碳對高溫合金DZ417G定向凝固組織及持久性能的影響規(guī)律

劉從慶，肖 旋，郭永安，周蘭章，張東東

(1.沈陽理工大學 材料科學與工程學院，沈陽 110159；2.中國科學院金屬研究所，沈陽 110016)

碳對高溫合金DZ417G定向凝固組織及持久性能的影響規(guī)律

劉從慶1，2，肖 旋1，郭永安2，周蘭章2，張東東1

(1.沈陽理工大學 材料科學與工程學院，沈陽 110159；2.中國科學院金屬研究所，沈陽 110016)

采用掃描電子顯微鏡(SEM)和透射電子顯微鏡(TEM)等方法研究了3種不同碳含量的DZ417G高溫合金的凝固組織、熱處理組織和持久性能，分析了合金顯微組織和持久性能之間的關系。結果表明：隨著C含量的增加，合金中的共晶數(shù)量減少，MC碳化物數(shù)量增多。經(jīng)過熱處理后，枝晶干的γ′相呈均勻細小的立方塊狀，且枝晶間的共晶及粗大的γ′相基本回溶，達到了較好的均勻化效果；MC碳化物發(fā)生了退化反應，出現(xiàn)了M23C6碳化物。隨著C含量增加，合金的持久壽命減小，這是因為合金中未消除的共晶、碳化物及縮松會成為合金性能的薄弱位置，而C會直接引起合金中的共晶及碳化物數(shù)量的變化，因此，認為含碳量為0.05wt.%時，合金的持久性能最佳。

碳；顯微組織；定向凝固高溫合金；持久壽命

定向凝固高溫合金已經(jīng)成為高溫渦輪發(fā)動機中的重要材料[1-5]，相比于單晶高溫合金較低的良品率、復雜的熱處理過程和精細的模具生產(chǎn)，定向凝固高溫合金具有較低的成本和較高的良品率[6]。通常其工作溫度較高，其主要的失效方式是高溫下的蠕變斷裂和疲勞斷裂[7]，因此，高溫下的持久性能成為定向凝固高溫合金性能的主要指標[8]。

C加入到單晶高溫合金中，可以顯著地降低合金中的氧含量，從而起到凈化合金液的作用[9]，并且C的加入還可以強化晶界[10]，減小合金元素的偏析程度[11]。相關文獻[12]報道，合金中的塊狀MC碳化物對持久性能有利，然而目前的研究大多集中在單晶高溫合金，針對定向凝固高溫合金的研究較少。同時，目前有關碳對合金力學性能作用的規(guī)律仍存在分歧。K.A.Al-Jarba等[13]研究得出了室溫強度與高溫強度隨著C含量增加而呈現(xiàn)出相反的變化規(guī)律。L.R.Liu等[14]研究認為，不同的應力及溫度條件下，持久性能隨著C含量的變化存在差異。可見不同合金體系對C含量改變具有不同的變化規(guī)律。因此，本文系統(tǒng)研究了C含量對DZ417G高溫合金顯微組織和力學性能的影響，明確C元素的作用，并探討了影響該合金持久性能的主要因素及其機理，從而為合金設計和應用提供理論依據(jù)和參考。

1 實驗材料和方法

利用真空感應爐煉制低碳的母合金(表1)，之后采用Bridgeman工藝制備含碳量分別為0.05%、0.09%和0.17%的3種<001>取向的定向試樣。合金采用的標準熱處理制度為：1220℃/4h、空冷+980℃/16h、空冷。將熱處理后的樣品加工成標準試樣，并進行持久試驗，試驗條件為980℃/216MPa。

從試棒上切取金相試樣，經(jīng)磨平、拋光和腐蝕(腐蝕劑選用硫酸銅1.5g+鹽酸40mL+無水乙醇20mL)后，使用S3400N型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察顯微組織，并采用Sisc IAS V8.0圖像分析軟件對γ-γ′共晶和碳化物的體積分數(shù)進行定量分析。

表1 母合金的化學成分 wt.%

在C含量為0.17wt.%的熱處理試樣中取0.5mm的薄片，在水砂紙上微磨成厚度50μm左右的薄片，通過雙噴減薄制備成標準透射樣品，其中雙噴液為10%高氯酸+90%酒精混合溶液。利用FEI Tecnai G2透射電鏡(TEM)分析碳化物的類型及其和基體的取向關系。

2 實驗結果與討論

2.1 C對鑄態(tài)組織的影響

3種不同C含量試樣的SEM圖像如圖1所示，可以看出，隨著C含量增加，合金組織中碳化物的析出量逐漸增多，而γ-γ′共晶的數(shù)量逐漸減少。為了能夠從定量的角度分析C對合金中γ-γ′共晶及碳化物數(shù)量的影響，對3種不同C含量試樣中的共晶和碳化物體積分數(shù)進行了測定，其結果如圖2所示?？梢姸糠治鼋Y果和SEM觀察結果一致，這是因為γ-γ′共晶的形成發(fā)生在凝固后期，而偏析于枝晶間及晶界附近的低熔點元素Ti，一方面是γ-γ′共晶的形成元素，同時也是MC碳化物的形成元素，γ-γ′共晶與MC碳化物存在元素競爭關系，由于MC碳化物先于γ-γ′共晶形成，從而消耗了大量的γ-γ′共晶形成元素(Ti等)。因此使得共晶數(shù)量減少。

2.2 C對熱處理態(tài)組織的影響

圖3是三種C含量的合金經(jīng)過標準熱處理后的顯微組織?？梢园l(fā)現(xiàn)γ′相均勻地分布在整個樣品中，三種合金中的γ′相呈現(xiàn)出均勻的立方體小方塊形貌，并且γ′相尺寸都為0.5μm左右(圖3d、3e、3f)。C含量并沒有明顯改變γ′相的尺寸和形貌，這是由于γ′的形貌主要受熱處理條件的影響，而三種C含量合金的熱處理制度相同。經(jīng)過固溶處理后，枝晶間區(qū)域的共晶組織和粗大的γ′相基本回溶(圖3a、3b、3c)，達到了較好的均勻化效果。另外，在三種C含量合金的枝晶間區(qū)域，大量的γ′相呈現(xiàn)出不規(guī)則的形貌，這是因為合金中的Al、Ti等γ′相形成元素含量較大，使得固溶處理后合金的過飽和度非常高，析出動力很大，使γ′相不同程度析出并長大。同時，對于含碳量為0.05wt.%的合金，在枝晶間發(fā)現(xiàn)了少量未被固溶的共晶組織及少量的碳化物(圖3a)；對于含碳量為0.09wt.%的合金，在枝晶間有少量的殘留共晶組織及較多的碳化物(圖3b)；對于含碳量為0.17wt.%的合金，枝晶間存在較多的碳化物，且沒有發(fā)現(xiàn)殘留的共晶組織(圖3c)。

圖1 不同C含量合金的SEM圖像

圖2 不同C含量合金中共晶和碳化物的體積分數(shù)

圖3 不同C含量試樣熱處理后的顯微組織

經(jīng)過熱處理后，合金中的碳化物同樣發(fā)生了一些變化，大部分碳化MC碳化物保持原來的成分與形貌，但有一部分的MC碳化物形貌和成分發(fā)生了轉變。從掃描電子顯微圖像可以發(fā)現(xiàn)在熱處理過程中，MC碳化物周圍及晶界上析出了少量的顆粒狀物質(圖3d、3e、3f)，對小顆粒狀的碳化物進行TEM分析，根據(jù)透射圖像及衍射斑點(圖4)，可以判定該顆粒狀碳化物為M23C6碳化物，M23C6碳化物是MC碳化物在980℃時效時開始退化生成的。退化反應如下：

MC+γ→M23C6+γ′

(1)

(Ti,Mo)C+(Ni,Cr,Al,Ti)→

Cr21Mo2C6+Ni3(Al,Ti)

(2)

圖4 C含量為0.17wt.%的樣品經(jīng)過熱處理后的TEM圖像

2.3 C對持久性能的影響

C含量對合金持久壽命的影響表明(圖5a)，隨著C含量的增加，合金試樣的持久壽命呈線性下降趨勢。當C含量為0.05wt.%時，合金持久壽命具有最大值72h，當C含量增加到0.17wt.%時，合金的持久壽命具有最小值41h，因此，加入C后，對合金的持久壽命不利。不同C含量合金的持久塑性如圖5b所示，可以看出，3種C含量合金試樣的斷面收縮率都比較高，隨著C含量的增加，合金試樣的面縮率變化不大。而伸長率在C含量為0.05wt.%的合金中出現(xiàn)最大值44.65%；當C含量上升到0.09wt.%時，試樣的伸長率下降到35.2%；當C含量繼續(xù)上升到0.17wt.%時，試樣的伸長率緩慢增加到38.7%。可見C的加入對合金980℃/216MPa持久塑性影響不大。

圖5 C含量與合金持久性能的關系

2.4 斷口組織

980℃/216MPa持久斷裂屬于微孔聚集型斷裂,斷裂過程主要包括微孔的成核、長大、聚合直至斷裂。微孔形成后即借助延伸而長大(圖6a)。當其長成橢圓狀且相鄰微孔間距等于微孔長度時(圖6b)。兩微孔之間的基體將產(chǎn)生顯著局部塑性變形，韌性裂紋形成(圖6c)。如此不斷地進行下去直至試樣最終斷裂。

圖6 微孔長大和聚合示意圖

圖7為3種C含量試樣經(jīng)過980℃/216MPa持久試驗后的斷口附近形貌。

圖7 不同C含量試樣斷口附近的裂紋形貌

可以看出，經(jīng)過980℃/216MPa持久試驗后，合金中的的γ′相變得粗化，并且沿著垂直于應力方向發(fā)生了定向筏形化，其中遠離裂紋的枝晶干區(qū)域的γ′相筏形化得比較有規(guī)律性(圖7a)，裂紋源出現(xiàn)在凝固縮松(圖7b)、共晶(圖7c)和碳化物(圖7d、7e、7f)周圍。對比分析發(fā)現(xiàn)，當C含量較低時持久裂紋源主要為凝固縮松及共晶(圖7b、7c)；隨著C含量逐漸增加，持久裂紋源位置逐步由共晶向碳化物轉變(圖7d、7e、7f)。

合金中加入C后，合金中的共晶含量降低，但是仍有一定殘留量，使合金的枝晶間區(qū)域仍然含有部分未溶解的共晶。由于共晶具有脆性特征，導致試樣在變形過程中成為薄弱區(qū)域。從這個角度來講，C含量增加，共晶減小，對合金的持久性能是有利的。然而，從另外一個角度來講，C含量增加，合金中的碳化物增多，且在高溫條件下碳化物的類型開始呈多樣化，相比于大塊狀MC碳化物，應力集中更易發(fā)生在分散的M23C6碳化物，進而成為裂紋的萌生位置。因此，對合金的持久性能又是不利的。

3 結論

(1)隨著C含量增加，鑄態(tài)狀態(tài)下，合金中的γ-γ′共晶數(shù)量減少，碳化物數(shù)量逐漸增多。共晶和碳化物主要分布在枝晶間區(qū)域。

(2)經(jīng)過熱處理后，合金組織達到了較好的均勻化效果，枝晶干的γ′相呈均勻細小的立方塊狀，枝晶間的共晶及粗大的γ′相基本回溶。

(3)標準熱處理后，合金中的MC碳化物部分發(fā)生了退化反應，生成了M23C6碳化物，且M23C6碳化物主要集中在晶界及MC碳化物周圍。

(4)當C含量為0.05wt.%時，合金的持久壽命達到最大值72h，隨著C含量增加，合金的持久壽命降低；斷裂為微孔聚集型斷裂，且γ′相發(fā)生了明顯的筏形化。當碳含量較低時，持久裂紋源主要為凝固縮松及共晶，隨著C含量增加，裂紋源逐步由共晶向碳化物轉變。

[1] 陶春虎,張衛(wèi)方,李運菊,等.定向凝固和單晶高溫合金的再結晶[J].失效分析與預防,2006,4(11):1-9.

[2] 張衛(wèi)國,劉林,趙新寶,等.定向凝固高溫合金的研究進展[J].鑄造,2009,58(1):1-6.

[3] 杜煒.高梯度定向凝固單晶高溫合金組織與性能[D].西安：西北工業(yè)大學,1998.

[4] 師昌緒,李恒德,周廉.材料科學與工程手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社,2004.

[5] 郭建亭,周蘭章,袁超,等.我國獨創(chuàng)和獨具特色的幾種高溫合金的組織和性能[J].中國有色金屬學報,2011,21(2)：237-250.

[6] Hu Q,Liu L,Zhao X B,et al.Effect of carbon and boron addition on segregation behavior of directionally solidified nickel-base superalloy with rhenium [J].Transaction of Nonferrous Metals Society of China,2013(23):3257-3264.

[7] 劉從慶,肖旋,劉慶豐,等.一種新型Ni-Fe基高溫合金的微觀組織和力學性能的研究[J].沈陽理工大學學報,2014,33(4):34-39.

[8] 劉麗榮,金濤,趙乃仁,等.Ti含量對一種鎳基單晶合金組織和持久性能的影響[J].稀有金屬材料與工程,2006,35(11):1830-1834.

[9] M Gell,D N Duhl,A F Giamei.Superalloy[M].American Society for Metals,Metals Park,OH,1980:205-214.

[10]肖旋,曾超,侯介山,等.定向凝固DZ444鎳基高溫合金初生MC碳化物的分解行為[J].金屬學報,2014,50(1):1031-1038.

[11]劉麗榮,孫新濤,金濤,等.碳對一種單晶鎳基高溫合金鑄鈦組織的影響[J].鑄造,2007,156(6):635-638.

[12]Chen Q Z,Jones N,Knowles D M.The microstructures of base/modified RR2072 SX superalloys and their effects on creep properties at elevated temperatures [J].Acta Materialia,2002(50):1095-1112.

[13]K A Al-Jarba,G E Fuchs.Effect of carbon additions on the as-cast microstructure and defect formation of a single crystal Ni-based superalloy [J].Materials Science and Engineering A,2004(373):255-267.

[14]L R Liu,T Jin,N R Zhao,et al.Hu.Formation of carbides and their effects on stress rupture of a Ni-base single crystal superalloy [J].Materials and Science and Engineering A,2003(361):191-197.

(責任編輯：馬金發(fā))

EffectofCarbonontheMicrostructureandRupturePropertiesofDZ417GduringDirectionallySolidifiedofNi-basedSuperalloy

LIU Congqing1,2,XIAO Xuan1,GUO Yongan2,ZHOU Lanzhang2,ZHANG Dongdong1

(1.Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China;2.Institute of Metal Research,Chinese Academy of Science,Shenyang 110016,China)

The effects of carbon addition on the solidification microstructure and heat treatment microstructure and rupture life were investigated in three different carbon level of DZ417G superalloys through scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM).The relationship between microstructure and rupture property was discussed.The results showed that with the increasing of carbon level,the volume fraction of eutectic decreased and the volume fraction of carbides increased.After heat treatment the γ′ become uniform cubical and the γ-γ′ eutectic were dissolved mainly;MC carbides were dissolved slightly,and M23C6appeared after heat treatment.With the increasing of carbon addition,the rupture life of the DZ417G superalloy decreased.The change of rupture life was mainly affected by the un-dissolved eutectic and carbides of alloy.The volume of eutectic and carbides were controlled by carbon addition,therefore,the carbon content should be controlled in 0.05wt.%,which was benefit to the rupture property mostly.

Carbon;microstructure;directionally solidified superalloy;rupture property

TG146

A

2016-09-07

劉從慶(1991—),男,碩士研究生;通訊作者:肖旋(1966—)，女，副教授，博士，研究方向：鎳基高溫合金。

1003-1251(2017)05-0073-06