固溶温度对含铪高钨K416B镍基高温合金组织的影响

侯桂臣,苏海军,谢 君,荀淑玲,于金江,孙晓峰,周亦胄

（1.中国科学院 金属研究所，沈阳 110016；2.西北工业大学 凝固技术重点实验室，西安 710072）

由于高钨镍基高温合金具有良好的抗氧化性和高温力学性能，被认为是制备航空发动机导向叶片的重要材料之一[1-2]。中科院金属所研制的含铪高钨K416B合金的使用温度可达1100 ℃，是目前承温能力较高的等轴晶铸造高温合金之一[3]。经前期研究[4]，铸态K416B合金均能满足合金设计的技术指标要求，但在975 ℃/235 MPa的持久性能富余量较低。高温合金熔铸期间，不可避免发生成分偏析，成分偏析与合金的成分、组织、性能密切相关[5-6]。K416B合金组织主要由γ基体、γ′相、共晶组织和MC、M6C碳化物组成，由于合金中含有1%的Hf，在合金中形成共晶组织的含量较高，成为合金高温拉伸和持久断裂的主要裂纹源[7-9]。相关研究[10-13]表明，通过高温固溶处理可有效调整铸造高温合金中的枝晶形态，以减少合金中的共晶含量，提高合金的力学性能。在固溶期间，除γ′相固溶析出外，还有碳化物的分解和析出；初生MC碳化物缓慢分解，并析出M23C6和M6C次生碳化物，后者以颗粒状或针状分布于晶界和晶内的残余MC碳化物周围[14-16]。

研制试用期间，K416B合金为铸态使用，未进行热处理工艺研究，为了进一步开发该合金的使用潜能，开展固溶温度对合金组织的影响研究。通过金相法测定K416B合金的初熔温度为1240 ℃[4]，故合金的固溶处理温度选择为1180 ℃、1200 ℃和1220 ℃，以考察固溶温度对K416B镍基高温合金枝晶、γ′相、共晶及碳化物数量、尺寸与形态的影响，确定出该合金的最佳固溶处理温度，为高钨K416B镍基高温合金的制备工艺提供理论依据。

1 实验材料及方法

采用ZG-001型10 kg真空感应炉熔炼合金锭，合金成分（质量分数/%）为C 0.13、Cr 4.90、Co 6.82、Nb 2.06、Al 5.75、W 16.0、Ti 1.00、Hf 1.00、Ni余量，打磨去皮后进行二次重熔铸成尺寸为φ15 mm × 150 mm的等轴晶圆棒。用线切割把合金棒切成厚为20 mm的热处理试片，分别在1180 ℃、1200 ℃和1220 ℃下固溶保温4 h，随后空冷。

通过机械研磨机分别对铸态和热处理态合金进行研磨和抛光，随后采用20 g CuSO4+ 5 mL H2SO4+ 100 mL HCl + 80 mL H2O的腐蚀剂进行蚀刻，并借助S-3400N型扫描电镜（SEM）、TECNAI-20型透射电镜（TEM）和Shimadzu-1610型电子探针（EPMA）对不同合金进行组织观察与成分分析。

2 结果与分析

2.1 固溶温度对枝晶形貌的影响

经不同温度固溶处理后，合金中的枝晶形貌如图1所示。由图1可以看出，合金中的枝晶呈致密分布。图1（a）为铸态合金枝晶形貌，可见合金中一次枝晶间距（L1）约为160～180 μm，二次枝晶间距（L2）约为40～60 μm。经不同温度固溶热处理后，合金中的枝晶间距与铸态合金无明显区别，如图1（a）～（d）所示，表明固溶处理对枝晶干影响不大。由图1（b）～（d)对比可知，枝晶干上的二次枝晶略有粗化。分析认为，在高温固溶期间，合金的二次枝晶形态在元素扩散的作用下发生了改变。

图1 不同温度固溶合金的枝晶形貌 （a）铸态；（b）1180 ℃；（c）1200 ℃；（d）1220 ℃Fig. 1 Dendrite morphologies of solid solution alloy at different temperatures （a）as-cast；（b）1180 ℃；（c）1200 ℃；（d）1220 ℃

2.2 固溶处理对共晶的影响

经不同温度保温4 h后，合金中的共晶形貌如图2所示。铸态合金中的共晶组织含量较高，经定量金相分析可知，合金中的共晶含量约为18%，如图2（a）所示。当固溶温度为1180 ℃时，枝晶间处的共晶宽度减小，如图2（b）所示；随着固溶温度的升高，合金中的共晶含量逐渐减少，主要体现在枝晶间处的共晶尺寸减小，如图2（c）和（d）所示。综上表明，固溶处理可减少合金中的共晶含量。

2.3 固溶处理对碳化物形态的影响

图3（a）为铸态合金中枝晶间处的碳化物形貌，可见碳化物呈汉字型分布，且条状碳化物具有平直特征。经不同温度固溶处理合金中的碳化物形貌如图3（b）～（d）所示。当固溶温度为1180 ℃时，合金枝晶间处的碳化物仍保持条状，且局部形成锯齿状凹槽或分解成粒状相，如图3（b）中箭头所示。随着固溶温度提高至1200 ℃和1220 ℃，条状碳化物表面凹槽进一步加深（如图3（c）和（d）的箭头所示），并逐渐分解形成不连续分布的粒状碳化物。

固溶前后合金中碳化物的TEM形貌如图4所示。由图4可以看出，铸态合金中条状碳化物表面具有光滑特征，经衍射斑点指数标定后，确定该相为MC型碳化物，如图4（a）所示；经1220 ℃固溶4 h后，合金中的条状碳化物发生了分解反应，对分解后的粒状相进行指数标定，确定该相为M6C型碳化物，如图4（b）所示。分析认为，随着固溶温度从1180 ℃升高至1220 ℃，在元素扩散作用下，枝晶间区域的条状MC碳化物逐渐发生了分解，直至熔断形成粒状M6C相，其反应式可表达为：

图2 不同温度固溶合金的共晶形貌 （a）铸态；（b）1180 ℃；（c）1200 ℃；（d）1220 ℃Fig. 2 Eutectic morphologies of solid solution alloy at different temperatures （a）as-cast；（b）1180 ℃；（c）1200 ℃；（d）1220 ℃

图3 不同温度固溶处理合金中枝晶间区域的碳化物形貌 （a）铸态；（b）1180 ℃；（c）1200 ℃；（d）1220 ℃Fig. 3 Carbide morphologies of inter-dendrite region in the alloy treated in solid solution at different temperatures （a）as-cast；（b）1180 ℃；（c）1200 ℃；（d）1220 ℃

结果表明，在高温条件下，合金中的条状MC碳化物是不稳定的，温度越高，条状MC碳化物分解越剧烈。

图5（a）为铸态合金块状碳化物形貌。由图5可以看出，块状M6C碳化物在局部共晶区域偏聚析出，尺寸约为40～100 μm，如图5箭头所示。经1180 ℃、1200 ℃和1220 ℃固溶处理后，合金中共晶区域析出的块状碳化物形貌分别如图5（b）、（c）和（d）所示，经比较可知，共晶处的碳化物尺寸和形态无明显变化，表明固溶处理对大块状碳化物的尺寸与形态无明显作用，即该块状M6C相具有较好的热稳定性。

图4 固溶前后合金的中碳化物的TEM形貌 （a）铸态；（b）1220 ℃固溶Fig. 4 TEM morphologies of carbides in the alloy before and after solid solution treatment （a）as-cast；（b）solid solution at 1220 ℃

图5 不同温度固溶处理合金中共晶处的碳化物形貌 （a）铸态；（b）1180 ℃；（c）1200 ℃；（d）1220 ℃Fig. 5 Morphologies of carbides in the eutectic region of the alloy treated in solid solution at different temperatures （a）as-cast；（b）1180 ℃；（c）1200 ℃；（d）1220 ℃

2.4 固溶处理对γ′相的影响

图6（a）为铸态K416B合金枝晶干区域的γ′相形貌，其尺寸约为0.3～0.6 μm，并呈弥散分布。经不同温度固溶处理后，合金中γ′相形貌如图6（b）～（d）所示。经高温固溶后，由于合金中的γ′相部分发生溶解，使合金中的γ′相尺寸随着固溶温度的升高逐渐减小，如图6（b），（c）和（d）所示。

2.5 固溶处理对合金元素偏析程度的影响

由于合金中含有较多难熔元素，在凝固期间枝晶间和枝晶干不可避免发生元素偏析，元素偏析程度可用偏析系数（k′）进行表征[17]，即：

式中：WD为枝晶干成分；WI为枝晶间成分。当k′ ＞ 1时，元素偏析于枝晶干区域。

图6 不同温度固溶处理合金中枝晶干区域的γ′相形貌 （a）铸态；（b）1180 ℃；（c）1200 ℃；（d）1220 ℃Fig. 6 Morphologies of γ′ phase in dendritic stem region of the alloy treated in solid solution at different temperatures （a）as-cast；（b）1180 ℃；（c）1200 ℃；（d）1220 ℃

图7 不同状态合金中元素偏析系数分布图Fig. 7 Distribution of element segregation coefficient in the alloy at different states

借助电子探针分析仪，分别对铸态与热处理态合金枝晶间和枝晶干进行多区域的元素分析，结合式（2）分别计算出各元素的偏析系数，其中铸态和1220 ℃固溶处理合金中各元素的偏析系数分布如图7所示。结果表明，铸态合金中仅有元素W偏析于枝晶干，其余元素偏析于枝晶间；经固溶热处理后，合金元素的偏析程度均有不同程度的降低，其中，元素Hf、Nb、Ti和Cr向枝晶干扩散，而元素W和Al向枝晶间扩散，从而大大降低了这几个元素的偏析程度，提高了合金成分的均匀性。

3 结论

（1）随着固溶温度的升高，合金中的二次枝晶发生溶解，使枝晶间的共晶数量逐渐减少，同时合金中的γ′相发生溶解，使其尺寸减小。

（2）经高温固溶处理后，枝晶间区域的条状MC碳化物可分解形成粒状M6C相，而共晶处的大尺寸块状M6C相无明显变化；同时合金中各元素的偏析程度降低，其中，元素W和Al往枝晶间扩散，其余元素往枝晶干扩散。

（3）固溶处理后全面组织研究结果表明，1220 ℃保温4 h为合金组织状态最佳的固溶热处理工艺。