GH3625镍基合金的铸态组织及均匀化处理工艺研究

寇金凤 聂义宏 白亚冠 朱 琳

(天津重型装备工程研究有限公司，天津300457)

燃煤发电是我国电力资源的重要组成部分，我国大约60%的电力都来自于火力发电。煤炭是一种不可再生资源，且火力发电对环境的污染也比较严重。当前随着能源危机的日益严重和环保意识的不断加强，迫切需要发展一种高效的、清洁的火力发电机组。欧洲、日本、美国在20世纪90年代末相继提出了先进超超临界火电机组研发计划，并且将蒸汽参数提高到了700℃35 MPa[1-2]。这些国家和地区都将铸造GH3625高温合金作为超超临界火电机组缸体、阀体的候选材料进行研发，并且已经进行了比例件试制。国内在超超临界火电机组大型铸件用镍基合金方面基础薄弱、研究较少，本文利用真空感应熔炼得到的GH3625镍基合金的电极锭，开展了铸态组织和均匀化工艺研究，从而为大型化镍基合金铸件研制提供数据积累。

1 试验材料及方法

本试验研究的GH3625镍基合金试样取自于利用真空感应熔炼工艺得到的150 kg电极锭，其长度为1200 mm，直径为145 mm，电极锭冒口端的化学成分见表1。先从电极锭冒口端切下60 mm厚的盘片，然后再切取15 mm厚的盘片，从该盘片上半径以内的位置切取若干∅15 mm×15 mm的块状试样进行铸态组织分析和均匀化工艺研究。机械打磨抛光后，用10%的磷酸水溶液电解侵蚀(电压为30 V)，利用光学显微镜、扫描电镜观察组织形貌，每个试样采集5张照片，每张照片选取3个位置进行枝晶间距的测量，最后取平均值，利用能谱仪(EDS)分别在枝晶间和枝晶干处取点测量元素含量，每个试样取两个视野，每个视野中测10点取平均值，并测定了析出相。在高温热处理炉内对铸态试样进行均匀化热处理，均匀化热处理采用正交试验法，温度分别为1140℃、1160℃、1180℃、1200℃、1220℃，保温时间分别为2 h、4 h、8 h、16 h、32 h，出炉后水冷，随后打磨抛光、电解腐蚀后进行金相观察，以便分析不同区域和析出相的成分。

表1 GH3625电极锭冒口端化学成分(质量分数，%)Table 1 Chemical compositions ofGH3625 electrode ingot riser(mass fraction,%)

2 结果与讨论

2.1 铸态组织

图1为试验合金的铸态组织。从金相显微镜和扫描电镜下都观察到了非常明显的树枝晶，照片中浅色区域为枝晶间，深色区域为枝晶干，主枝晶干上长出了大量的二次枝晶臂，发达的枝晶组织说明合金在冷却凝固时发生了成分偏析。利用能谱仪测量了枝晶间和枝晶干的成分，并计算了不同元素在枝晶间和枝晶干的比值，即偏析系数，然后通过多组数据求出平均偏析系数K，见表2，Nb、Mo、Ti的偏析系数依次为2.01、1.26、1.33，表现为明显的正偏析，均偏析于枝晶间，偏析程度Nb>Ti>Mo。由于Nb元素熔点高、密度大，在合金中具有最高的质量分数，因此偏析程度相对最大。图2为析出相形貌及EDS分析结果，合金铸态组织中只有沿晶界析出的块状碳化物，未观察到其它晶内析出相。参照GH3625合金凝固时析出相的热力学计算结果，结合EDS结果可知，该析出相主要是NbC，分布于晶界上。CNb比值决定了GH3625合金的结晶方式和组织结构。CNb比值较高时，凝固组织为γ基体和NbC；CNb比值适中时，先形成γ基体和NbC随后又析出laves相；CNb比值较低时，只形成γ基体和laves相。另外，结晶方式还与化学成分和结晶速率有关，Si元素含量高，可以偏析于枝晶间，促进laves相的形成[3]。本试验所用GH3625合金中CNb比值及较低的Si含量都导致其凝固过程中只形成γ基体和NbC。

图1 GH3625合金铸态组织Figure 1 As-cast microstructure of GH3625 alloy

表2 GH3625合金中Nb、Mo、Ti的偏析系数KTable 2 The segregation coefficient K ofNb、Mo、Ti of GH3625 alloy

图2 GH3625合金析出相及其成分分析Figure 2 Precipitates and composition analysis of GH3625 alloy

2.2 均匀化处理工艺研究

合金在冷却凝固过程中的溶质再分配是产生偏析的根本原因，而均匀化热处理的目的是为了尽可能的减少元素偏析，使其从高浓度区向低浓度区扩散，最后达到均匀、一致的状态。为了清晰、明了地表达扩散效果，利用残余偏析指数δ来量化合金中某元素的偏析情况，δ越小(理想情况下最小值为0)，说明元素的浓度起伏越小，偏析程度越轻，δ的表达式为：

(1)

式中，Cmax和Cmin为经过某种均匀化工艺处理后元素的最大浓度值与最小浓度值，C0max和C0min分别为铸态下该元素的最大浓度值和最小浓度值，对于正偏析元素而言，最大浓度即是枝晶间区域的浓度，最小浓度就是枝晶干区域的浓度，D为原子在基体中的扩散系数，t为均匀化保温时间，L为铸态平均枝晶间距。从式(1)可以看出，残余偏析指数δ与原子扩散系数D、均匀化保温时间t和铸态平均枝晶间距L呈幂指数相关[4]。

众所周知，在均匀化处理中，温度是最主要的影响因素。扩散系数随温度的升高而增大，而残余偏析指数又随扩散系数增大而减小，所以提高均匀化温度可以有效地提高元素在基体中的扩散速度，从而加速均匀化。但温度并不是越高越好，一方面会造成能源的浪费，另一方面过高的温度可能会导致晶界发生初熔，因此均匀化温度必须选择在初熔温度以下。均匀化过程中，另一个影响元素扩散的参数是保温时间。在相同的温度下，残余偏析指数随保温时间的延长而逐渐趋于0[5]。理想情况下，经合适的均匀化处理后，残余偏析指数会变为0，即合金中的所有元素都处于完全均匀分布的状态，区域之间没有浓度差异，但实际上这种情况几乎不存在。工业上给出的依据是δ降至0.2时就算扩散均匀[6]，并且过长时间的保温也会增加生产成本。

经不同均匀化热处理后的显微组织见图3，光学显微镜下的显微组织见图4。对比经不同均匀化工艺处理后的枝晶形貌可以看出：相同温度下随着时间的延长，枝晶不断消除，偏析明显减轻；在8 h、16 h、32 h的保温时间下，随着温度的升高，枝晶也不断消除，偏析明显减轻。相同温度下随着时间的延长，枝晶形貌逐渐变得模糊，枝晶得到了明显的消除；在16 h、32 h的保温时间下，随着温度的升高，枝晶也不断消除，偏析明显减轻。从图5元素残余偏析指数来看，随着温度的升高和时间的延长，易偏析元素Nb、Mo、Ti的残余偏析指数都逐渐减小，即这些元素在枝晶间和枝晶干的分布越来越均匀，尤其是在较长的保温时间下，例如32 h后，随着温度升高至1220℃，这三种元素残余偏析指数明显趋于0.2或以下。同一温度下，随保温时间的延长，残余偏析指数是逐渐减小的，刚开始随时间的延长而急剧减小；一定长的时间后，随着时间的延长，减小的趋势逐渐变慢。这是因为均匀化初期比较接近于原始铸态组织，元素偏析比较严重，浓度梯度较大，扩散动力大，扩散相对比较容易，偏析消除得也比较快，而到了均匀化后期，浓度梯度逐渐变小，扩散动力减小，原子扩散变得越来越慢，偏析减小的趋势也越来越慢。从枝晶形貌、残余偏析指数变化情况来看，1200～1220℃保温32 h的均匀化处理工艺为最佳，而对于大锭型或是大尺寸试制件，需要在该保温时间的基础上加上热透所需的时间。

图3 GH3625合金经不同均匀化热处理后组织Figure 3 Microstructure of GH3625 ingots after different homogenization heat treatments

图4 GH3625合金经不同均匀化热处理后的枝晶间距Figure 4 Dendritic spacing of GH3625 ingots after different homogenization heat treatments

图5 GH3625合金经不同均匀化热处理后Mo、Nb、Ti元素的残余偏析指数Figure 5 The segregation coefficient of Mo、Nb、Ti of GH3625 alloy after different homogenization treatments

3 结论

(1)GH3625真空感应熔炼电极锭的铸态组织中存在明显的偏析，其中Mo、Nb、Ti元素在枝晶间为正偏析，偏析程度为Nb>Ti>Mo，较高的CNb比值及较低的Si含量都导致其凝固过程中主要析出相是块状NbC，其均匀地分布于枝晶间。

(2)均匀化热处理后，通过枝晶形貌、残余偏析指数的变化来看，1200～1220℃保温32 h可以作为GH3625小锭型合金的均匀化处理工艺，而对于大锭型或是大尺寸试制件，需要在该保温时间的基础上加上热透所需的时间。