂了的大塊狀初生α-Cr相。分布在枝晶間的鏈狀初生α-Cr相是導(dǎo)致沖擊吸收功的主要原因。影響α-Cr相析出的主要因素是凝固速度[5]。大截面尺寸的試樣由于凝固時(shí)冷卻速度較慢，顯微偏析更為嚴(yán)重，析出的初生α-Cr相量多。根據(jù)本文試驗(yàn)可知，澆注沖擊試樣采用的是指型模殼(圖1)，直徑較大，凝固速度較慢，易析出大尺寸的初生α-Cr相。因此，在要求采用指型模殼澆注沖擊試樣時(shí)，必須調(diào)整鑄造工藝和控制其冷卻速度[10]，以減輕偏析，避免造成鏈狀初生α-Cr相的析出。

(a) 低倍 (b) 高倍 (c)箭頭所指顆粒能譜分析結(jié)果

4 結(jié)論

1)試驗(yàn)K4648合金經(jīng)過(guò)熱處理后，在?鎳基體上析出了大量捆編織針狀α-Cr組織和細(xì)小顆粒狀M23C6型碳化物，初生鏈狀分布的較大尺寸為α-Cr相分布晶界和枝晶間。

2)沿晶界和枝晶間分布的較大尺寸初生鏈狀α-Cr相是造成試驗(yàn)K4648合金沖擊吸收功偏低的主要原因。