熱等靜壓工藝對K4125鎳基高溫合金顯微組織的影響

張明軍， 李 遠(yuǎn)， 李相輝

(中國航發(fā)北京航空材料研究院 先進(jìn)高溫結(jié)構(gòu)材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100095)

鎳基高溫合金因其優(yōu)異的高溫強(qiáng)度和塑性、良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能及良好的組織穩(wěn)定性與使用可靠性等綜合性能廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)熱端鑄件制造[1-2]。K4125高溫合金具有較高的強(qiáng)度、優(yōu)異的耐熱腐蝕性能以及抗氧化性能。熱等靜壓(Hot isostatic pressing，HIP)作為常用的熱加工工藝之一，在鎳基鑄造高溫合金領(lǐng)域具有舉足輕重的作用，該工藝是在封閉的容器中施加一定的溫度及壓力，使金屬或陶瓷制品經(jīng)受各向同等壓力從而使制件得以致密化，從而修復(fù)顯微組織的孔洞、退化與損傷的微觀組織，消除合金內(nèi)部顯微疏松、縮孔和偏析等缺陷[3-8]。同時(shí)高溫高壓環(huán)境使得合金的組織形貌產(chǎn)生一系列的變化，如共晶的固溶，γ′相的溶解、聚集、長大，碳化物的分解與轉(zhuǎn)變等，進(jìn)而改變合金的力學(xué)性能[9-11]。由于熱等靜壓工藝對不同合金的作用規(guī)律有所差別，關(guān)于K4125鎳基高溫合金熱等靜壓技術(shù)的相關(guān)研究未有報(bào)道，故本文針對K4125合金開展不同溫度及壓力的熱等靜壓工藝研究，探索了不同熱等靜壓條件對K4125合金組織形貌的影響規(guī)律，為合金的工程化應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

采用真空感應(yīng)熔煉爐制備K4125合金試棒，化學(xué)成分見表1，按照表2所示參數(shù)對鑄態(tài)試棒進(jìn)行熱等靜壓處理。采用HNO3∶HF∶甘油=1∶2∶1(體積比)的腐蝕劑腐蝕5～10 s制備出金相試樣。采用DM4000M型光學(xué)顯微鏡采集枝晶組織，采用ZEISS SUPRA 55型和FEI NovaNano450型場發(fā)射掃描電鏡對γ/γ′共晶、γ′相及碳化物等顯微組織進(jìn)行表征，采用EDS對枝晶元素含量進(jìn)行分析。采用Image-Pro Plus軟件統(tǒng)計(jì)合金的γ/γ′共晶組織含量、γ′相尺寸及面積分?jǐn)?shù)。

表1 K4125合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of the K4125 alloy (mass fraction, %)

表2 熱等靜壓工藝參數(shù)Table 2 Parameters of hot isostatic pressing(HIP)

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 顯微組織形貌

圖1為不同熱等靜壓制度下K4125合金的組織形貌，具有典型的枝晶特征，枝晶間與枝晶干存在顯著差異。合金中存在γ′強(qiáng)化相、γ/γ′共晶、MC碳化物等合金相，γ/γ′共晶組織多為典型菊花狀，碳化物為塊狀分布于晶界及枝晶間區(qū)域。背散射模式顯示碳化物具有不同襯度，見圖2中標(biāo)注的1、2、3位置。EDS分析表明碳化物中均富集Ta、Hf、W及Ti，此外位置1處含有較高的Hf，而位置3則出現(xiàn)少量Mo，不同位置的碳化物均為MC型碳化物。

圖1 不同熱等靜壓態(tài)K4125合金的組織形貌Fig.1 Microstructure of the K4125 alloy with different HIP states(a) HIP1; (b) HIP2; (c) HIP3

圖2 K4125合金中MC碳化物的成分及元素分布(HIP1)Fig.2 Chemical composition and element distributions of MC carbides in the K4125 alloy (HIP1)

2.2 元素偏析

高溫合金的元素由于熔點(diǎn)不同在凝固時(shí)按一定順序進(jìn)行，形成不同的合金相，使得各元素在基體的分布存在一定偏析，采用式(1)計(jì)算各元素的凝固偏析系數(shù)k[12]，結(jié)果見圖3。

k=cdc/cid

(1)

式中：cdc和cid分別為元素在枝晶干與枝晶間的含量，當(dāng)k>1時(shí)，表示該元素在枝晶干區(qū)域富集，為負(fù)偏析元素；當(dāng)k<1時(shí)，則表示枝晶間區(qū)域存在較多的該類元素，為正偏析元素；當(dāng)k=1時(shí)，元素分布不存在偏析現(xiàn)象。故k值越趨近于1，元素的分布越均勻。

采用EDS分析K4125合金的Al、Ti、Cr、Co、Mo、Ta、W及余量Ni等元素的分布情況，結(jié)果如圖3所示，表明不同熱等靜壓合金的同一元素偏析區(qū)域一致，經(jīng)HIP1處理后，W、Ni的k值分別為1.16和1.07，枝晶干含量多于枝晶間，為負(fù)偏析元素；Ta、Mo、Ti及Al等元素的k值分別為0.79、0.75、0.89和0.81，偏析于枝晶間，為正偏析元素，W、Ta、Mo及Al的k值略大于其他元素，偏析較大，且與其他元素相比較，Ni、Co、Cr偏析程度較小。隨著熱等靜壓溫度及壓力的提高，各元素的k值更趨于1，偏析程度減弱，元素分布更加均勻，W、Ta、Mo偏析程度改善較大，經(jīng)HIP3熱等靜壓工藝處理后Ta的k值趨于1，可見提高熱等靜壓溫度及壓力有助于促進(jìn)難熔元素的擴(kuò)散及均勻分布。

圖3 熱等靜壓態(tài)K4125合金的偏析系數(shù)Fig.3 Segregation coefficients of the K4125 alloy after different HIP processes

2.3 γ/γ′共晶組織形貌

圖1表明，隨著熱等靜壓溫度及壓力的增加，γ/γ′共晶組織的含量逐漸降低，采用光鏡組織(圖4)進(jìn)行含量的精確統(tǒng)計(jì)。與HIP1熱等靜壓合金相比較，經(jīng)HIP2熱等靜壓后合金的γ/γ′共晶組織含量由23.4%降低至21.4%，進(jìn)一步提高熱等靜壓溫度至1195 ℃(HIP3)，γ/γ′共晶含量為18.4%。提高熱等靜壓溫度及壓力后合金的γ/γ′共晶組織含量略有降低，這是由于γ/γ′共晶組織的形成與元素偏析有關(guān)，提高溫度及壓力有助于加快元素的擴(kuò)散速率，減小各元素偏析系數(shù)，使元素分布更加均勻，進(jìn)而降低γ/γ′共晶組織的含量。

圖4 不同熱等靜壓態(tài)K4125合金的γ/γ′共晶組織形貌Fig.4 Morphologies of γ/γ′ eutectic in the K4125 alloy with different HIP states (a) HIP1; (b) HIP2; (c) HIP3

2.4 γ′相形貌

圖5為不同熱等靜壓后合金的枝晶干γ′相形貌。對其尺寸及面積分?jǐn)?shù)進(jìn)行測量，結(jié)果表明，采用HIP1熱等靜壓后，合金中γ′相的面積分?jǐn)?shù)為40%，尺寸為513.8 nm。提高熱等靜壓溫度及壓力至1170 ℃/175 MPa，γ′相的面積分?jǐn)?shù)及尺寸分別為38.8%和453.6 nm，進(jìn)一步將溫度提高至1195 ℃，γ′相的面積分?jǐn)?shù)為45%，尺寸降低至309.3 nm，與HIP1合金相比較，不同熱等靜壓工藝處理后γ′相面積分?jǐn)?shù)無明顯變化，但γ′相的尺寸減小了66%。這是因?yàn)闊岬褥o壓的高溫高壓環(huán)境促使合金元素從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域擴(kuò)散，起到高溫均勻化作用，提高溫度及壓力后，各元素的k值越趨向1(見圖3)，元素的分布越均勻，合金的均勻化程度越高，γ基體中溶解的γ′相形成元素越多，隨后的冷卻過程中基體析出γ′相的形核驅(qū)動力越大，使得γ′相的形核數(shù)量增加，γ′相尺寸降低[13]。因此提高熱等靜壓溫度及壓力后，K4125合金的γ′相尺寸顯著降低。

圖5 不同熱等靜壓態(tài)K4125合金的枝晶干γ′相形貌Fig.5 Morphologies of dendrite core γ′ phase in the K4125 alloy with different HIP states (a) HIP1; (b) HIP2; (c) HIP3

2.5 碳化物形貌

圖6為熱等靜壓后合金的碳化物形貌，發(fā)現(xiàn)不同熱等靜壓處理后，合金中出現(xiàn)大塊狀MC碳化物碎化及二次MC碳化物析出的現(xiàn)象，且晶界處析出細(xì)小的碳化物，分別對應(yīng)于圖6(a，d)中的1、2、3位置。提高熱等靜壓溫度及壓力后，上述現(xiàn)象加劇，這與較高的壓力及溫度促進(jìn)元素?cái)U(kuò)散有關(guān)。鄭運(yùn)榮等[14]報(bào)道稱，含有Hf、Zr、Nb的鎳基高溫合金在使用及熱暴露環(huán)境中均可能發(fā)生式(2)所示的轉(zhuǎn)化，通過基體及沉淀相之間的反應(yīng)生成二次MC碳化物，這與本研究現(xiàn)象一致。在熱等靜壓合金中，γ/γ′共晶組織中析出二次MC碳化物，尺寸細(xì)小且彌散分布，見圖6(a)中位置2。同時(shí)由于晶界排列不規(guī)則，存在較多空位及晶格缺陷，有利于元素?cái)U(kuò)散，不同條件的熱等靜壓合金晶界處均析出了較多的細(xì)小顆粒狀碳化物。提高熱等靜壓溫度及壓力后，背散射模式下MC碳化物的灰色襯度形貌比例增加，采用EDS分析HIP2合金的碳化物發(fā)現(xiàn)，灰色襯度區(qū)域的Hf含量增加，而Ta含量則降低。此外，對大塊MC碳化物成分進(jìn)行分析，結(jié)果見表3，同樣發(fā)現(xiàn)HIP3合金的Hf含量增加，Ti元素含量降低，由碳化物的穩(wěn)定性規(guī)律(HfC>TaC>TiC)可知，TaC、TiC穩(wěn)定性較低，高溫環(huán)境下更易分解[15-16]，當(dāng)熱等靜壓溫度及壓力提高后，TaC、TiC的分解傾向增加，導(dǎo)致碳化物中Ta、Ti含量降低。不同熱等靜壓合金中均未發(fā)現(xiàn)M6C、M23C6等次生碳化物存在。

圖6 不同熱等靜壓態(tài)K4125合金的碳化物形貌Fig.6 Morphologies of carbide in the K4125 alloy with different HIP states(a,d) HIP1; (b,e) HIP2; (c,f) HIP3

γ′(Hf, Zr, Nb) +γ(C) →MC +γ

(2)

表3 不同熱等靜壓態(tài)K4125合金的碳化物成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 3 Chemical composition of carbides in the K4125 alloy with different HIP processes (mass fraction,%)

3 結(jié)論

1) 經(jīng)熱等靜壓工藝處理后K4125合金的Ta、Mo、Co、Cr、Ti及Al等為正偏析元素，W、Ni為負(fù)偏析元素，提高熱等靜壓溫度及壓力，各元素的偏析程度均有所降低，γ/γ′共晶組織含量逐漸減少。

2) 提高熱等靜壓溫度及壓力后，K4125合金枝晶干γ′相尺寸變小，與1150 ℃/140 MPa處理合金相比較，1195 ℃/175 MPa處理合金的γ′相尺寸由513.8 nm減小至309.3 nm。

3) K4125合金經(jīng)3種熱等靜壓后均出現(xiàn)了大塊狀MC碳化物碎化、二次MC碳化物析出及晶界細(xì)小碳化物形成等現(xiàn)象，且隨著熱等靜壓溫度及壓力的增加而加劇。提高熱等靜壓溫度及壓力，碳化物中Ta、Ti含量降低，TaC、TiC的分解傾向增加。